《光合作用》一章的生活化教学设计

摘要：光合作用是“植物生理学”课程的核心内容之一，与人类生活和生态系统保护密切相关。教材中涉及的内容对于学生来说，可能显得抽象。为了提高本章的教学效果，笔者分析了结合生活中的问题和实例进行引导和讲解的思路，以帮助学生更好地理解和应用光合作用的知识。

关键词：光合作用；生活；教学；引导

中图分类号：Q945.7文献标识码：C

LifeOrientedTeachingDesignfortheChapteron"Photosynthesis"

LiHaiyun

CollegeofAgricultureandAgriculturalEngineering，LiaochengUniversityShandongLiaocheng252059

Abstract：Photosynthesisisoneofthecorecontentsof"plantphysiology"courses，closelyrelatedtohumanlifeandecosystemprotection.Thecontentinvolvedinthetextbookmayappearabstracttostudents.Inordertoimprovetheteachingeffectivenessofthischapter，aguidingandexplanatoryapproachcombiningreallifeproblemsandexampleswasanalyzedtohelpstudentsbetterunderstandandapplytheknowledgeofphotosynthesis.

Keywords：Photosynthesis；Life；Teaching；Guide

植物光合作用与人们生活密切相关，它不仅为人类提供了食物、纤维和其他资源，还为大气组成平衡和生态系统保护做出了贡献。通过更好地了解光合作用的过程和影响因素，我们可以采取合理措施提高作物的产量和质量，同时保护和维护生态系统。

光合作用是“植物生理学”课程最核心、最重要的内容之一，占到课程总学时的1/6，也是各种类型考试试题中分数占比最大的章节之一。其中部分内容对于许多学生来说可能会显得抽象，如何将“植物生理学”的教学与日常生活联系起来，使抽象的理论变得生动、形象，是值得探讨的问题。在光合作用的教学中，教师可以结合生活中的问题和实例进行讲解，帮助学生更好地理解和应用光合作用的知识。

1《光合作用》一章的教学内容

本章主要内容为光合作用的重要性、叶绿体的结构和成分、光合色素的主要种类和性质、叶绿素的生物合成、光合作用的过程（包括原初反应、电子传递和光合磷酸化、碳同化）、光呼吸、光合作用的影响因素、光能利用率等［1］。教学目标：掌握叶绿体结构及光合色素种类和性质；了解叶绿素的生物合成及其影响因子；初步弄清光合作用机理；了解光呼吸的基本过程和主要生理功能；弄清光合作用的影响因素。本章重点和难点：叶绿素生物合成的影响因子、光合作用的机理、光合作用的影响因素等。

2《光合作用》一章的教学现状

目前本章内容仍采用灌输式教学，这种教学方式通常倾向于将学生视为知识的接收器，而不是积极参与的学习者。这种方式减少了学生的主动性和创造性，容易使学生形成被动接受知识的态度，而不会主动思考和解决问题。灌输式教学可能会使学生感到疲劳，这种教学方式缺乏趣味性，难以引起学生的兴趣和好奇心。

3《光合作用》一章的生活化教学思路分析

3.1光合作用重要性

教师先以我们的衣食住行所需要的物质及能源，还有我们呼吸需要的氧气为话题引入课程，分析植物光合作用的重要性，认识到光合作用是地球上最重要的化学反应。它将无机物转变成有机物、将光能转变成化学能、维持大气氧气和二氧化碳的相对平衡，是地球上一切生命生存和发展的基础。然后以人们感兴趣的诺贝尔奖为话题引出，到目前为止，共有8次诺贝尔奖的桂冠被从事光合作用研究的科学家所摘取［2］，其中因为研究叶绿素而获奖3次，研究类胡萝卜素获奖1次，研究卡尔文循环获奖1次，研究ATP获奖2次，研究光合作用反应中心获奖1次，让同学们进一步认识到光合作用的重要性。

3.2叶绿体和光合色素

由诗句“停车坐爱枫林晚，霜叶红于二月花”创设问题：为什么大多数植物的叶片是绿色？秋天树叶为什么会变黄或变红？引导同学们思考分析光合色素的种类和比例。网页截图：青菜里面有蓝色颗粒到底是什么？对人体有害吗？有的人认为是硫酸铜，为什么认为可能是硫酸铜呢？由这个问题引导到光合色素的理化性质——取代反应，进一步解释做植物标本的步骤和原理。让同学们观察叶绿体色素提取液在透射光和反射光下的颜色变化，引出光合色素的荧光现象和磷光现象，并解释荧光现象产生的原因及光合色素吸收的光能的三条可能的去路。进而由光合色素存在细胞的什么部位引到叶绿体的结构。放映几张由于不同原因导致发黄的植物叶片图片或者真实的植物叶片，让同学们分析植物叶片失绿变黄的可能原因，引入叶绿素的生物合成及其影响因素，如温度、光照、水分、矿质元素等。

