中美生物学教材中“光合作用速率曲线分析”的比较与评析
2022-06-08
摘 要 介绍了Miller & Levine编著《Biology》教材中“光合作用速率”曲线分析的实验，并与国内教材进行对比。从分析思路、知识联系及能力培养方面进行了剖析，旨在为国内曲线分析的教学提供借鉴。
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词 生物学教材 光合作用 曲线分析 模式构建
中图分类号 G633.91 文献标志码 B
光合作用是高中生物教学中的重点和难点内容，对光合作用影响因素的分析更是体现了学生分析和解决问题的能力。下面以美国中学生物核心教材《Biology》的实验手册B中关于“光合作用速率的曲线分析”为例，与人教版高中生物教材必修1中有关光合作用强度的数据分析进行比较，并作简要的评析，为国内培养学生实验数据分析能力的教学提供新的思路。
1 教材实例介绍
1.1 国外教材实例介绍
Miller & Levine编著《Biology》教材2010年版的实验手册BP251特别单独设置了关于光合作用数据分析的相关实验――“数据分析实验11光合作用速率”。该实验明确提出了实验目的：通过对曲线图的分析来探究影响光合作用速率的因素。实验同时也明确了能力要求，包括“曲线图解释”“数据分析”及“比较与对比”。
实验数据是利用了光照强度对“阴生植物”和“阳生植物”光合作用速率影响的曲线图（图1）。分析过程设置了3个层次的问题：（1） 曲线图解释：① 光合作用速率的测量指标;② 观察y轴，思考该因素和植物细胞光合作用的联系;③ 沿着y轴上升，光合作用速率是上升还是下降？④ 沿着x轴向右，光照强度是增强还是下降？⑤ “阳生植物”和“阴生植物”随着光照强度增强光合作用速率怎么变化？（2） 比较与对比：① 当光照强度低于200 μmol/m2/s或高于400 μmol/m2/s时，哪一类植物光合作用强度更高？（3） 推断：① 沙漠里的平均光照强度大于400 μmol/m2/s，根据曲线图判断哪一类植物更适合生长在沙漠环境？② 还有哪些因素会影响植物生存？
1.2 国内教材实例介绍
人教版普通高中课程标准实验教科书《必修1?分子与细胞》生物教材中对光合作用的内容作了详细的阐述，也涉及了对光合作用强度的影响因素的探究。该探究实验中没有列举曲线图进行分析，在教材P106“光合作用课后练习”中出现了对曲线图的解释和分析，原题如下：下图是夏季晴朗的白天，某种绿色植物叶片光合作用强度的曲线图。分析曲线图（图2）并回答：（1） 为什么7～10时的光合作用强度不断增强？（2） 为什么12时左右的光合作用强度明显减弱？（3） 为什么14～17时的光合作用强度不断下降？
2 教材实例比较与评析
2.1 美国教材实例特色
美国教材中曲线图分析更注重在分析过程中培养学生的逻辑思维能力，从分析过程设置的5个问题就体现出了对学生思维的培养，问题设置由浅入深，并逐渐放开。“曲线图解释”这一部分主要是分成三步对曲线图的基本信息作出了描述：① 该数据分析实验首先建立起曲线图坐标指数与生物学过程的联系，在数据解释中设置两个问题：光合作用速率的测量指标及y轴和光合作用的联系; 观察曲线图的坐标变化，明确坐标变化和光合作用的联系;③ 描述坐标中曲线随着坐标轴变化而变化的趋势。这一部分明确了坐标的基本信息，为更好地进行曲线的比较和分析打下基础。“比较与对比”是曲线图分析中常会涉及到的一个分析角度。该实验中设计的“比较与对比”这一部分的问题是：“当光照强度低于200 μmol/m2/s或高于400 μmol/m2/s时，哪一类植物光合作用强度更高？”该问题非常简单，却为学生提供了一个分析的方向。学生可以发散地提出更多问题，如比较曲线的趋势，比较曲线的起点、终点、转折点等特殊点。最后一部分对学生的能力提出了更高的要求，在国内很多试题中也会出现类似的考题，让学生根据一定的信息推断一种最可能的结果。“推断”这一部分就能够在一定程度上培养学生对信息的提取、处理和转化能力，及依据信息去做出判断的能力。
美国教材中曲线图分析也注重分析过程的模式化构建（图3）。通过曲线图的分析让学生掌握曲线图分析的大致步骤及需要关注的关键信息，避免学生拿到曲线图无从下手。每一步设置的相关问题可以起到前后分析过程的衔接，如该实验中相关问题从坐标、曲线、曲线比较及推断的主线进行设置。
2.2 国内教材实例的差异
