“光合作用与细胞呼吸的物质和能量转换”实验节选自人教版高中生物必修一第五章。从物质与能量角度来看，光合作用和细胞呼吸是一个发生在细胞内的极其抽象的代谢过程，学生无法直观地理解其内部发生的物质变化、能量变化及其二者之间的联系。本节的教学目的是探索光合作用与呼吸作用，阐明细胞在生命活动过程中贯穿着物质与能量变化，从而培养学生的生命观念、科学思维、科学探究等生物学核心素养
［1］。在“三新”背景下，即新课程、新教材、新高考背景下，开发的“光合作用与细胞呼吸”可视化模型是一种创新的教具。
教材以“探究酵母菌细胞呼吸的方式”得出酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸分解葡萄糖的产物都有二氧化碳释放；以恩格尔曼的实验证明叶绿体能够吸收光，能用于光合作用释放氧气，叶绿体中的色素主要吸收红橙光和蓝紫光；以希尔）实验发现离体的叶绿体在光照下可以释放出氧气；鲁宾和卡门用同位素示踪的方法，研究了光合作用释放的氧气中氧元素来自水。通过这些实验，发现氧气的释放和糖类的合成不是在同一个化学反应和同一部位，而是分阶段进行的，后来证实释放氧气发生在类囊体薄膜上，糖类合成发生在叶绿体基质中。
1 原有实验的不足
在课本中光合作用和细胞呼吸实验是单独呈现的，而在细胞呼吸的产物中只观察到二氧化碳一种物质，中间产物丙酮酸、终产物水、无氧呼吸的终产物酒精和乳酸等过程无法直观地呈现。光合作用只观察到释放氧气，合成糖类及光反应和暗反应的联系也没有直观呈现。对于绿色植物叶肉细胞光合作用和呼吸作用的综合实验也未涉及，学生无法理解其细胞内发生的物质变化和能量变化及其光合作用和呼吸作用的密切联系，无法理解当光合作用大于呼吸作用时，光合作用释放的氧气除了参与有氧呼吸外，有多余的氧气释放到空气中；当呼吸作用释放的二氧化碳不足以供给光合作用时，还必须从外界吸收部分二氧化碳来参与光合作用。由于课本实验很抽象，考题总是把光合作用和呼吸作用整合在一起，这对于学生来说很复杂，思维能力无法上一个台阶，为了更深入地理解光合作用与呼吸作用的知识，更好地学习绿色植物叶肉细胞内发生的物质变化和能量变化，更好地服务于教师与学生，有必要设计一个直观的、高度整合的模型来进行实验教学，巧妙地将抽象的知识直观化和可视化。
2 改进实验的开发与创新
2.1 问题的提出
绿色植物叶肉细胞内“光合作用与细胞呼吸”在物质和能量方面有什么联系？光合作用释放的氧气有哪些去路？光合作用的光反应和暗反应有什么样的联系？绿色植物呼吸作用释放的二氧化碳的去路有哪些？绿色植物光合作用的场所是叶绿体，其细胞呼吸方式包括有氧呼吸和无氧呼吸，有氧呼吸的主要场所在线粒体上，无氧呼吸的场所在细胞质基质中，所以需要把叶绿体、线粒体和细胞质基质上发生的反应记录下来，再设计相应的模型把各反应之间的关系呈现出来。
2.2 新课标内容和目标要求
本实验放在“细胞的能量‘货币’ATP”之后和“细胞的生命历程”之前，细胞的生存需要能量，ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质，光合作用吸收的光能和呼吸作用释放的能量可以参与ADP和Pi合成ATP，进一步巩固生命活动的直接能源物质ATP的合成。通过实验细化了光合作用和细胞呼吸的知识，通过基于“三新”背景的创新实验的设计与开发，学生不但可掌握光合作用和呼吸作用的过程，还可加深理解二者之间千丝万缕的联系，为之后学习细胞生命历程作铺垫。从物质和能量角度，建构并使用智能亮化模型，各部分结构通过分工与合作，形成相互协调的有机整体，有利于学生掌握支撑生命活动过程的物质变化和能量变化。基于此需求，笔者设计创新实验，细化发生在细胞内的代谢过程及其各代谢反应之间的联系，开发出更有利于教学和实验的可视化实验模型，增强学生学习生物学的趣味性，让学生经历创新实验的设计和制作过程，通过动手、观察现象与记录、分析得出结论等环节，培养学生的科学探究能力、创新思维能力，提升学生生物学学科核心素养。
3 制作过程
3.1 装置组成
1块固定板（亚克力板），1只12 V变压器，4种颜色的LED柔性霓虹灯带，4只12 V无线遥控开关，焊接剂（胶水），1个无线遥控器（共4个按键，1个按键控制1路，4路独立控制电路，自锁，点动可调）和1个无线遥控开关。
3.2 电路简图
先用1只变压器把家庭电压降为12 V，再分别与4只遥控开关连接，每个遥控开关控制1路，然后分别与4组霓虹灯相连接，最后用无线遥控器调节霓虹灯的工作，电路简图如
