结合进化史的“光合作用”一节项目式学习尝试

张 燕 （上海市淞浦中学 上海 200941）

光合作用过程是光合作用教学的重点内容之一。植物的光合作用系统是在植物漫长的进化史中逐步完善的。以光合作用的进化史为素材组织学生进行项目式学习，能在培养学生生命观念的同时，促进其对光合作用意义的思考，增强社会责任。

1 光合作用项目式学习的整体设计思路

“光合作用过程”是上海科学技术出版社高中《生命科学》教材第1 册第4 章的内容。教材以酶和ATP、叶绿体及其色素等内容为知识铺垫，以光合作用的科学史引入科学思维和实验探究方法，然后展开光合作用过程的教学。光合作用过程是一个伴随着能量转变的复杂物质变化，因此，物质与能量观是教材中主要体现的生命观念。

光合作用过程涉及的物质变化较多，例如，NADPH、C3化合物、C5化合物等物质的参与，直接讲授既降低了学生的学习兴趣，造成记忆困难，也不利于学生在学习中形成物质与能量观。教学中尝试以植物从海洋到陆地的进化过程中叶绿素和叶绿体的产生、根和叶等器官的形成为线索，以项目式学习的方式探索植物进化过程中光合作用的发展，构建光合作用过程，感悟光合作用对地球环境和地球生物的影响。用2 课时的时间进行项目启动、集中讨论、交流和展示，并利用一定的课后时间完成小组展示需要的资源准备等工作。

2 光合作用项目式学习的实施

2.1 光合作用项目式学习的主题确立和分解 向学生提供“藻类植物→苔藓植物→蕨类植物→裸子植物→被子植物”的进化史简图，明确学习探究的主题：植物的光合作用如何随着植物进化史发展？

学生根据已学过的“绿色植物通过叶绿体，利用光能将二氧化碳和水转化成糖类等有机物，并且释放氧气的过程”光合作用概念，讨论后提出拟探究的3 类问题：①植物是怎样具有了利用光的能力？利用光能做什么？②植物如何具备了吸收水的能力？植物利用水做什么？③植物如何具备了吸收CO2的能力？植物怎样将CO2转变成糖类？

2.2 项目式学习的实施

2.2.1 分组落实探究点 全班学生分成6 组，根据问题和提示，每2 组研究一类问题。学生结合教材，利用教室网络环境和教师提供的地球进化史中CO2含量、O2含量变化等数据，进行小组项目研究。

教师同时提示学生，在研究上述问题时，要考虑2 个问题：①关注各种物质变化与能量利用之间的关系；②关注植物光合作用的进化对地球环境和地球生物的影响。

6 组学生分别选定探究问题相关的进化时期。例如，第1～2 组的学生在研究光能的利用时提出，根据已学知识知道吸收光能的是叶绿体上的叶绿体色素，因此，以最早出现叶绿素的蓝藻及其演化作为素材进行研究；第3～4 组的学生研究水的利用，将吸收水分的器官——根的进化，即从苔藓植物到蕨类植物的进化作为研究素材；第5～6 组的学生研究CO2的利用，将吸收CO2的器官——叶的进化史作为研究素材。

2.2.2 小组交流和互补 经组内合作学习，进行了第1 次组间交流。交流中发现，有的小组关注了植物器官的结构变化引起功能变化，没有深入分析这种功能改变对物质和能量利用的影响；有的小组没有考虑某种光合作用能力的进化对地球大环境的影响；还发现不同小组研究的物质变化和能量转变存在联系，光合作用引起的地球环境改变是持续的，组间可互为补充。因此，在第1 次交流后，6 个小组对同质问题和异质问题的研究角度、表述方式进行比较和补充，并在第2 课时进行第2 次交流。各小组陈述的3 类问题研究概要如下：

问题①：35 亿年前地球上出现了蓝藻，蓝藻中含有叶绿素，可吸收光能。15 亿年前，出现了真核的藻类，这些藻类细胞中有叶绿体，就有了进行光合作用的固定场所。叶绿体色素对光能的吸收是有选择性的，叶绿素a 和叶绿素b 主要吸收蓝紫光和红光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。这些色素分子将吸收的光能传递给少数特殊的叶绿素a，使其被光能激发，释放高能电子。

待解决的问题：被叶绿素吸收的光能，在后续过程中会以什么能量形式存在？

问题②：光合作用需要水，生活在潮湿环境下的苔藓进化出具有支撑作用的假根。而正在离开水环境的蕨类植物进化出有输导组织的真正的根，用于吸收水分。因此，根的出现保证了植物能像原始的蓝藻一样，在光合作用中将水分解成O2和H+。O2的产生使地球从无氧环境逐渐变成了有氧环境。部分氧还形成了臭氧层，阻挡了太阳的紫外线辐射，保护了地球生物的生存。

待解决的问题：什么促使水分解成为O2？植物将O2排出体外，留下的H+有什么作用？

问题③：早期地球上的动物较少，CO2含量也不高。在植物长时间的光合作用后，地球上CO2含量更低了。为了更多地吸收CO2，蕨类植物进化出了叶子。叶面积越大，叶上的气孔越多，能吸收的CO2也越多。植物还进化出用以储存光合作用产物（糖类）的器官，例如，根、茎、果实，这些储存的有机物为动物的生存提供了食物。

待解决的问题：从CO2到糖类，中间发生了哪些化学反应？需要什么条件？这些反应和O2的产生是否有联系？

2.2.3 对光合作用进化史的整合和过程猜想以组间交流为基础，各小组进行光合作用进化史的列表整合，并将各小组最后提出的问题进行合理猜想（表1）。

表1 光合作用进化史的探究总结及过程猜想

2.2.4 光合作用过程的构建和光合作用意义的阐述 在完成列表的基础上，小组结合教材和猜想，构建光合作用过程的概念图，阐述概念图中光能是如何随物质变化被逐步储存至糖类等有机物中，归纳光合作用产物对地球环境和生物生存的作用和意义。

2.2.5 光合作用项目式学习的小组评价 对小组学习活动分团队合作、创新创造、批判性思维、展示技巧4 个部分进行评价（表2）[1]。

表2 项目式学习小组评价表

3 项目式学习教学组织的反思

教师在学生的项目式学习中发现，融入了进化史的光合作用过程学习，促进了学生对物质变化和能量转变的主动探究，引发了其对物质与能量之间关系的深度思考，真切地感悟到光合作用对地球和生命生存的重大意义。此外，在光合作用和进化史的融合学习中，学生对结构与功能观、进化与适应观也有了进一步的认识。有些小组对地球某些时期高含氧量对昆虫体型的影响、大型食植动物对植物形态的影响等课题产生了新的研究兴趣，使项目式学习有了持续性和发展性。