生物教学中的坐标系知识归纳研究（上）

高中生物结构式教学研究成果生物教学中的坐标系知识归纳研究（上）张文杰杨秋红王雪芳（宝鸡中学，陕西宝鸡721013）[摘要]一切事物的运动，都可以对应为一种“数学模型”。生命活动本身就是一个诸多因素制约下的状态方程。按照相对性的原理，将极为复杂的生命运动，划分并建立从整体中抽提出来的局部数学模型，以求得对生命运动从局部到整体的认识。高中阶段的生物学知识，可以建立丰富的由二维空间、多元因素所构成的坐标系。文章围绕生物的生理活动和生态学，创造性地提出了高中生物结构式教学模式和生物学坐标系知识。[关键词]生物教学；坐标系；生理活动；生态学[作者简介]张文杰（1947-），男，汉族，陕西宝鸡人，大学本科学历，中学高级教师，陕西省宝鸡中学生物教研组组长，研究方向：校本教师教育、科学教育、教学设计、考试评价；杨秋红（1968-），女，汉，四川江油人，大学本科学历，中学一级教师，陕西省宝鸡中学生物教师，研究方向：教学设计、科学教育；王雪芳（1965-），女，汉族，陕西宝鸡人，大学本科学历，中学高级教师，陕西省宝鸡中学生物教师，研究方向：教学设计、科学教育。马克思曾经有过明确的表述——一切事物的运动，都可以对应为一种“数学模型”。对于生命活动来说，其实就是一个诸多因素制约下的状态方程，这个方程的演化过程，惟妙惟肖的反映了生命活动的动态性、有机性与协调性，我们从中完全可以，而且也有必要按照相对性的原理，将极为复杂的生命运动，划分并建立从整体中抽提出来的局部数学模型，以求得对生命运动从局部到整体的认识。高中阶段的生物学知识，可以建立极端丰富的由二维空间、多元因素所构成的坐标系，通过这些坐标系的建立与研讨，必将克服学生对生命运动容易形成的机械性、死板性、静止性等错误的思想方法，进入到较高层次的认知水平，从中受到图文并举、分析综合、动静相对、推理概括、逻辑思维、学以致用等综合素质的教育和能力的培养与提高。在教学过程中，围绕生物（细胞）的生理活动和生态学两大核心，按照基本模式到衍化式的辐射层次，系统归纳出各种类型的生物学坐标系，将其台阶式地运用于教学之中，这是一项富有意义的专题研讨。将这些坐标系初步予以整理、归纳，至于对其内涵的挖掘和在教学中的具体运用，相信这是一个更具有创造性的艺术加工过程，通过这种再加工，以其更好的发挥出这种形式所具有的指导性作用。第一部分：生物（细胞）的生理活动一、植物生理（一）光合作用绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水合成为储能的有机物并释放氧气的过程。是生物界最基本的物质代谢和能量代谢。光合作用的影响因素有：光照、温度、二氧化碳的浓度等，其强度可用二氧化碳吸收量或氧气释放量表示。1、光照、二氧化碳浓度与光合作用关系：基本型：有机物的合成量C按图中的限制条件（光照、CO2等）进行光合作用实验，并不断测定有机物生成率，随时间的推移绘出了曲线图（右图），分析回答下列问题：AB段平坦是因为________________ABDBC段上升的原因是______________CD段下降的原因是______________有光无CO2有CO2无光时间这一实验说明:(1).光合作用需要的条件是______________(2).暗反应需要光反应提供的_____________变型一夏季晴天,一天中棉花叶片光合作用强度变化曲线图AB段说明随着光照的增强，光合作用逐渐增强。光合作用强度BBC段说明光照过强，则气孔关闭，缺乏CO2，光合作D用逐渐减弱。CD段说明光照逐渐减弱，气孔张开，CO2浓度逐渐增高，ACE光合作用逐渐增强。610131519时间DE段说明光照逐渐减弱，光合作用逐渐减弱。由此可见,在一天中有两次光合作用高峰。