核心素養(yǎng)導(dǎo)向下以科學(xué)史研究分析開展探究學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計(jì)

付鑫

1 教材分析

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱課標(biāo)）提出了“核心素養(yǎng)為宗旨”的課程理念，素養(yǎng)教育需要引領(lǐng)學(xué)生主動參與探究性學(xué)習(xí)活動，加深對生物學(xué)概念的理解，提升應(yīng)用知識的能力。“植物的光合作用”是人教版《必修1.分子與細(xì)胞》模塊第五章第四節(jié)的內(nèi)容。傳統(tǒng)教學(xué)中，光合作用反應(yīng)歷程的學(xué)習(xí)往往通過教師利用科學(xué)史以講授策略來完成。學(xué)生被動地接受，無法體會科學(xué)史中科學(xué)家對生物化學(xué)反應(yīng)研究的分析過程。課標(biāo)中指出，生物學(xué)包括了人類認(rèn)識自然現(xiàn)象和規(guī)律的特有探究過程，從生活現(xiàn)象入手，提出科學(xué)假設(shè)，設(shè)計(jì)研究方法，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出科學(xué)原理，這一過程在一代代科學(xué)家的研究中不斷深入和拓展，形成結(jié)論豐富的知識體系。下面以“植物的光合作用”為例，嘗試在課堂實(shí)驗(yàn)和科學(xué)史中帶領(lǐng)學(xué)生以科學(xué)家的研究范式開展探究學(xué)習(xí)，落實(shí)核心素養(yǎng)。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）從結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的角度，闡明光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，形成光合作用中物質(zhì)和能量相互轉(zhuǎn)化與守恒的觀念。

（2）基于科學(xué)史實(shí)驗(yàn)結(jié)果，歸納和概括光合作用的反應(yīng)歷程與ATP合成的機(jī)理。

（3）基于科學(xué)史材料，提出研究光合作用反應(yīng)歷程的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，體會科學(xué)研究范式。

（4）闡明光合作用對生物圈的意義，踐行保護(hù)植物、植樹造林的社會責(zé)任。

3 教學(xué)過程

3.1 基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的課堂引入

教師展示楓樹圖片，引出光合作用情境：光合作用對植物自身乃至整個生態(tài)系統(tǒng)有什么作用？學(xué)生在初中階段已經(jīng)學(xué)習(xí)過光合作用利用C02、H2O生成了糖類并釋放出O2，教師引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)與能量觀的角度引導(dǎo)學(xué)生思考這一現(xiàn)象背后的原理：植物需要通過一定機(jī)制將光能轉(zhuǎn)變?yōu)閮Υ嬖谟袡C(jī)物中的化學(xué)能，這一機(jī)制依賴于葉肉細(xì)胞中的結(jié)構(gòu)（葉綠體）和物質(zhì)（光合素色）基礎(chǔ)。教師指出光合作用中，吸收光的物質(zhì)是存在于植物綠色部分的光合色素，引入實(shí)驗(yàn)。

3.2 基于學(xué)生實(shí)驗(yàn)與科學(xué)史的課堂探究

3.2.1 認(rèn)識光合作用的物質(zhì)與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

（1）對教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化（圖1），縮短實(shí)驗(yàn)時間，明晰實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：

①將濾紙條放置在菠菜葉片上，用按壓棒在濾紙條距離下端的鉛筆線處垂直按壓幾次，使鉛筆線處留下一條綠線。等待濾紙條上的色素線干燥。

②用鑷子將印有色素線的濾紙條傾斜放入層析缸中，注意不要讓濾紙條垂直貼壁。

③層析缸中備有適量CCI4（減少毒性，增強(qiáng)色素分離效果），注意色素線要高于液面。5 min后觀察。

教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)生思考：在濾紙條上呈現(xiàn)出幾種顏色不同的色素帶？不同的色素為何會出現(xiàn)在濾紙條的不同位置上？

（2）分析科學(xué)史材料。通過恩格爾曼的光色散實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出光合色素能夠吸收藍(lán)紫光和紅光的結(jié)論。

（3）復(fù)習(xí)葉綠體的結(jié)構(gòu)。教師引導(dǎo)學(xué)生觀察圖示：光合色素分布在類囊體薄膜上，因此類囊體是葉綠體的“綠色部分”，具有吸收光能的功能，葉綠體基質(zhì)等其他成分是葉綠體的“非綠色部分”，不具有吸收光能的功能。

