——以光合作用为例

  摘 要：本文主要是对美国高中生物学理科主流教材《Biology》（第二版）中有关光合作用的内容进行分析，从本节预览、核心概念、正文、插图、习题等方面入手，挖掘美国版教材中可用于我国高中生物学教学的素材，探讨对我国生物学教学的启示，以期为我国生物学课堂教学提供参考。
　　关键词：美国高中生物学教材，光合作用，教学启发
　　光合作用是细胞的能量供应和利用章节中很重要的内容，是能量进入生态系统的初始环节，客观发生在植物细胞内的生理过程，有关光合作用的过程是学生进行深层的分析的基础，是学习的重点和难点。结合国内生物学教材对美国主流理科教材《Biology（第二版）》（以下简称美版教材）有关光合作用部分就教材内容、编排特点教学启发等方面做分析，以期为我国生物学教学提供参考。
　　1 、教材内容结构
　　美国版教材将光合作用安排在ATP和细胞呼吸之间，按照能量的获得和利用顺序介绍，我国教材则是将光合作用安排在呼吸作用之后。通过对将美国版教材光合作用这部分内容结构进行梳理可以得到如表1。

图1美国高中生物学教材版块结构梳理














　　2 、教材内容分析
　　2.1 本节预览提纲挈领
　　美版教材在本节预览版块通过问题形式设置关键问题，将教学目标转化为学习目标，学生明确本节学学习重点，从而学生可以带着问题学习。学完本节内容后可以利用问题作为评价指标来检验学生是否理解重点内容。例如本节中有关光合作用的两个阶段的描述
　　设置“知识回顾”旨在建立新旧知识的联系，如本节涉及的“碳水化合物”作为光合作用的产物，在本节一开始展示出来，可以唤醒学生脑中有关光合作用的旧知识，符合知识生长规律，并将本节涉及的新的术语罗列，引导学生重点关注这些关键术语，进一步帮助学生理解本节学习内容。  
　　2.2 与现实生活的联系
　　与生活的联系相当于创设生活情境，学生建立知识与生活的联系，便于将学习的知识用于解释生活现象和解决生活问题。例如开篇提到的现实生活中常见的能量转换现象；树叶颜色的原因等都是与生活相关的实例，只有建立知识与生活的联系，学生在生活中可以任意提取知识解决真实问题时，才能让知识“生根”。因此教师在教学时，应该注意创设真实问题情境，构建问题驱动课堂。
　　2.3 实验版块
　　美国版教材实验都是迷你实验，将实验最本质、最要求学生掌握的步骤分离出来，通过分析问题帮助学生理解实验的原理。如色素的提取和分离实验，我国教材是要求学生操作整个色素的提取和分离的实验，旨在在理解实验原理的基础上训练实验操作技能，习题也会针对实验操作的细节进行评价，要求学生分析实验操作和结果之间的关系。主要是发展学生严谨的思维。本节内容我国教材还设置探究环境因素对光合作用强度的影响实验，主要是发展学生科学探究能力和科学思维，为学生进行更难实验探究奠定基础。美国版教材虽然只有一个观察叶绿体的迷你实验，但是实验要求学生完成实验室安全表格、观察装片、鉴别细胞中的叶绿体、画出叶绿体的模型，要求学生比较和分析不同植物种叶绿体的物理特征及假设树叶颜色不同的原因。难度虽然不大，考察学生多方面的验能力
　　我们在实验教学时可以根据教学情况精简实验操作步骤：我国教材中针对实验的设计往往要求学生从头做到尾，受时间和空间限制实验课和在教室上课分离，有的实验达不到训练的目的，可以尝试简化为迷你实验，将最能体现实验本质的环节拿给学生做，实现在课堂上做实验，将理论分析和实验操作结合。例如有关色素的提取和分离实验，教师提前代领兴趣小组将植物色素滤液做好，课堂上学生直接进行纸层析操作，体验色素分离的原理和过程。
　　2.4 教材正文
　　教材正文部分包含了光合作用概述、光反应阶段，卡尔文循环和替代途经四部分内容。
　　2.4.1 光合作用的过程——光反应阶段
　　光反应阶段，美国版教材知识与我国大学教材内容有相似的地方，介绍了光系统I和光系统II，但出于对高中学生智力发育水平的考虑并未对这两个系统做详细介绍，然后利用插图（图2）生动展示了电子传递链的作用原理和电子再储备的过程，解释了H2O光解的原因及ATP和NADPH的形成原理，帮助学生理解光能被色素捕获和利用的这个抽象的过程。我国生物学教材则直接介绍色素吸收光能的用途，没有解释内在机制，可能会给学生带来疑惑。
　　2.4.2光合作用的过程——卡尔文循环
　　暗反应阶段在美国版教材中直接称为卡尔文循环，我国教材中有关卡尔文循环是借助科学史的形式介绍了科学家利用同位素标记法发现循环的过程，美国版教材则是通过图形（图3）和文字描述帮助学生直观理解卡尔文循环过程中物质变化和能量变化的关系。并且按照概述部分光合作用反应式中的数量关系，直接展示6molCO2进入植物叶绿体后的变化，对于中间产物给出了具体名称。











