“光合作用的过程”教学中正、负迁移现象及教学策略

“光合作用的过程”教学中正、负迁移现象及教学策略林建春作者简介：林建春，浙江省温州市洞头区第一中学（温州325700）o原发信息：《生物学教学》（沪）2021年第202111期第23-25页内容提要：文章通过分析“光合作用的过程”教学中4处典型的迁移现象，提出可通过深入分析现象背后的机制和原理、拓展学生的学科视域、关注实验原理强调实验目的、应用概念图等相应策略以增强正迁移、减弱负迁移的发生，从而快速且有效地促成学生形成正确的生物学概念。知识迁移/光合作用/生物学概念教学/核心素养期刊名称：《中学政治及其他各科教与学》复印期号：2022年02期知识迁移是一种学习对另一种学习的影响，是将已习得的经验（如知识、技能、方法、情感和态度等）在新情境中变通地加以应用。根据知识迁移性质的差异，分为正迁移（原有知识对新知识的学习有促进作用）和负迁移（原有知识对新知识的学习有阻碍作用）。尽管生物学课程内容较为繁杂，但教学中假设能及时关注知识内部的联系，采取系列教学策略促进正迁移、减少负迁移的发生，将有助于学生迅速构建概念和知识体系，提升分析和解决问题的能力。以"光合作用的过程”教学为例，由于光合作用过程涉及一系列复杂的物质和能量变化，在进行系列科学史探究、模型建构、概念形成的教学过程中都极易引发学生进行知识迁移。结合教学实践，对"光合作用的过程"教学中4处典型的正、负迁移现象进行分析，并提出相应的教学策略，以促成学生形成正确的生物学概念，并更好地实现"为迁移而教"的教育理念。一、"光合作用的过程"教学过程分析光合作用的过程包括光反响与碳反响两个阶段，主要采用探究科学史和建构模型相结合的方式进行教学，其大致教学内容如表1所示。根据《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》，该内容的学习将帮助学生初步构建起"植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量，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"的概念口］,同时也为后续探究环境因素对光合速率的影响做铺垫。二、教学中的迁移现象及教学策略光合作用是一个极其复杂的物质与能量代谢过程，在进行科学史探究、模型构建、概念讲解等教学活动中，学生难免会将先前习得的知识或经验在此处进行迁移应用。为顺利构建"光合作用的过程"模型（图1）,教师需及时关注学生先前习得的经验，包括可能在教学过程中发生的正、负迁移现象，从而为顺利开展课堂教学中的系列活动、提高教学效率提供保障。II(-)光反响中二跨膜运输与ATP合成光反响阶段发生水的光解、ATP合胡口NADPH合成三大物质变化。在探究ATP是如何形成的教学环节中，教师展示1963年贾格道夫(Jagendorf)等人进行的酸碱磷酸化实验。将离体叶绿体类囊体置于pH=4的酸性溶液中平衡，之后转移到含有ADP和Pi的pH=8缓冲液中，由此产生的质子梯度为无光情况下的ATP合成提供了驱动力。通过该实验，学生推理分析做出相应的推测：①在光照条件下，水的光解发生于类囊体内侧膜上；②水光解在类囊体中积累了大量阂―I,从而造成了类浓度差。类囊体内外—一浓度差如何与ATP合成建立起联系，此处可能会发生不同程度的正、负迁移现象。愕:於那I正迁移现象：有氧呼吸过程中同样也存在着一I跨膜运输的现象(图I•*,.2)，由于电子传递使得线粒体内膜复合体工、m、w推动一I跨过内膜到线粒体间隙，造成线粒体内膜内部基质白/—I浓度低于间隙。该现象与类囊体膜内外存卷「^农度差极为相似，学生假设能将此现象在上述科学史探究中进行正迁移，有助于深入理解光反响阶段中物质和能量的变化。负迁移现象：主动转运过程中，借助载体蛋白将运输物质从低浓度处运至高浓度处，此过程消耗ATPO不少学生将化学中的可逆反响在此处进行负迁移，认为该载体蛋白介导物质从高浓度向低浓度进行运输时，如『法求学白裁I从类囊体（高浓度）运输至叶绿体基质（低浓度），将释放出能量用于推动ATP合成。教学策略：教学过程中，教师可给予学生适当提醒，帮助学生回忆有氧呼吸第三阶段ATP的形成机制，提升知识正迁移的发生可能。