变型二阳生植物和阴生植物的光合作用随光合强度的变化曲线图A表示的是_______________B表示的是_______________CO2的吸收量由此可知,阳生植物的光合作用12A强度比阴生植物的光合作用强度8B__________________变型三QVWXYZ光照强度(1)改变光照时，暗反应中有关化合物在细胞内的含量变化曲线图A表示的是_____________物质的量B表示的是_____________光照黑暗由此可见,植物体细胞内的A__________________生成________________时,需要光反B应供给____________________。所以,当光照突然停止时,二者的含量会发生以上相应的变化。12345时间(2)改变CO2浓度时，暗反应中有关化合物在细胞内的含量变化曲线图A表示的是_____________B表示的是_____________由此可知,当CO2的浓度下降时，物1％CO20.03％CO2植物细胞内的_____质B过程受阻,二者的含量会发生以上相的A应的变化。量。12345时间2、温度与光合作用关系不同温度条件下，光合作用随光照时间变化的曲线图光合作用强度随光照增强而增强，光照30℃一定温度下，随着温度的升高光合作用逐渐，40℃增强，当超过一定温度时，光合作用的增20℃强曲线出现下降现象，这说明光合作用有一10℃定的温度作用范围。由图可知，光合作用的最适温度大约在30℃至40℃之间。时间3、色素吸收光谱图（1）.叶绿素的吸收光谱吸收光能有机物合成量叶绿素吸收可见光能主要集中在_________________区域,其他区域的吸收较少,在______区域的吸收为最少。有机物的合成量随着可见光能的吸收量而变化,在_________________区域有机物的合成量出现峰值,同时释放700600500400波长的氧气量也最高。（2）.黄色素的吸收光谱黄色素吸收的是短波长的光,主要是吸________________区域，对长波长的收__________区域没有吸收，所以，有机物光的合成及氧气的释放量在______区域最高。能400500600波长（二）、呼吸作用细胞在有氧或无氧参与下，通过酶的催化作用，把糖类等有机物氧化分解，并释放能量的过程叫做呼吸作用。呼吸作用为生物体各项生命活动供应能量。其类型分为无氧呼吸和有氧呼吸，以有氧呼吸为主，多数植物无氧呼吸时生成酒精和CO2。所以，呼吸作用的影响因素主要是O2、CO2浓度及温度。1、O2浓度与呼吸作用基本型CO2释放量两种呼吸作用的变化曲线图有氧呼吸需要O2的参与，所以O2浓度的增加A会促进有氧呼吸的进行，生成较多的二氧化碳；无氧呼吸是在无氧条件下的反应，有氧存在时无氧呼吸会受到抑制，CO2的生成量减少。由此可判断BA、B不是生成乳酸的呼吸作用。A是________________________,O2浓度B是__________________________。变型水稻的呼吸作用变化曲线(酵母菌的呼吸作用变化曲线)有氧存在时,无氧呼吸受到抑制逐渐减弱,当氧CO2释放量C气浓度达到一定量时,转而进行有氧呼吸,并随着氧气浓度的增加有氧呼吸逐渐加强。由此可以判A断AB段主要进行无氧呼吸，BC段主要进行有氧B呼吸，B是拐点，在B点呼吸作用消耗的有机物最少，呼吸作用处于最低点，有利于农作物的贮存。2、温度与呼吸作用呼吸强度呼吸作用需要多种酶的催化，由于酶的活性受到温度的影响而变化，因此，呼吸作用也受到温度的影响而变化，与酶的活性变化基本同步。3、氧气与ATP35℃温度细胞中ATP的含量变化与氧气含量变化的曲线关系图细胞中ATP的含量ATP的能量主要由呼吸作用提供，因此，随着氧气浓度的提高，ATP的含量也会增多。同时，细胞内ATP与ADP的循环使用使得ATP的含量不会随着氧气浓度的进一步提高而无限增加，会形成一个ATP含O2量的相对高值。当细胞内的ATP含量过多时，会合成其他高能化合物储存能量如磷酸肌酸。（三）光合作用与呼吸作用的综合光合作用与呼吸作用是两个相对独立又截然相反的生理变化过程。当有光条件存在时，植物既可以进行光合作用又可以进行呼吸作用，而黑暗条件下，植物则只进行呼吸作用。