图2 光反应阶段示意图










图3 卡尔文循环示意图

　　教学启发：教师在教学时选取的用于帮助学生构建概念的素材要生动准确，如本节中有关光反应和卡尔文循环的图片便能很好帮助学生理解复杂的机制。在教学过程中教师应该充分挖掘教学资源，将图片或视频进行编辑加工以后用于课堂，帮助突破教学难点。
　　学会巧用类比，化难为易：类比是非常有效的教学方法，在教学时针对某些抽象的过程可以采用类比的方法，例如讲解电子传递链的作用机制可以类比为消防员传递水桶救火，在传递过程中水会洒出来一部分，类比电子在传递的过程中会损失一部分能量，损失的能量用于水的分解。
　　2.4.3 替代途径
　　美国版教材中介绍了两外两种光合作用替代途经。当植物处于炎热、干燥环境中，处于低浓度二氧化碳或水分不足的情况时，为实现最大化能量转换，植物有两种光合作用替代途经，分别为C4途经和CAM途经。C4途经是指部分植物在进行卡尔文循环时将二氧化碳固定为四碳化合物而不是三碳化合物因此而得名，这类植物被成为C4植物，如甘蔗和玉米。
　　另一类替代途经为CAM途经（景天酸代谢途经），这类途经主要发生在节水植物中，具有这类途经的植物成为CAM植物，如仙人掌、菠萝等。由于气候干燥植物为减少水分蒸发，气孔白天关闭夜间开放，在夜间细胞中磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）作为二氧化碳接受体，在PEP羧化酶催化下，形成草酰乙酸，再还原成苹果酸，并贮于液泡中，白天苹果酸则由液泡转入叶绿体中进行脱羧释放二氧化碳，再通过卡尔文循环转变成糖。
　　C3途经是最根本的代谢途经，C4植物和CAM植物除了具备C4途经和CAM途经外，最终依然得利用C3途经转化为有机物，这些内容在我国教材中没有涉及但是在习题中会出现， 因此教师在教学中可以参考美版教材进行适当拓展，便于学生对生物的多样性及生物与环境相互适应性加深认识。
　　2.5 课后习题
　　习题作为评价学生学习的指标，美国版教材课后习题一般包含理解概念、批判性思维和技能训练三部分。美国版教材中理解概念部分可以看做是将我国课程标准中三级概念继续拆分后对应的四级概念。生物学科作为一门概念性学科，学生学习的规律是从具体生活实例切入掌握下位概念从而形成上位概念，掌握学科概念从而落实生命观念。
　　在本节中要求学生学完之后能够用陈述句阐述例如本节中的“①植物含有能吸收光能并将光能转化为化学能的色素；②光合作用包含两个阶段，包括光反应阶段和卡尔文循环；③在光反应阶段，自养生物将光能转化为化学能并储存在ATP和NADPH中；④在卡尔文循环中，ATP和NADPH中的化学能被用来合成葡萄糖等碳水化合物”。学生通过掌握这些下位概念便能够建立课标中要求的“说明植物细胞的叶绿体从太阳中捕获能量，这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中，转换并储存为糖分子中的化学能”这个次位概念。
　　理解核心概念（Understand Main Ideas）版块用不同的行为动词给学生提出不同的要求，学生通过回答简答题加深学生对核心概念的理解，锻炼学生的语言表达能力，同时不同的行为动词要求学生具备不同的能力。例如要求学生总结光合作用过程中光能是如何转化为化学能的、将叶绿体的结构和光合作用的过程相联系、解释光反应阶段水必不可少的原因、总结卡尔文循环的过程、图表解释电子传递过程等[1]，总结和解释这些动词这需要学生深入理解了整个光合作用过程后通过精炼语言表达才能完成，将叶绿体结构与功能联系便于建立结构功能观，形成生命观念。
　　在教学设计时逆向设计，先明确学生在学完本节后对相应知识应该掌握到哪种层次，将教学目标转化为学生的学习目标，用不同程度的行为动词明确告知学生在学习过程中的学习方向，这样学生能够始终带着问题和任务学习，便于明确本节内容的重点和任务，有的放矢。
　　美国版教材在习题部分还明确标明批判性思维训练题目，批判性思维作为科学思维的一部分，是生物学科核心素养中明确要求的，是学生适应社会发展和自身成长的很重要的思维品质。
　　批判性思维最早起源于苏格拉底的古希腊哲学，他强调逻辑推理和思辨，要求进一步思考概念和定义，深度挖掘问题，有助于培养独立思考的能力、怀疑和批判精神。现代批判性思维的含义主要是提倡大胆质疑、谨慎断言，崇尚推理。美国科学哲学家卡尔.波普尔从科学哲学的角度论证了批判性思维在科学发展中的重要性，他认为科学的精神就是批判，不断推翻旧的理论，得到新的发现，提出了“问题——尝试性解决——反思、质疑、排除错误——新的问题——......”的四阶段图示，这也是科学探究的一般步骤。在信息化时代，批判性思维是一种评估、比较、分析、探索和信息综合的能力，具备批判性思维的人愿意主动探索艰难的问题，向流行的主流意识挑战。由于思维本身的抽象性，因此往往不知道什么地方在训练思维。美国版教材中明确训练批判性理性思维的习题，这便让抽象的思维训练变的具体。