3.3光合作用过程

太阳能电池板是把光能转换为电能，光合作用的原初反应也同样是把光能转换为电能，但太阳能电池板的转换效率最高不超过30%，远远不及叶片的转换效率（接近100%），通过叶片究竟是怎样进行转化的问题引到光合作用的原初反应。讲解光合链时可以把光合电子传递体比喻成工厂流水线上的不同工种的工人，由我们呼吸需要的氧气来自水的光解引到希尔反应，由除草剂导致杂草死亡的原因联系到光合电子传递的途径和类型。以小小的一片叶子、无比平凡却又无比精致、值得人类学习的东西还有很多等结尾，激发同学们热爱自然、研究自然的兴趣。

二氧化碳是怎样变成我们食用的碳水化合物的呢？以此为问题引入光合作用的碳同化，最基本的是卡尔文循环。科学家卡尔文和本森花了10年的时间，在无数次失败之后，终于搞清楚了CO2同化的循环途径。通过这个案例能够培养学生勇于探索未知、遇到困难锲而不舍的科学精神。让同学们思考“如果你是卡尔文，应该怎样设计实验”，借此培养学生的主动思考和解决问题的能力。讲述卡尔文循环的过程及产物——磷酸丙糖可在叶绿体内形成淀粉，也可运出叶绿体，在细胞质中合成蔗糖，淀粉和蔗糖就是植物光合作用的主要产物。热带植物如甘蔗等除了和其他植物一样具有卡尔文循环以外，还存在另外一条固定CO2的途径——C4途径。为什么称为C4途径呢？引导同学们根据C3途径来思考C4途径的二氧化碳的固定产物，进一步讲解C4途径的过程。

从光合作用气体的角度分析：夜间卧室内最适宜放什么绿植？大部分同学会回答夜间卧室不适合放绿植，因为它们晚上进行呼吸作用（消耗氧气、释放二氧化碳），会与人争夺氧气。通过问题引导同学们思考光合作用中的气体交换——吸收二氧化碳、释放氧气。是不是所有的植物都是白天消耗二氧化碳、释放氧气呢？答案是否定的。气体交换主要通过气孔进行，气孔不仅是气体通道，还是蒸腾的主要通道。沙漠植物为了减少水分的丧失，气孔白天关闭，夜晚开放，因此它们夜晚吸收二氧化碳，二氧化碳被固定生成有机酸，白天有机酸脱羧产生的二氧化碳通过卡尔文循环还原，这种碳同化的途径为景天科酸（CAM）代谢途径。通过此问题引导同学们得出结论——从气体交换的角度考虑，最适宜放CAM植物，如芦荟、落地生根和多肉植物等。

如何初步鉴定一种未知碳同化途径的植物是C3植物还是C4植物？引导同学们思考并列表比较C3植物和C4植物在形态结构和光合生理特性方面的区别。观察大豆（C3植物）和玉米的（C4植物）的叶片，验证它们在结构上的区别，如背腹面颜色是否一致、是否具有花环状结构等，并进一步剖析C4植物光合效率高于C3植物的原因。

3.4光呼吸

我们通常所说的呼吸作用（消耗氧气、释放二氧化碳）一般是在线粒体进行的。在光下，植物叶绿体不仅仅进行光合作用，同时也消耗氧气。这是因为叶绿体内进行二氧化碳固定的Rubisco既有羧化酶活性，也有加氧酶活性。植物绿色细胞在光下吸收氧气、放出二氧化碳的过程称为光呼吸，在讲解光呼吸的过程中，让同学们思考比较C3和C4植物光呼吸速率的高低。光呼吸作用可以明显地减弱光合作用，降低作物产量，那么抑制光呼吸是否可以提高作物产量呢？研究表明，长时间抑制光呼吸条件下，植物不能正常生长，因此，单独通过抑制光呼吸提高作物产量是不现实的。近年来的研究结果表明，光呼吸是在长期进化过程中，为了适应环境变化、提高抗逆性而形成的一条代谢途径，具有重要的生理意义。通过这个案例能够培养同学们的辩证思维。

3.5影响光合作用的因素

讲解影响光合作用的因素前，先让同学们思考大树底下无丰草、合理密植、二氧化碳施肥、合理浇水和施肥等问题蕴含的知识，引出影响光合速率的因素。大树底下无丰草及合理密植主要阐述光强和光质对光合作用的影响。二氧化碳和水作为光合作用的原料，对光合作用都有较大影响。合理施肥是因为氮、镁、铁、磷、钾等矿质元素影响叶绿素的合成或者光合产物的代谢和运输。植物的光合速率在一天中也有变化，有时出现“午休”现象，以引导同学们分析造成“光合午休”的原因。由农业生产中的间作套作、多茬种植、温室人工补光等联系到提高光能利用率的途径。

