运用模型建构培养学生科学思维核心素养——以“光合作用和细胞呼吸”复习课为例

（江苏省奔牛高级中学 江苏常州 213131）

科学思维是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。例如，能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法，探讨、阐释生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题。在高中生物复习教学中，教师引导学生通过模型建构和应用模型来解决问题，可以将复杂的问题简单化，抽象的问题形象化，有助于提升学生的科学思维。生物学中常见的模型包括物理模型、概念模型、数学模型等。下面以高中生物“光合作用和细胞呼吸”的复习为例，探讨模型建构在培养学生科学思维过程中的应用。

1 建构物理模型，找寻光合作用和细胞呼吸的结构基础

光合作用和细胞呼吸是细胞能量代谢的两个重要的生理过程，其生命活动的进行离不开一定的物质基础和结构基础。在复习光合作用和细胞呼吸时，教师通过设置问题串来引发学生的思考：①光合作用和细胞呼吸分别发生在绿色植物的什么结构中，为什么？②画出叶绿体和线粒体的结构示意图，并标出相关色素和酶的分布部位。③为什么线粒体只能是进行有氧呼吸的主要场所？④进行光合作用和有氧呼吸一定要叶绿体和线粒体吗？

针对问题①，学生回答：叶绿体、细胞质基质和线粒体，因为叶绿体中含有光合作用所需要的色素和酶，细胞质基质和线粒体中含有有氧呼吸所需要的酶。针对问题②，学生在学案上画出叶绿体和线粒体的相关结构，标出结构名称（图1），指出：叶绿体能通过形成类囊体薄膜增大膜的面积，从而可以附着更多的酶和色素，有利于光合作用的进行；线粒体通过内膜向内折叠增大膜的面积，增加了酶的分布面积，有利于细胞呼吸的进行。针对问题③，学生回答：因为把葡萄糖分解为丙酮酸的一系列酶分布在细胞质基质中。通过找寻与光合作用和细胞呼吸相关的的结构，学生体验了生命观念中的结构和功能观（结构与功能相适应）。针对问题④，学生回答：不一定。蓝藻没有叶绿体能进行光合作用，因为有光合作用所需的色素和酶。细菌没有线粒体，但含有与有氧呼吸有关的酶，也能进行有氧呼吸。

学生在建构物理模型和对模型的分析过程，培养了科学理性的思维习惯，找寻了光合作用和呼吸作用相关的的结构基础。原核生物中蓝藻和细菌虽然没有叶绿体和线粒体，但也能进行光合作用和呼吸作用，教师以此引导学生分析与结构相关的物质基础，使学生理解生命现象的本质，发展科学思维素养。

2 建构概念模型，探寻光合作用和细胞呼吸的内在联系

光合作用和细胞呼吸两者的区别和联系是学生理解生物的生长、发育等生命活动能量来源的前提，同时也为学生进一步学习和分析生态系统中的能量流动、物质循环、生态平衡等奠定基础。

2.1 画概念图，建立光合作用和细胞呼吸内在联系的概念模型

在复习了光合作用和细胞呼吸过程的基础上，教师引导学生画出光合作用和细胞呼吸结合在一起的概念结构图（图2），分析其发生的物质和能量变化，寻找其内在的联系。

从光合作用和细胞呼吸的对象和条件看，细胞呼吸是所有活细胞时刻进行的生理活动，而光合作用主要是绿色植物的叶肉细胞，在光照条件下发生的生理活动。教师提出问题：对于叶肉细胞而言，当光合作用和细胞呼吸共同存在时，两者之间又有什么关系呢？

