基于建构生命观念的题组设计与实践——以一轮复习“光合作用”专题为例

何丽婷

(广西壮族自治区南宁市第三中学)

生命观念是对生命现象和事实进行理解和解释后抽象形成的意识、观念和方法,包括结构与功能观、进化与适应观、物质与能量观等。生命观念较抽象,学生不容易理解,因此教师需要将生命观念落实到生物学概念的复习中,以生命观念对应的概念和事实作为锚定点,让学生在生物学事实中归纳整理出相关的生物学概念,再由相关概念抽象、提炼、概括为核心概念,最后升华总结为相对应的生命观念。

一、题组设计方向

通过新授课的学习,学生已经对光合作用的主干知识有了一定的理解,因此在一轮复习中教师要通过题组设计,使学生逐步构建生命观念,基于此,笔者结合本专题的知识内容和《课程标准》的相关要求设计了以下题组:“叶绿体的结构与功能”题组、“光合作用的原理及应用”题组、“光合作用和呼吸作用的联系”题组。各题组内的选题需从不同角度提供生物学事实,引导学生归纳相关知识,聚焦核心概念。为增强题组间的逻辑性和指向性,教师需梳理各题之间的关系,对全部题目进行科学的排序,促使学生在解决问题的过程中形成生命观念。结合生命观念的建构并考虑各概念间的关系,笔者将“光合作用”专题的题组设计思路归纳如图1。

图1 典型题组设计思路

二、题组设计的原则

题组设计和命制是教师必备的教学技能,优质的试题可以帮助教师精准评价教学目标是否达成,以便及时调整教学计划。笔者将命题的一般原则与培养生命观念的试题特点相结合,总结以下建构生命观念的题组设计基本原则。

(一)考查内容具有科学性

科学性原则是命制试题的基本原则,在试题命制或选编过程中要注意:1.题干要精炼明确,题目陈述、设问以及答案等要保证科学严谨、指向性明确,避免因描述不清、有歧义的表述等导致学生理解出现偏差;2.生物学概念和内容的考查应与事实相符,考查范围要符合《课程标准》的规定,不要为了追求难度和新颖而超出学生的认知水平;3.试题中的表格、流程图、模型图等都要有科学依据,不能凭个人教学经验进行编造而造成知识性错误。

(二)情境设计具有真实性

在题组设计中,真实的问题情境是必不可少的要素。题目中涉及的问题情境应该是有科学依据且真实存在的,并蕴含有一定的生物学概念和客观规律在其中,不能使用未经证实的推测和编造的情境。命题的素材可借助教材资料、科技新闻等途径获取,而后结合考查目的对素材进行合理修改,使情境素材与学生生活紧密联系,引发学生的学习兴趣。在真实的问题情境中,学生能更深切地体会到生物学知识与生活的联系,同时也提高学生利用生物学知识解决实际问题的能力。

(三)试题呈现形式多元化

试题的呈现形式也是题组设计过程中需要思考的问题。大量的文字描述会令学生感到疲惫,教师可以利用细胞结构的模型、生化反应的流程图、物质变化的曲线图和表格等形式多角度呈现考查内容,一方面提高学生的学习兴趣,另一方面也考查学生处理和获取信息的能力。

三、题组设计实践

题组一:叶绿体的结构与功能

[题1]图2中甲图为叶绿体的结构模式图,乙图为甲图中取出的部分结构放大图。下列叙述正确的是

( )

甲

乙

A.甲图中叶绿体内膜堆叠使得生物膜面积增大

B.乙图来自甲中的③,光合作用相关的酶都分布于其上

C.④中CO2固定过程要消耗③上产生的ATP中的化学能

D.乙图中的光合色素分布在甲中的③上

[题2]在某真核细胞中有三种具有双层膜的细胞结构,其示意图如图3所示,下列有关分析正确的是

( )

a

b

c

A.a表示线粒体,[H]与氧结合形成水发生在基质中

B.b表示叶绿体,内外膜的存在增大了光合作用相关酶的附着面积

C.c中的孔道是大分子进出该结构的通道,具有选择性

D.a、b、c中内外膜化学成分差异最大的是图b

题组二:光合作用的原理及应用

[题3]2021年,《Science》报道了中科院科研团队在人工合成淀粉方面取得的重大突破。研究人员从动植物和微生物等31个物种中获取生物催化剂,在无细胞系统中构建了11步反应的淀粉合成人工路径—ASAP路径。该合成路径过程如图4所示,请回答相关问题:

图4

(1)对于自然界绿色植物来说,过程①和过程②可发生在叶肉细胞中的________。

(2)植物细胞中光反应阶段将太阳能转变为___________________。人工合成淀粉的过程与卡尔文循环类似,推测人工合成淀粉应加入_____________________。

(3)在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下,人工合成淀粉的积累量________(填“高于” “低于”或“等于”)植物,原因是______________________________。

(4)人工合成淀粉技术的突破使淀粉生产由传统农业种植转向工业化成为可能。请结合所学知识分析,该成果在未来的一项应用前景_____________________________________(答出一点即可)。

[题4]为探究CO2浓度倍增和干旱胁迫对紫花苜蓿光合作用的影响,下表为科研人员在适宜温度的条件下,人工控制CO2浓度和水分模拟CO2浓度倍增和干旱胁迫得到的实验数据,下列说法错误是

( )

表1

A.在干旱胁迫条件下,光合速率降低的原因可能是气孔开度降低,CO2吸收减少

B.CO2浓度倍增会提高气孔开度和水分利用效率,使光合速率上升

C.CO2浓度倍增可以减缓因干旱引起的气孔开度降低幅度

D.CO2浓度倍增时光合速率并未倍增,可能是高浓度CO2环境降低了固定CO2酶的活性

题组三:光合作用和呼吸作用的关系

[题5]光合作用和呼吸作用相互依存,又有各自独立的工作系统,图5为某植物叶肉细胞光合作用和呼吸作用过程的物质变化示意图,下列叙述正确的是

( )

图5

A.Ⅰ过程表示光反应阶段,②和③分别代表ADP+Pi和NADP+

B.图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ过程均能发生能量转换并产生ATP

C.Ⅱ过程发生在叶绿体基质、Ⅲ过程发生在线粒体中

D.若该植物净光合速率为0,则叶肉细胞产生的①在Ⅲ过程中被利用而不会排出细胞

[题6]植物的光补偿点是指光合速率和呼吸速率相等时的光照强度。已知甲种植物的光补偿点大于乙种植物,将正常生长的两种植物放置于同一密闭小室中,在温度和CO2浓度适宜的条件下培养,下列说法错误的是

( )

A.若增加CO2浓度,则植物的光补偿点会增大

B.当光照强度低于乙的光补偿点时,甲乙植物均不能正常生长

C.当乙植物净光合速率为零时,甲植物的净光合速率小于零

D.若光照强度适宜,密闭小室中的CO2浓度先下降而后稳定不变

【参考答案】1.D 2.C 3.(1)叶绿体基质 (2)储存在ATP中的活跃化学能 暗反应相关的酶 (3)高于 人工光合作用系统没有呼吸作用消耗糖类,因此积累量更多 (4)能节约大量的耕地和淡水资源;减少使用农药、化肥等对环境产生的负面影响;提高人类粮食安全水平、缓解粮食短缺;减少温室效应,缓解全球气候变暖 4.B 5.A 6.A

四、题组设计思路

题组一先从叶绿体的结构出发,帮助学生回顾类囊体薄膜、叶绿体基质的结构特点,为题组二进一步复习光反应和暗反应的具体过程打好基础。

题组二先通过我国科研团队在人工合成淀粉中的进展引导学生回顾光反应和暗反应的过程,再借由表格信息题引导学生学会分析多种环境因素对光合作用的影响,提高学生获取信息、解决综合问题的能力。

题组三先从基础的概念模型考查出发,使学生从整体上对光合作用和呼吸作用过程的物质和能量变化、二者之间的联系有清晰的认识。“净光合速率”“光合速率”和“呼吸速率”这几个概念是学生经常混淆的知识点,在学生熟练掌握了光合作用和呼吸作用过程的概念模型后,结合情境信息灵活考查光补偿点的相关内容,帮助学生突破重难点。

