生物學核心素養導向的課堂教學

鄧過房

摘 要 借助300多年的光合作用科學史研究文化，以生物學核心素養為支點，搭載光合作用的“過去-現在-未來”為主線，設計“資料提煉-科學家扮演-小組合作-模型構建-展望未來”的生物學核心素養載體主軸，利用40分鐘的時間，培養學生不同層次的核心素養。

關鍵詞 生物學核心素養 光合作用 科學史 生物學教學

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

生物學核心素養是公民參加社會生活、經濟活動、生產實踐和個人決策所需的生物科學知識。那么，教師在具體的生物課教學過程中如何來提高學生生物學核心素養呢？教材文本、探究實驗、現實生活、自然環境都是培養學生核心素養的對話視角。教材上有很多重要結論、原理的科學探究過程，教師應用好教材上的這些經典實驗是培養學生生物學核心素養的重要途徑。

以人教版高中生物必修1第五章第四節第二課時“光合作用研究的‘過去、現在、未來”為例，讓學生感悟科學家嚴謹的科學態度、堅忍不拔的意志品質、細致的理性邏輯。本節課的學習，學生需要聯系物理、化學的相關知識，在細胞層次和細胞器的水平上來認識光合作用，形成分子與細胞水平認識生物體的結構與功能是相適應的生命觀念，關注光合作用研究的未來，能大膽發揮想象，樹立生命科學的創新意識和創新精神。

教學中教師以光合作用研究的“過去、現在和未來”為線索，以科學史中的若干個實驗為載體，在教學過程中多角度提出問題，引導學生在實驗探究中進行分析、邏輯推理，進而得出結論。

1 光合作用研究的“過去”

1.1 設疑導入

教師播放有關幼苗逐漸長大成蒼天大樹的微視頻，然后提出：幼苗是怎么長大的呢？這與光合作用有什么關系呢？光合作用又是怎樣被人們發現的呢？今天，我們就一起回到300多年前，踏著科學家的足跡，領略科學家們展現出來的核心素養。

1.2 回眸科學史，共同體驗光合作用研究過程中的思維魅力

教師繼續提出問題：幼苗是怎么長大的呢？所需營養物質來自哪里？亞里士多德的觀點是否正確？又怎樣證實？

（課前已發給學生相關中英文資料閱讀，并要求學生將資料整理設計成表格形式）

教師投影學生設計的表格。

教師追問：亞里士多德的實驗能得出什么結論呢？是否合理嚴謹？同學們談談自己的看法。

然后，教師展示1648年比利時科學家——范·海爾蒙特通過柳樹實驗，推翻了亞里士多德的錯誤觀點。教師要求學生分析海爾蒙特的實驗結論是否完全正確，并提出問題：從植物生活環境的角度分析，還應考慮什么因素？空氣對植物的生長有影響嗎？

教師展示1771年，英國科學家——普里斯特利的實驗過程動畫，引導學生思考：

① 幾組實驗的現象是什么？② 有無植物的兩組實驗裝置起什么作用？③ 該實驗裝置中玻璃罩有什么作用？

后來很多科學家重復普利斯特利的實驗，但是很多不能成功，這是為什么呢？。

（教師引導學生學會從簡單的實驗中找到矛盾的地方，正確的進行推理判斷，培養學生能夠在新的問題情境中，基于事實和證據，采用適當的科學思維方法去質疑，并選用恰當的方式進行語言表達，提升學生的理性思維素養；逐步培養提出生物學問題、在給出的現有資料中形成恰當的方案并實施的科學探究核心素養。）

教師下面有請1779年的荷蘭科學家“英格豪斯”隆重出場，請他針對上述問題給大家作報告。

“英格豪斯”扮演者用課件演示并指出普利斯特利的實驗只有在陽光照射下才能成功，植物體只有綠葉才能更新空氣。并提出問題：由于當時化學發展水平的限制，英格豪斯并不清楚植物吸收、釋放氣體的成分，你們根據現有的知識，知道是什么嗎？

其他學生回答：吸收CO2，放出O2。

教師：直到1785年，由于發現了空氣的組成，人們才明確這一結果。可見生物科學的發展需要建立在不同知識領域的基礎上。在這一過程中，光能哪去了？植物光合作用需要重要的外界條件是什么？今天我們有幸“請到了”1845年的德國科學家梅耶，下面我們一起來欣賞他的風采。

“梅耶”扮演者用課件顯示能量轉換和守恒定律，指出植物在進行光合作用時，把光能轉換成化學能儲存起來。

（采用角色扮演的替代方式，一方面可以提高扮演者的語言組織、表達能力，并且身臨其境的當了一回“科學家”，逐步培養自己的科學思維方式；另一方面可以激發其他學生的好奇心，感覺科學家離我們并不遠，就在身邊，嚴謹的科學思想更加容易被接受。）