2.2 画结构图建构光合作用和细胞呼吸内在联系的概念模型

首先，教师提供一个叶肉细胞的模型（图3），重点突出与光合作用、细胞呼吸有关的两种细胞器，叶绿体和线粒体。

接着，学生讨论，并用单向箭头表示出叶肉细胞在不同条件下，细胞中O2和CO2的来源和去路（图4）：

（1）在黑暗条件下，只有细胞呼吸。

（2）有光照条件下，既有光合作用，又有细胞呼吸。

①当光照较弱，光合作用强度<细胞呼吸作用强度时；

②当光合作用强度=细胞呼吸作用强度时；

③当光照较强，光合作用强度>细胞呼吸作用强度时。

3 建构数学模型，追寻光合作用和细胞呼吸的影响因素

植物细胞叶绿体在行使功能时，需要一定的外部条件。例如，光合作用是叶绿体的功能，在黑暗中虽然结构没发生变化，却无法进行光合作用，光照是进行光合作用的必要条件。

由此，教师引导学生从反应的条件和反应的原料两个方面分析影响光合作用的主要的环境因素。

3.1 利用数学公式，分析在细胞水平和个体水平上光对植物净光合作用速率的影响

3.1.1 细胞水平上建构数学以模型

教师引导学生结合图4，分析在光合作用强度>细胞呼吸强度时，从而得到光合作用产生的O2=细胞呼吸利用的O2+叶肉细胞释放到细胞外的O2。

教师提出问题：这一数学模型中，是否适合其他三种情况呢？并引导学生分析以下模型：

①光照强度为0时，光合作用产生的O2为0，细胞呼吸利用的O2=-叶肉细胞释放到细胞处的O2（负号表示相反，即从细胞外吸收）。细胞呼吸利用的O2=叶肉细胞从细胞外吸收的O2；

②光合作用产生的O2=细胞呼吸利用的O2—叶肉细胞从细胞外吸收的O2。

③光合作用产生的O2=细胞呼吸利用的O2。

3.1.2 个体水平上建构数学模型

生物个体是由大量细胞组成的，在具体研究光合作用和细胞呼吸的时候，不可能直接测定某个细胞的光合作用或细胞呼吸所产生的氧气、利用的氧气，而是以生物个体为研究对象来测定的。一般来说，测定的是将某植物置于特定环境中，用单位时间内植物向外界环境中释放的氧气或吸收的氧气量来表示植物光合作用或呼吸作用的速率。

根据以上细胞水平上数学模型的建构，学生经过讨论，建构个体水平上的数学模型：

单位时间内植物光合作用产生的O2=单位时间内植物细胞呼吸利用的O2+单位时间内植物释放到外界环境中的O2。

人们常用测定到的环境中O2的增减来表示光合作用速率，从以上构建的模型可以看出，所测定的光合速率并不是植物真正的光合速率，是表观光合速率，也叫净光合速率。而真光合速率=净光合速率+呼吸作用速率。

另外，净光合速率还可以用单位时间内植物从外界净吸收的CO2或单位时间内植物净积累的有机物的量来表示。

3.1.3 分析模型，深入思考

教师提出问题：当净光合速率为零时，植物的真光合速率=植物呼吸作用速率。对于叶肉细胞而言，细胞的光合作用速率和呼吸作用速率相等吗？

学生通过积极思考和讨论发现，由于植物个体的所有活细胞都能进行细胞呼吸，而进行光合作用的只有部分细胞。当个体的光合作用和呼吸作用相等时，对于叶肉细胞而言，光合作用强度一定是大于细胞呼吸作用强度的。

学生在细胞水平和个体水平上建构数学模型。教师利用问题引导学生的思考，有助于学生理清知识的内在联系，进一步理解生物学的本质问题。

3.2 利用曲线，分析光照强度、温度、CO2浓度等对净光合作用速率的影响

教师展示资料：植物生理学家对光合作用进行了大量的研究，图5中的各图分别表示几个环境因素对小麦光合作用速率的影响，除各图中所示因素外，其他因素均控制在适宜范围。并提出问题，引导学生思考：

①从图中资料显示，影响光合作用的环境因素有哪些？②图5A中的Ⅰ曲线代表了什么含义？③从图5B可知，当光照强度为Q点时，影响光合作用速率的因素主要是什么？此时主要影响了光合作用的什么阶段，为什么？④A、B两图在光照强度为P点时，要想提高光合作用的产量，分别采取什么措施？⑤作为限制光合作用速率的环境因素，还应有哪些？

各种模型具有各自的优点，其中物理模型能把微观抽象的生物结构进行放大和具体，便于学生把握生物结构的特征和位置。概念模型能将繁琐、零碎的生物学概念进行整合归类，便于学生理清概念间的关系，整体把握生物学知识框架。数学模型能用数学语言来表达生物学原理和规律，将复杂的生物学知识简单化，便于学生进行预测、判断，培养学生的高阶思维。在高三生物的复习教学中，教师利用模型建构，既能帮助学生将抽象的知识与细胞的结构相联系，从而使抽象知识变得形象直观，又能不断培养学生的分析与归纳、概括和综合能力，培养了学生的科学思维。