“光合作用發現史”的教學策略

生物科學史的教育價值取向是培養學生的科學探究能力和科學精神。“說明光合作用以及對它的認識過程”是高中生物課程標準中的一條具體內容標準，對應的教材中出現普利斯特利、英格豪斯、恩格爾曼、梅耶、薩克斯、魯賓，卡門、卡爾文等學者的實驗或理論。由于學生在初中階段已經學習過光合作用的發現史，高中階段的教學常常會出現兩種誤區：一種是不展開光合作用發現史的過程，弱化了生物科學史的教育功能；另一種依照時間順序逐個展開，與初中教學存在大量重復，忽略了學生原有經驗。因此基于高中學生的認知特點和發展需要，創設新穎的情境、優化教學內容、以問題的解決為主線，是提高課堂教學有效性的主要策略。

1.關注學生經驗，優化教學內容

學生學習的過程是一個螺旋上升的過程。學生在小學階段的科學課中，已經初步了解植物能夠進行光合作用。在初中學習光合作用時，既有對海爾蒙特、普利斯特利的實驗分析，又有“綠葉在光下制造淀粉”、“綠葉在光下產生氧氣”、“綠葉在光下吸收二氧化碳”等的驗證或探究實驗，學生對光合作用概念的內涵有了感性的認識，并在此基礎上，抽象得到光合作用的反應式。

高中階段對光合作用發現史的教學過程中，教師如果忽略學生已有的經驗，讓學生沿著時間的主線，去分析那些經典的實驗，表面上是體驗科學探究的歷程，實際上教學效果會不理想。受認知水平和實驗技術的限制，當年許多學者提出的極有價值的問題在今天已是一目了然，當年巧妙的實驗方法在今天可以用新的技術取代，如果教師設計的教學內容沒有思維的深度，就無法激發學生學習的熱情，更不能提高學生的科學探究能力。如“普利斯特利的實驗可以得出什么結論”這一問題，當年只能說明“植物能夠更新由于蠟燭燃燒或動物呼吸變得污濁的空氣”，而高中學生根據已有的經驗，頭腦中想到的是植物光合作用吸收二氧化碳，釋放氧氣，上述問題已經不能成為真正的問題。

因此，教師必須關注初高中生物教學的銜接，關注學生已掌握的化學、物理等學科知識，優化教學內容，從科學思想與方法、實驗材料的選擇、實驗技術的創新等角度，對科學史中的經典實驗進行分解和重組，使學生對光合作用發現史的認識實現從感性到理性的跨越。

2.創設真實情境，激發學習興趣

生物科學史中的學者和他們完成的實驗，對于學生來說是比較遙遠的。在課堂教學過程中，教師可以借助多媒體技術輔助，提供相關的文字、圖片、視頻等資源，盡量去還原當年的實驗過程，但不同的人頭腦中對實驗材料、方法、過程、現象的認識可能存在比較大的差異，如同“盲人摸象”一樣。通過講授法學習科學史，缺少體驗的過程，教學目標的達成常常得不到保證。

許多經典的生物學實驗，操作起來其實很簡單，現象也十分明顯，并且能夠生成新的課程資源。如直接講述普利斯特利的實驗，實驗過程和實驗結論都很簡單，沒有探究的價值，也不能激發學生的學習興趣，如果能夠將玻璃鐘罩、植物、蠟燭等材料帶到教室里，教師演示一遍或讓學生動手操作一次，就會產生意想不到的效果。如圖1所示，教師首先提出“在A、B兩個鐘罩內同時點燃蠟燭，哪一支先熄滅呢”的問題。學生根據已有的經驗，認為植物進行光合作用產生氧氣，A鐘罩中的蠟燭將先熄滅。但實際結果卻是B鐘罩中的蠟燭先熄滅，與學生預期完全不同。教師引導學生進行討論，分析這種現象產生的原因。從實驗設計的科學性分析，A、B兩組實驗的變量不是唯一的，B中多一盆植物，A中的空氣體積比B中的大，氧氣含量多；從實驗進行的環境條件分析，教室內的光照相對不足，B鐘罩內的植物光合作用的強度可能低于呼吸作用，不但不能釋放氧氣，還要吸收鐘罩內的氧氣，導致蠟燭先熄滅。