图1所示。
3.3 绘制草图
先画出1片叶子代表叶肉细胞，接着画出1个太阳模拟阳光照射到叶片上，在叶片上绘制叶绿体和线粒体2个细胞器，两者之间的间隙表示细胞质基质；在叶绿体上绘制光合作用的光反应和暗反应阶段的物质和能量变化过程；在线粒体上绘制有氧呼吸过程的物质和能量变化；在细胞质基质中绘制无氧呼吸过程的物质和能量变化，一般发生在叶肉细胞中的无氧呼吸均产生酒精和二氧化碳，不会产生乳酸，在线粒体上绘制有氧呼吸过程的第二阶段、第三阶段的物质和能量变化；最后把光合作用和细胞呼吸的联系用箭头标出来，模拟叶肉细胞内发生的光合作用和呼吸作用过程及其二者之间的联系。
3.4 绘制高清图片
按照自己绘制的草图，用计算机绘制出高清图片，并在图片上用4种颜色分别标出光合作用的光反应、暗反应、有氧呼吸和无氧呼吸4个过程及其相互关系，其高清图如
图2所示。
3.5 制作霓虹灯雕刻图
用1块亚克力板（长1 200 mm，宽900 mm）作为底板，根据高清图片中绘制的各种线条和箭头的纹理，对其进行开槽，亚克力板不能过小，线条和字的间距应提前调整好，不能太近，否则雕刻时会把字雕刻掉。经过多次调整，最后确定灯带宽度为6.0 mm，底板开槽应为6.9 mm。霓虹灯雕刻图如
图3所示。
3.6 制作UV图和亮化模型图
把绘制的高清图片印刷到开槽后的亚克力板上，印刷完成后在槽里布置霓虹灯灯珠并焊接，然后扣上4种颜色的灯外壳，先接变压器，后通电，霓虹灯是低压的12 V，一定要先接上12 V变压器，再将从变压器出来的线分别与4只12 V无线遥控开关相接，每只遥控开关控制一组灯光，遥控开关再分别与霓虹灯连接，每种颜色的灯都接出来2根线，分别是正极和负极，白色的一根是正极，对应开关上的正接线柱，透明色的一根是负极，对应负接线柱。火线和零线不分顺序，确认好接线正确再通电，不可直接通电。UV图和亮化模型图如
图4所示。
4 工作原理
通过无线遥控器来控制LED灯（亮化模块）光线的变化，并根据光合作用和细胞呼吸的物质和能量转化规律，控制亮化模块显示相应的效果。其中包括光合作用模块、细胞呼吸模块。利用1只变压器，把家庭电路电压降为12 V，然后分别与4组无线遥控开关连接，无线遥控器1个按键控制1路电路，4路独立控制，最后将无线遥控开关分别与不同颜色的LED柔性霓虹灯带连接。霓虹灯的光源可以在较低的功率下发出明亮的光，具有明显的节能效果。
无线遥控开关利用射频识别技术，搭配无线遥控器对各类器具进行控制。它由接收器和发射器组成，其工作原理是：发射器将控制器的控制按键经过编码，调制到射频信号上面，然后发射出无线信号，接收器将接收到的无线信号进行编码信号后再解码，从而得到与控制按键相对应的信号，然后再去控制相应的电路工作
［2］。通过这些硬件的协同工作，实现了对光线强度和亮化效果的控制。
5 使用方法
插上电源，用遥控器4个按键，1个按键控制1个电路，按照知识串的规律，可先按下第1个按键展示光反应过程，接着按下第2个按键展示暗反应过程，然后按下第3按键展示无氧呼吸过程，最后按下第4个按键展示有氧呼吸过程。主要观察霓虹灯的箭头指向，探索归纳光合作用与细胞呼吸过程之间的物质和能量变化以及二者之间的联系，也可以根据需要选择打开或关闭霓虹灯模拟某过程。
6 作品的创新点
（1） 通过在底板上附着一片树叶作为底色，在叶片上绘制叶绿体和线粒体2个细胞器，两者之间的间隙代表细胞质基质，在叶片上进行雕刻，模拟叶肉细胞光合作用和呼吸作用过程及其二者之间的联系，可以将抽象、烦琐的知识简单化、直观化、系统化。
（2） 该模型通过无线遥控器调节霓虹灯的工作，操作简便，在教学中能够反复使用，能够提高教学效益，达到节能、耐用的目的，具有可行性、实用性和创新性。
7 研究成果和影响
（1） 通过精心设计和制作的智能亮化模型，能够直观地展示细胞光合作用和呼吸作用的过程；可以应用于学校的生物学教学和科普活动，提高学生的学习效果。
（2） 通过项目的设计及普及，分享了一种新的教学方法，为师生提供了借鉴和参考。
8 结语
“三新”背景下开发的“光合作用与细胞呼吸”智能亮化模型，通过创造性地融合科学、技术、工程、艺术和数学等知识，对光合作用与细胞呼吸的教学内容进行了梳理和整合，展示了其在“三新”背景下的应用前景，希望这项研究能够为教育改革提供新思路。当然，该模型的实施仍面临一定的挑战，需要在教学实践中进一步研究和改进。
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