教師：光能轉換成化學能，貯存于什么物質中呢？植物光合作用除了釋放氧氣，還產生什么物質呢？

課外“科學家”小組代表結合錄像介紹1864年的德國科學家——薩克斯實驗過程及現象，并提出問題：① 暗處理這一步是否可以省略？為什么？② 本實驗是否存在對照組？若有，請指出單一變量。③ 這個實驗可得出什么結論？

教師引導學生歸納每個實驗結論。

（此過程的設計，一方面是為了使學生學會綜合排除無關變量，抓住變量分析實驗并得出實驗結論，且強化科學探究實驗設計的基本方法、原則；另一方面是促進學生在小組學習中主動合作，推進探究方案或工程實踐的實施，并運用科學術語報告實驗結果。）

“科學家”代表回顧：光合作用研究的“過去”（圖1）。

設計意圖：回顧科學史中光合作用的研究歷程，得出光合作用的場所、動力、原料、產物。更重要的是體會在這些經典實驗中映射出來的科學家的科學精神和科學態度，以及體悟到科學的思想和方法。學生可以自己大膽的講訴自己的體會和想法。）

2 光合作用研究的“現在”

教師再次結合光合作用的“過去”，引導提出問題：光合作用釋放的氧氣，到底來自于H2O還是CO2？從而啟發學生深層次思考光合作用研究的“現在”。

① 采用“頭腦風暴”讓學生各抒己見提出光合作用中需要解決的問題。如：氧氣中的氧是來自H2O還是CO2中的氧？CO2是怎樣固定并轉化為（CH2O）的？光能是怎樣被轉換成化學能而被儲存的？葉綠素在光合作用過程中起什么作用？……

② 運用“暗箱法”引入“魯賓、卡門實驗”和“卡爾文實驗”。

教師讓學生以“暗箱法”（圖2）嘗試從科學家的角度，發現問題、提出問題，然后討論得出結論。這樣不僅構建了光合作用的深層次知識，更培養了學生較為全面的探究能力。

③ 思維探究，模型建構。教師引導學生將光反應和暗反應結合起來，結合剛才的實驗推理，構建出一個光合作用的反應過程圖。學生小組合作討論，并展示匯報，學生之間加以糾錯。

（本教學片段通過“頭腦風暴”、“暗箱法”、“模型構建”等系列有難度深層次的活動，旨在培養學生能夠恰當選用并熟練運用工具展開觀察，基于對相關資料的查閱，設計并實施恰當可行的方案，運用多種方法如實記錄，并創造性地運用不同學科方法解決問題，同時能夠在團隊中起組織和引領作用，運用科學術語精確闡明實驗結果，并展開交流，提升學生各層次的生物學核心素養。）

3 光合作用研究的“未來”

部分興趣小組的學生將對收集的近代科學家對光合作用的研究、因光合作用的研究獲得諾貝爾獎的科學家的材料進行簡單介紹。例如：1954年阿爾農的循環光合磷酸化的研究；英國的希爾光反應系統的研究；1982年西德生化學家米舍爾生物膜上的色素復合體的成功分離；德國科學家戴森霍弗、胡貝爾、米歇爾3位科學家測定出了光合作用反應中心膜蛋白—色素的三維空間結構，揭示出電子和能量的傳遞作用，這一成就在光合作用的研究中邁出了關鍵一步，他們因此共同獲得了1988年度諾貝爾獎。2016年5月18日的《自然》雜志，發布來自中科院生物物理研究所的研究成果，他們獲得了菠菜光系統II——捕光色素復合物（LHC-Ⅱ）超級復合體的結構，分辨率為3.2 ■。

（設計意圖：① 目前在光合作用方面，經過了幾百年的研究，即使取得了不少成果，但仍然許多問題尚不清楚，光合作用的研究還有非常多的難題要去攻克，讓學生知道社會熱點中的生物學議題；② 結合本世紀以來，當今人類面臨的一些重大問題，如糧食、能源、資源、環境污染等，使學生能夠負責任地參與社會生活和決策，通過科學實踐，嘗試解決現實生活中的生物學問題，增強社會責任感；③ 引導學生大膽展望光合作用研究的未來促進沉重的課后繼續學習，并學會用生物知識指導、解決生產和實踐中的具體問題。）

本節課借助300多年的光合作用科學史研究文化，以生物學核心素養為支點，搭載光合作用的“過去-現在-未來”為主線，設計“資料提煉-科學家扮演-小組合作-模型構建-展望未來”的生物學核心素養載體主軸，利用40 min的時間，培養學生不同層次的核心素養。

當然，僅僅40 min的課堂教學與300多年的科學史文化進行對話，時間上會顯得單薄和粗糙。生物學教材上有不少這方面的科學史素材，教師如何利用開發好它們，進行新一輪的生物學核心素養教學，正是所要研究的重點。