教師通過精心的預設，創造了一個真實的情境，生成的問題激發學生探究的熱情，學生不是被動地去了解普利斯特利、英格豪斯的實驗過程和結論，而是通過自主的觀察和思考，通過合作學習，從實驗設計的單一變量原則、無關變量的控制等角度，發現教師演示實驗中存在的問題，從而真正提升了科學探究能力。

3.以問題為主線，培養探究能力

對光合作用發現史中的經典實驗進行分解和重組，需要依據相應的邏輯基礎，如現象與本質、過程與方法，創設新的情境，提出有價值的問題，以問題的解決為主線，使學生對光合作用發現史的認識實現從感性到理性的跨越。教師在一節課中提出的問題不宜太多，但要能把握教學的重點，關注各環節之間的過渡。

問題一：如何設計實驗，證明CO₂和H₂O是光合作用的原料？

對高中學生來說，設計實驗證明CO₂是光合作用的原料不是難點，因為初中生物學的學習過程中已經涉及。如人教版教材中有探究實驗“綠葉在光下吸收二氧化碳”，選擇碳酸氫鈉溶液和自來水作為對照組；蘇教版教材中有“植物光合作用需要二氧化碳”的資料分析，選擇氫氧化鉀溶液和清水作為對照組。教師引導學生先提出一個簡單的問題，可以讓學生感受到成功的喜悅，而證明H₂O是光合作用原料的問題就具有一定的挑戰性。實驗的思想和方法可以從前一個實驗遷移過來，如取同一植株上大小相同的兩片葉，切斷一張葉的葉脈（或直接從植株上切下來），從而切斷水分的供應，放置在陽光下2h，再應用薩克斯的方法檢驗淀粉的生成情況。也可能會有學生提出使用放射性同位素標記技術，觀察參加反應的CO₂和H₂O中相關原子的轉移路徑，從而確定CO₂和H₂O是光合作用的原料等合理答案。

問題二：如何設計定量實驗，說明光合作用的強弱？

學生在初中階段完成“綠葉在光下制造淀粉”、“綠葉在光下產生氧氣”、“綠葉在光下吸收二氧化碳”等實驗，對光合作用的原料、產物、條件等有了感性的認識，設計實驗以說明光合作用的強弱，需要運用已有的知識和方法，選擇一個可測量的觀察指標，這是從感性到理性的認知提升過程，這樣的教學目標符合高中生發展的需求。影響光合作用強度的因素很多，首先要明確實驗中的自變量，合理設置自變量的梯度，嚴格控制無關變量，而光合作用的強弱可以通過測定一定時間內原料消耗或產物生成的數量米定量地表示，比較簡易可行的通過排水集氣法，收集光合作用釋放的氧氣。為降低問題的難度，提高學生思考和回答問題的指向性，教師可以提供部分實驗材料，如金魚藻、天平、量筒等。

問題三：縱觀光合作用發現史，從實驗材料和實驗技術兩個角度分析，有什么規律？

教學流程可以跳出光合作用發現史的時間順序，大部分的時間是讓學生在新情境中發現問題、解決問題，培養學生的科學探究能力，但“說明光合作用的認識過程”是高中生物課程標準中的具體內容標準，在教學設計中，必須要有一個環節是對光合作用發現史的全面回顧，包括時間、學者、實驗的內容和結論。從實驗材料的角度比較，學生會發現早期是柳樹、薄荷、小鼠等高等動植物個體，薩克斯利用植物的營養器官（葉），最后是多細胞的水綿和單細胞的小球藻。實驗材料的變化說明人類對光合作用的研究是從整體向局部、從宏觀向微觀、從判斷推理向實證發展。從實驗技術的角度比較，最初是簡單的稱重和觀察，后來出現化學鑒定、顯微鏡觀察，最后是放射性同位素標記，說明化學、物理學的發展為生物學的研究提供了技術支持，其他學科向生物學的滲透極大地推動生物學的發展。

光合作用發現史是生物科學史的典型代表。教無定法，對光合作用發現史的教學可以選擇多種教學方法，但生物科學史的教學目標不是讓學生記住那些為生物科學的發展做出貢獻的學者姓名，也不是他們實驗的過程和結論，而是理解他們科學的思想和方法，在新的情境中，運用科學知識、科學的思想和方法，去分析問題和解決問題，從而真正提高學生的科學素養。