“结构与功能观”作为生命观念之一,高考对其的考查常常建立在基础知识和核心概念之上,同时学生要能认识和理解各细胞结构的模式图,因此在题组设计的过程中,增加了示意图、细胞结构模型等信息,借此提高学生基于图片提取信息的能力。

题1考查叶绿体结构及功能的相关知识,学生通过比较分析甲乙两图后归纳出以下概念:①叶绿体膜面积的增大主要依靠于类囊体膜堆叠而成;②类囊体薄膜上附着有光合色素以及光合作用相关的酶;③光反应在类囊体薄膜上进行。题2在题1基础上进一步增加了图示的复杂性,需要学生辨析叶绿体、线粒体、核膜的结构和功能,更深刻地理解“正是由于具有光合色素和光合作用相关的酶,光反应和暗反应才可以在叶绿体上发生”,帮助学生认识到生物体结构和功能相适应的生命观念。

从题1和题2的答题情况看,学生对叶绿体的结构特点比较熟悉,但在综合考查细胞结构时出现了知识点模糊的情况,经过复习归纳后,学生能类比归纳出细胞结构的异同,分析综合的能力得到提升。

题3的前两个小问中,学生需要将陌生的人工合成淀粉的过程和熟悉的绿色植物的光合作用过程进行类比分析,找到二者可联系的共通点,促使学生理解“光反应和暗反应过程伴随着物质和能量变化”的次位概念,从而形成“物质与能量观”的生命观念。而第(3)和第(4)问通过问题与真实情境结合,让学生对实际生活的生命现象进行科学解释和推测,帮助学生养成从生物学视角看待问题的思维习惯,形成对生命世界的基本看法和态度,并提高解决实际问题的能力。

题4中,学生从题干和表格信息中简单分析后即可得出干旱和CO2浓度会通过影响气孔的开度和水分利用效率来影响光合速率,进而抽象出“水分和CO2浓度等外因会影响光合速率”的基本概念。在此过程中学生需要分析气孔开闭和水分利用对植物光合作用的意义,从而理解植物的形态结构和生理机能的调整是为了更好地应对环境变化,最终形成“进化与适应观”的生命观念。同时D选项引导学生对“CO2浓度倍增光合速率并未倍增”这一问题的原因进行思考分析,进而抽象出“光合作用相关的酶等内因也会影响光合速率”的概念。

从题3的答题情况看,基础知识如光合作用的场所、光反应的能量转换等内容大部分学生能顺利作答,但部分学生在应对人工合成淀粉的陌生情境时无法将其与光合作用的各反应步骤联系起来,知识的迁移受阻。而题4涉及两个环境因素对光合作用的影响,因变量的检测也有2个指标,对学生而言有一定的难度,在分析过程中容易被多个变量迷惑,学生需要系统分析,准确判断自变量、因变量和无关变量后方能解题。

题5围绕光合作用和呼吸作用的模式图展开,使学生在理解和分析模型中加深对光合作用过程中物质与能量变化的认识,同时培养学生类比、分析、推理和综合的思维,让学生形成正确的科学意识,通过联系呼吸作用的过程,使学生体会细胞代谢在生命活动中的作用,进而形成“细胞的生存需要能量和营养物质”的大概念,感悟到物质与能量变化在生命系统中的重要性。

题6则通过描述光补偿点的定义,引导学生初步感知净光合速率的概念,而后通过分析选项进一步归纳提炼出“光照强度大于光补偿点时,净光合速率大于零,此时植物可以正常生长,反之则不能”的结论。

经过了题组二的训练,学生对光合作用和呼吸作用过程的物质变化基本掌握,但对光合速率、净光合速率和呼吸速率之间的关系缺乏感性认识,因此题5的D选项和题6失分较多,经过习题的分析后,学生归纳出总光合速率=净光合速率+呼吸速率,结合题6的D选项进一步明确了三者与CO2、O2和有机物变化量的关系,同时结合光补偿点的分析可以加深对光合作用和呼吸作用相关概念的理解和延伸。