国内教材光合作用曲线图分析注重从曲线变化的原因角度来分析，更关注对一些现象的解释。通过对曲线图呈现的生物学现象，然后结合生物学过程来解释现象发生的因素，在一定程度上可以加深学生对生物学过程的理解和应用。国内教材在曲线描述和分析上有所深化，同时拓宽了学生的知识面。由于曲线分析过程缺乏一定的逻辑推理的分析过程，学生往往会凭借已有的记忆对一定的生物学现象进行分析。国内教材对曲线的分析没有注重对分析过程和步骤的模式构建，导致学生拿到曲线以后会无从下手。对有些常见的生物学现象，学生会凭借记忆很快进行分析和作答;如果是以新的研究数据呈现，学生往往就无从作答，或者所分析的内容与对应问题缺乏逻辑推理。
3 曲线图分析模式的借鉴
曲线分析按照一定的分析模式，从“坐标――曲线――运用”的顺序展开教学，可以让学生快速找到分析切入点，并对曲线图有一个整体的把握。
3.1 坐标分析
对坐标分析，就要先建立坐标指数和生物学过程之间的联系。坐标中y轴通常是观测指标，如光合作用速率用二氧化碳的消耗量来表示;酶的催化效率用单位时间底物的消耗量来表示，所以首先需要把观测指标和生物学过程进行联系。X轴通常是自变量，自变量的变化和生物学过程的变化之间的联系需要学生通过一定的推理进行构建，如国内教材中的光合作用曲线图x轴是时间，时间本身不能影响光合作用速率，而是时间背后的光照强度对光合作用的影响。
3.2 曲线分析
曲线分析包括某一曲线的分析及不同曲线的对比。某一曲线分析主要从曲线随着自变量的变化趋势、规律及变化幅度，比较同一曲线不同点之间的关系。不同曲线的对比会从趋势、规律和变化幅度上进行对比，也会对一些特殊点进行比较，如起点、转折点等。
3.3 技能运用
这一部分主要是运用一定的生物学知识对现象进行解释及推断。利用的生物学知识可能是题干中的信息，如图1中阳生植物光饱和点比阴生植物要高，沙漠环境光照比较强烈，所以阳生植物就更适应沙漠环境;也可能是运用已经掌握的生物学知识结合题干信息进行推断，如图2设置的问题就需要运用已知的生物学知识进行分析，更侧重于对现象分析的记忆，缺乏从曲线去推断结论和解释原因。
国内教材曲线分析注重对现象的解释，对学生的知识要求较高，同时拓宽学生的知识面，属于记忆层面的教学材料，缺乏对分析思路和逻辑推理能力的培养。在生物学曲线分析过程中，教师可以借鉴美国教材的“模式化”分析过程。这样学生容易根据分析模式找到切入点进行曲线的准确分析，并学习运用已经具备的知识进行逻辑推理来解释现象和合理推断，并不仅仅依靠知识面的拓展。
参考文献：
[1] Miller & Levine. Biology Lab Manual B. Pearson Education Inc.， or its affiliates，2010：251-252.
[2] 朱正威，赵占良.普通高中课程标准实验教科书生物[M].北京：人民教育出版社，2004.
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关键词 生物学教材 光合作用 曲线分析 模式构建
中图分类号 G633.91 文献标志码 B
光合作用是高中生物教学中的重点和难点内容，对光合作用影响因素的分析更是体现了学生分析和解决问题的能力。下面以美国中学生物核心教材《Biology》的实验手册B中关于“光合作用速率的曲线分析”为例，与人教版高中生物教材必修1中有关光合作用强度的数据分析进行比较，并作简要的评析，为国内培养学生实验数据分析能力的教学提供新的思路。
1 教材实例介绍
1.1 国外教材实例介绍
Miller & Levine编著《Biology》教材2010年版的实验手册BP251特别单独设置了关于光合作用数据分析的相关实验――“数据分析实验11光合作用速率”。该实验明确提出了实验目的：通过对曲线图的分析来探究影响光合作用速率的因素。实验同时也明确了能力要求，包括“曲线图解释”“数据分析”及“比较与对比”。
实验数据是利用了光照强度对“阴生植物”和“阳生植物”光合作用速率影响的曲线图（图1）。分析过程设置了3个层次的问题：（1） 曲线图解释：① 光合作用速率的测量指标;② 观察y轴，思考该因素和植物细胞光合作用的联系;③ 沿着y轴上升，光合作用速率是上升还是下降？④ 沿着x轴向右，光照强度是增强还是下降？⑤ “阳生植物”和“阴生植物”随着光照强度增强光合作用速率怎么变化？（2） 比较与对比：① 当光照强度低于200 μmol/m2/s或高于400 μmol/m2/s时，哪一类植物光合作用强度更高？（3） 推断：① 沙漠里的平均光照强度大于400 μmol/m2/s，根据曲线图判断哪一类植物更适合生长在沙漠环境？② 还有哪些因素会影响植物生存？
1.2 国内教材实例介绍
人教版普通高中课程标准实验教科书《必修1?分子与细胞》生物教材中对光合作用的内容作了详细的阐述，也涉及了对光合作用强度的影响因素的探究。该探究实验中没有列举曲线图进行分析，在教材P106“光合作用课后练习”中出现了对曲线图的解释和分析，原题如下：下图是夏季晴朗的白天，某种绿色植物叶片光合作用强度的曲线图。分析曲线图（图2）并回答：（1） 为什么7～10时的光合作用强度不断增强？（2） 为什么12时左右的光合作用强度明显减弱？（3） 为什么14～17时的光合作用强度不断下降？