同时，进一步展示ATP合成酶的结构及其相关资料，再次帮助学生建工—I浓度差与ATP合成之间的关系，即膜内外产生质子浓度差和电位差（合称为质子动势或质子动力）中蕴含的自由能驱动ATP合成［2］。针对学生发生的负迁移，显然是对主动转运机制的错误理解造成，教师应指出主动转运过程中ATP的作用是参与载体蛋白形状的改变，即使进行高浓度到低浓度的主动转运，也需要ATP参与从而使载体蛋白形状发生改变。生物学教学过程中应深入分析现象背后的机制、原理，从而有效防止错误观念的形成。（二）光反响中的NADPH学生首次接触光反响中出现的NADPH,会感到既陌生又熟悉，难免会思考NADPH是什么物质、有什么作用等问题。浙科版生物学教材（2019年版）对NADPH简单做了介绍，即NADPH为辅酶口，是氢的运载体。对物质进行描述性解释时，同样也需要关注学生的知识迁移情况，进一步树立正确的物质与能量观。正迁移现象：NADPH与细胞呼吸中的NADH在中、英文命名上都极其相似。将NADH的性质、作用在光合作用中进行正迁移，有助于对NADPH概念的理解，也有利于理解光反响阶段中的物质与能量变化。负迁移现象：根据字面意思发生负迁移，NADPH作为一种辅酶，由于其中文名称中含有"酶"，应该与酶类似，其化学本质是蛋白质或RNA,同样也与生化反响中降低活化能、提高化学反响速率有关。F零辎教学策略：对NADPH进行描述性解释时，展X_I和NAD（P）H分子结构示意图（图3）,说明两者之间存在相似性，以此有效促成学生进行正迁移，帮助学生认识该物质的结构及功能。同时，通过氧化型与还原型之间的转变，也能消除学生的负迁移，即NADPH不是一种酶，不能为酶催化过程中降低活化能。止匕外，教师需引导学生多关注教材中的“小资料”，如在浙科版生物学教材中〃酶是生物催化剂"一节中的小资料"辅酶"和"细胞呼吸为细胞生活提供能量"一节中的小资料”参与需氧呼吸的辅酶"，拓展学生的学科视域，从而有助于学生在课堂教学中知识正迁移的发生。n（三）卡尔文的小球藻实验在进行卡尔文循环教学时，展示1946年卡尔文等科学家利用小球藻F尸为材料，研需一喜化为糖类的实验。卡尔文认为虽然被植物吸收的最终会进入植物体，但首先是进入碳水化合物。因此可通过追踪由一带进来的放射性在相继产生的化合物中的分布，来识别光合作用过程InI中由I―k专化为碳水化合物的路径。其实验流程大致为：①向藻类细胞光合作用的原料中加儿—I-②连续间隔取样，将藻类细胞置于热酒精中一③别离溶解物中的分子（双向纸层析法）一④进行放射性显影，以确定放射性局部。尽管实验流程并不烦琐，但真正能够把握卡尔文实验操作的实质，对于学生而言还颇有难度，尤其是其中的两大关键步骤：为什么要将藻类置于酒精中，双向纸层析的目的是什么？正迁移现象：将"光合色素的提取与别离”实验进行正迁移。光合色素是一类有机物，因此，根据相似相溶原理采用乙醇进行提取，根据不同色素在层析液中溶解度不同，采用纸层析的方式进行别离。同样，I—I在绿色植物中转变成的一系列碳水化合物，也都属于有机物范畴，因此可以采用乙醇进行提取以及利用纸层析进行别离。负迁移现象：无法理解卡尔文实验操作目的，并将"光合色素的提取与别离”实验进行负迁移，误认为该过程与光合色素的提取、别离有关。教学策略：在"光合色素的提取与别离”实验教学时，进一步关注实验原理，甚至可以适当拓展延伸物质的提取与别离技术，为本实验以及之后的肺炎双球菌离体转化等实验的教学提供学科知识基础。同时在引导学生将"光合色素的提取与别离"实验在此处正迁移时，强调该实验的目的，与光合色素的提取、别离无关，将学生的重点转移至一系列的光合产物中来，从而减弱负迁移的发生。（四）光合作用M―I中氧原子去向「那公小W「中氧原子的去向，一直是光合作用教学中的疑难点。课堂中提出y・••»<»如何追/中氧原子的去向、该采用什么样的实验研究方法等问题时，同样也会引发学生发生知识迁移。正迁移现象：结合有氧呼吸过程进行正迁移，即通过同位素示踪的方叫海热啜:"『籁法退假设?|法（用同位靠一扇A,检测产物中的放射性情况，从而判断氧原子的最终去向。负迁移现象：借鉴分泌蛋白合成、加工过程的实验思路而发生负迁口同I—晾记的亮氨酸一样，采用放射性同位素示踪的方*>«««****'MIR法，可以追M癌细胞内的转移途径。教学策略：尽管学生的正、负迁移中都提到了同位素示踪的方法，但『穿:那衣"两者的本质却完全不同。正迁移认为II中的o原子会参与其