　　例如本节中的要求学生分析环境因素如何影响光合作用效率，学生结合光合作用的反应式和光反应、暗反应过程可以推理得到会影响光合作用的因素以及深层影响机制，通过自主推理，可以发现影响光合作用的环境因素多种，且因素之间也是相互影响的，因而认同植物是一个有机的统一整体，植物的生命活动是受多种因素共同调节。通过自主推理的训练，可以发展学生崇尚推理的思维，同时学会从多方面看待问题，不是非此即彼。
　　美国版教材在习题部分都会设置技能训练写作内容，要求学生做简单调查并以文章形式呈现，训练学生将研究成果书面化的能力，是研究成果表达与交流的重要环节。调查的内容难度适中贴近生活，可发展学生资料搜集能力和调查能力，例如在本节中要求学生研究全球变暖对光合作用的影响[1]。
　　全球变暖是影响全人类生存的全球性问题，学生通过搜集资料可以思考在应对全球变暖的过程中我们可以做什么，培养学生社会责任感。做科研和撰写学术文章写作是我国学生欠缺的能力，通过中学阶段的技能训练，帮助学生学习微型课题研究的方法，提高例如查阅资料，资料整合，文章写作等能力，训练学生科学探究能力和文章撰写能力，在教学过程中可以开展例如水资源污染情况调查报告，耕地占用情况调查报告，校园关于植物激素调节植物生命活动的研究报告等内容，锻炼学生的能力，而不是只注重知识的考查，高分低能。
　　参考文献：
　　[1] Alton Biggs，Whitney Crispen Hagins.《Biology》（Second Edition），Mc Graw Hill Education，222-227.
　　[2] 普通高中生物学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社

• 【发布时间】2021/1/6 10:42:46
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