2 教材实例比较与评析
2.1 美国教材实例特色
美国教材中曲线图分析更注重在分析过程中培养学生的逻辑思维能力，从分析过程设置的5个问题就体现出了对学生思维的培养，问题设置由浅入深，并逐渐放开。“曲线图解释”这一部分主要是分成三步对曲线图的基本信息作出了描述：① 该数据分析实验首先建立起曲线图坐标指数与生物学过程的联系，在数据解释中设置两个问题：光合作用速率的测量指标及y轴和光合作用的联系; 观察曲线图的坐标变化，明确坐标变化和光合作用的联系;③ 描述坐标中曲线随着坐标轴变化而变化的趋势。这一部分明确了坐标的基本信息，为更好地进行曲线的比较和分析打下基础。“比较与对比”是曲线图分析中常会涉及到的一个分析角度。该实验中设计的“比较与对比”这一部分的问题是：“当光照强度低于200 μmol/m2/s或高于400 μmol/m2/s时，哪一类植物光合作用强度更高？”该问题非常简单，却为学生提供了一个分析的方向。学生可以发散地提出更多问题，如比较曲线的趋势，比较曲线的起点、终点、转折点等特殊点。最后一部分对学生的能力提出了更高的要求，在国内很多试题中也会出现类似的考题，让学生根据一定的信息推断一种最可能的结果。“推断”这一部分就能够在一定程度上培养学生对信息的提取、处理和转化能力，及依据信息去做出判断的能力。
美国教材中曲线图分析也注重分析过程的模式化构建（图3）。通过曲线图的分析让学生掌握曲线图分析的大致步骤及需要关注的关键信息，避免学生拿到曲线图无从下手。每一步设置的相关问题可以起到前后分析过程的衔接，如该实验中相关问题从坐标、曲线、曲线比较及推断的主线进行设置。
2.2 国内教材实例的差异
国内教材光合作用曲线图分析注重从曲线变化的原因角度来分析，更关注对一些现象的解释。通过对曲线图呈现的生物学现象，然后结合生物学过程来解释现象发生的因素，在一定程度上可以加深学生对生物学过程的理解和应用。国内教材在曲线描述和分析上有所深化，同时拓宽了学生的知识面。由于曲线分析过程缺乏一定的逻辑推理的分析过程，学生往往会凭借已有的记忆对一定的生物学现象进行分析。国内教材对曲线的分析没有注重对分析过程和步骤的模式构建，导致学生拿到曲线以后会无从下手。对有些常见的生物学现象，学生会凭借记忆很快进行分析和作答;如果是以新的研究数据呈现，学生往往就无从作答，或者所分析的内容与对应问题缺乏逻辑推理。
3 曲线图分析模式的借鉴
曲线分析按照一定的分析模式，从“坐标――曲线――运用”的顺序展开教学，可以让学生快速找到分析切入点，并对曲线图有一个整体的把握。
3.1 坐标分析
对坐标分析，就要先建立坐标指数和生物学过程之间的联系。坐标中y轴通常是观测指标，如光合作用速率用二氧化碳的消耗量来表示;酶的催化效率用单位时间底物的消耗量来表示，所以首先需要把观测指标和生物学过程进行联系。X轴通常是自变量，自变量的变化和生物学过程的变化之间的联系需要学生通过一定的推理进行构建，如国内教材中的光合作用曲线图x轴是时间，时间本身不能影响光合作用速率，而是时间背后的光照强度对光合作用的影响。
3.2 曲线分析
曲线分析包括某一曲线的分析及不同曲线的对比。某一曲线分析主要从曲线随着自变量的变化趋势、规律及变化幅度，比较同一曲线不同点之间的关系。不同曲线的对比会从趋势、规律和变化幅度上进行对比，也会对一些特殊点进行比较，如起点、转折点等。
3.3 技能运用
这一部分主要是运用一定的生物学知识对现象进行解释及推断。利用的生物学知识可能是题干中的信息，如图1中阳生植物光饱和点比阴生植物要高，沙漠环境光照比较强烈，所以阳生植物就更适应沙漠环境;也可能是运用已经掌握的生物学知识结合题干信息进行推断，如图2设置的问题就需要运用已知的生物学知识进行分析，更侧重于对现象分析的记忆，缺乏从曲线去推断结论和解释原因。
国内教材曲线分析注重对现象的解释，对学生的知识要求较高，同时拓宽学生的知识面，属于记忆层面的教学材料，缺乏对分析思路和逻辑推理能力的培养。在生物学曲线分析过程中，教师可以借鉴美国教材的“模式化”分析过程。这样学生容易根据分析模式找到切入点进行曲线的准确分析，并学习运用已经具备的知识进行逻辑推理来解释现象和合理推断，并不仅仅依靠知识面的拓展。
参考文献：
[1] Miller & Levine. Biology Lab Manual B. Pearson Education Inc.， or its affiliates，2010：251-252.
[2] 朱正威，赵占良.普通高中课程标准实验教科书生物[M].北京：人民教育出版社，2004.