所以，光照只影响光合作用的强弱，而温度则对光合作用和呼吸作用都有影响。植物体内有机物的积累应发生在光合作用大于呼吸作用时，与植物体对二氧化碳的净吸收量有关。1、在一天之中植物体内的代谢变化图横轴下方，呼吸作用大于光合作用，以二氧化CO2的吸收碳的释放为主，横轴上方，则光合作用大于呼吸作用，以二氧化碳的吸收为主，横轴上，光合作用等于呼吸作用，二氧化碳的吸收为零。A点对应温度的最低点，此时呼吸作用速率最低，二氧化碳的释A温度放量最少。ab、cd两段，由于光照较弱，光合作用小于光照呼吸作用，仍以二氧化碳的释放为主；bc段光合作用0abcd时间大于呼吸作用，植物体吸收二氧化碳合成有机物，有机CO2物积累。全天有机物的产量应等于光合作用与呼吸作用的差值。CO2的释放2、不同光照、温度下植物的代谢变化曲线图将某种绿色植物的叶片放在特定的实验装置中，氧气吸收量（mg）20℃研究在10℃、20℃的温度下，分别置于5000勒克2.5斯、20000勒克斯光照和黑暗条件下进行光合作用2.0和呼吸作用的速率，得到以下曲线图。1.510℃（1）该叶片的呼吸作用的速率在20℃是_______1在10℃是_________0.5（2）该叶片在10℃、5000勒克斯的光照下，00.511.522.53光合作用的速率是_____。黑暗时间(h)（3）该叶片在20℃、20000勒克斯的光照下，光合作用的速率是_____。由此可说明，光照与黑暗条件下，呼吸速率基本不变，光照下有光合作用，而黑暗条件下无光合作用，因此图中氧气释放量曲线应为光合作用－呼吸作用所得的氧气释放量。所以，可以根据光合作用与呼吸作用的有关方程进行相关计算。3、植物的叶表面积影响代谢的变化曲线图氧气释放量（mg）产物积累12A光合作用10呼吸作用8干物质6B4200.511.52光照时间（h）叶面积（A：20000勒克斯B：5000勒克斯）（20℃10℃）光合作用随着叶表面积的增大而增大，到一定程度以后则不再增大，而呼吸作用则会随着叶表面积的增大而持续增大由此影响植物体的产物积累，出现一个相对高峰值，干物质含量增加到高峰值后下降。所以，生产上应注意调节植物叶片的疏密以期达到物质积累的最佳效果。4、植物体不同高度部位的代谢差异曲线图由于叶片面积及生长状况的差异，植物体株中部的代谢最旺盛。高5、有关实验200A中种子呼吸为B中植物供给CO2，100二者共同构成一个相对独立的系统。CO2浓度（ppm）A中加水后，种子萌发，呼吸作用增强，出现ab段的上升，可为B中的植物供给光照更多的CO2，所以出现cd段的上升。但当A为B供给的CO2过多时，则抑制了B中植物的呼吸作用，使整个植物的代谢能力下。。。。。。降，从而引起光合作用的下降即cd段的下降。AB（四）水分代谢代谢强度植物体对水分的吸收、运输、利用和散失。db呼吸作用水分的吸收方式有吸涨吸水和渗透吸水。当成熟c的植物细胞发生渗透失水和吸水时，植物细胞会ae光合作用发生质壁分离及复原现象。1、植物组织不同成熟细胞在不同浓度的蔗糖溶液中发生质壁分离的百分率曲线图。时间不同植物细胞的细胞液浓度不同，质壁分离百分率发生质壁分离所需的外界溶液浓度不100同。当50%的植物细胞都发生质壁分80离时的外界溶液浓度就是该组织细胞60的平均渗透压。细胞液的浓度等于正常40细胞发生初始质壁分离时对应的临界20浓度浓度。00.10.20.30.40.50.62、不同外界溶液浓度植物细胞的状态变化不同曲线图外界溶液浓度大于细胞液浓度时，细胞发生原生质体体积（相对值）质壁分离，若外界溶液中溶质是可被细胞选择吸C收的小分子或离子时，质壁分离的细胞会发生自100A2M乙二醇溶液动复原现象，如果是大分子则不会发生自动复原50B现象。由此可知，AB段细胞失水发生质壁分离，2M蔗糖溶液BC段乙二醇进入细胞发生自动复原，而蔗糖分子时间则不发生该现象。060120180240300（五）矿质代谢植物体对矿质元素的吸收、运输和利用。矿质元素的吸收需呼吸作用供给［H＋］、［HCO3－］和能量。所以，矿质