4光合作用的深化拓展与应用

4.1人造叶绿体

众所周知，叶绿体是为绿色植物进行光合作用的场所，简单来讲，是高等植物和一些藻类所特有的能量转换器。2016年德国马克斯普朗克研究所的TobiasJ.Erb课题组与法国波尔多大学的JeanChristopheBaret合作在Science上发表了题为LightpoweredCO2fixationinachloroplastmimicwithnaturalandsyntheticparts的文章。文章的作者通过液滴微流控技术将天然的叶绿体内中类囊体膜与CETCH固碳循环中的多种酶完美整合，构建出了能够利用光照作为能量源且效率超过自然的人造叶绿体。这种人造叶绿体能够通过光合作用产生能量分子ATP与NADPH，并进一步高效地将二氧化碳转化为化工原料羟基乙酸。文章的作者首先从菠菜的叶绿体中分离出类囊体膜，并通过实验证实了分离所得的类囊体膜能够在光照的条件下将NADP+还原为NADPH，且能够将ADP转化为ATP。在这基础上，证实了类囊体膜能够兼容CETCH循环中所需的16种酶以及乙醛酸还原酶。值得一提的是，CETCH循环中的酶来自于植物、动物、微生物等多个物种，是目前人类已经发现固碳途径中反应路径最短、能耗最低的固碳循环。尽管目前技术还存在各种各样的问题，能否大规模使用还未可知，但是人造叶绿体影响十分深远。研究人员希望，未来可以通过这种技术合成比普通碳水更有意义的有机物，比如药物分子。

4.2人工合成淀粉

中国科学院天津工业生物技术研究所马延和科研团队在实验室里首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成，相关成果在国际知名学术期刊Science上发表。这项科研突破的“含金量”如何？关于中国科学家研制出人工淀粉的新闻在国际社会上引起了巨大的轰动，甚至有人将中国誉为“国际救世主”。这是一个由无机物向有机物的巨大跨越，有利于解决粮食问题，这是这个重大成就最高光的地方。高效率，低成本，原材料CO2可以说是近似于取之不尽，用之不竭的，有了这个发现，粮食供应问题就有了一个本质性的突破。人工合成淀粉从最完美的角度提供了一条最经济的路径。对CO2的循环利用，有利于温室效应问题的缓解和解决，有利于地球环境的保护和调节，进而有利于碳中和目标的实现。万事开头难，科学家们在起步时经历了无数次失败，但最终凭借百折不挠的毅力成功打开了这扇大门。他们先将甲醇转化为三碳化合物，再将其转化成六碳化合物，利用“搭积木”的方式不断转化，最终聚合成淀粉。相比于植物合成淀粉，它实现了两大开创性突破。首先，在合成过程中不需要借助自然光和太阳能。我们都知道，自然界的植物在利用二氧化碳合成淀粉时，光和水是必须具备的两大条件。可植物合成淀粉时对光的利用率一般低于2%，相比之下，人工合成淀粉技术就成功打破了这一限制，对光的利用率超过了10%，大大提升了转化效率。其次，合成工序更为简单，极大缩短了淀粉转化周期。植物在合成淀粉时需要经历60多个步骤，花费近3个月的时间，而人工合成淀粉只需11天的时间。从理论上讲，1立方米的生物反应器年产淀粉量相当于3333平方米土地玉米种植的平均年产量。

5教学反思

植物光合作用无所不在，不仅支撑了人类的食品生产和能源供应，还是生物未来科技、环境保护的基础。采用单向知识传授方式的传统“填鸭”式的教学模式，导致学生学习兴趣降低，教学质量和教学效果低下［3］。现代教育提倡以学生为中心，注重启发学生思维和培养其自主学习能力，以及加强实践应用和实践能力的培养。陶行知先生说：“我们的实际生活，就是我们全部的课程；我们的课程，就是我们的实际生活。”生活与知识是相辅相成的促进关系，生活是知识的源头活水［4］。这为我们指明了教学的方向：植物生理学就在身边，植物生理学与生活息息相关。基于生活实例的问题既有生动性又有趣味性，能真正推动学生思考和深入学习。

参考文献：

［1］潘瑞炽.植物生理学［M］.北京：高等教育出版社，2012.

［2］张成军.光合作用与诺贝尔奖［J］.中学生物学，2007，23（5）：3.

［3］王爱玲.走向“生活·生成·生命”：当代教学理论新趋向［J］.教育学术月刊，2022（6）：8794.

［4］张芳，钟蕾，蒋海燕，等.问题导入法在《植物生理学》教学中的探索与实践［J］.生物灾害科学，2022，45（1）：8186.

基金项目：山东省研究生教育质量提升计划项目：“高级植物生理生化案例库建设”（SDYAL21194）；聊城大学教学改革项目：“生活实例+问题驱动”式教学法在《植物生理学》课程教学中的探索与应用

作者简介：李海云（1974—），女，山东聊城人，博士，副教授，研究方向：植物生理学。