3.2.2 揭示光合作用的原理

教師根據(jù)科學(xué)史研究進(jìn)程，遵循科學(xué)研究范式，帶領(lǐng)學(xué)生模擬科學(xué)家的角色，在已有研究成果基礎(chǔ)上，提出深一層的研究問題，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)思路，實(shí)現(xiàn)科學(xué)成果的演進(jìn)。

（1）科學(xué)研究設(shè)計(jì)。首先，教師提供背景信息：美國科學(xué)家D.I.Arnon在給葉綠體照光時發(fā)現(xiàn)，向體系中提供磷酸、ADP等物質(zhì)，將生成物收集起來;在黑暗條件下，只要加入這些生成物，只為葉綠體提供C02就可以合成更多糖類。引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從以下幾個方面引導(dǎo)學(xué)生對光合作用的歷程進(jìn)行思考：

①光合作用分為幾個階段？

②光合作用發(fā)生在葉綠體中哪個（哪些）場所？

③光合作用各反應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物是什么？

教師通過啟發(fā)性問題，發(fā)動學(xué)生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，以小組為單位形成一個完整的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來研究以上問題，并進(jìn)行交流。

（2）科學(xué)實(shí)驗(yàn)分析。學(xué)生頭腦風(fēng)暴產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路（圖2），與上個世紀(jì)希爾所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)不謀而合。

教師展示完整的希爾實(shí)驗(yàn)：

利用低滲溶液處理植物細(xì)胞的葉綠體，令葉綠體吸水漲破，給破損的葉綠體照光并提供Fe3+，發(fā)現(xiàn)有02的放出。沒有光照時，沒有相應(yīng)反應(yīng)發(fā)生。希爾進(jìn)一步通過離心分離出葉綠體的類囊體薄膜和葉綠體基質(zhì)兩種成分，給類囊體薄膜照光并提供Fe3+，發(fā)現(xiàn)也有02放出。同時，希爾發(fā)現(xiàn)將反應(yīng)過后的類囊體薄膜溶液上清液加到葉綠體基質(zhì)中，并通入C02，溶液中新合成出了糖類有機(jī)物，只通入C02則沒有有機(jī)物合成。

教師帶領(lǐng)學(xué)生根據(jù)自己以及希爾的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲取證實(shí)假設(shè)的證據(jù)：哪些證據(jù)說明光合反應(yīng)是分階段進(jìn)行的？分幾個階段？哪些證據(jù)說明不同階段的反應(yīng)場所？哪些證據(jù)說明各反應(yīng)階段的反應(yīng)物和產(chǎn)物？

在解決光合作用基本反應(yīng)階段的問題后，教師引導(dǎo)學(xué)生注意希爾實(shí)驗(yàn)中兩次加入了Fe3+，引發(fā)學(xué)生這一物質(zhì)在反應(yīng)中起到的作用。通過化學(xué)氧化還原反應(yīng)的學(xué)習(xí)，F(xiàn)e3+作為弱氧化劑可以吸收電子，而光反應(yīng)中氧氣的釋放來自于水中氧元素的失電子氧化，這正好完成了一次氧化還原反應(yīng)。教師可提示學(xué)生在葉綠體中，NADP+起到希爾反應(yīng)中Fe3+的角色，形成了具有還原性的NADPH，為暗反應(yīng)提供。

根據(jù)能量守恒原理，光能進(jìn)入類囊體，引發(fā)水的光解后，應(yīng)該以另外一種能量方式傳遞。教師引導(dǎo)學(xué)生回憶已經(jīng)學(xué)習(xí)過的能源物質(zhì)_ArIP：①不穩(wěn)定;②具有活躍的能量;③能夠作為細(xì)胞生理活動的直接能源ATP。

那么，光反應(yīng)中ATP是如何形成的？這時過渡到賈格道夫的實(shí)驗(yàn)：賈格道夫在黑暗中把葉綠體的類囊體放在pH為4的弱酸性溶液中平衡，讓類囊體膜腔的pH下降至4，然后加進(jìn)pH=8和含有ADP和Pi的緩沖溶液，這樣瞬間的pH變化使得類囊體膜內(nèi)外之間產(chǎn)生一個H+梯度，此時竟然發(fā)現(xiàn)溶液中有ATP的合成。

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)賈格道夫的實(shí)驗(yàn)，分析得出ATP合成的機(jī)制并在圖3中描繪出幾個關(guān)鍵問題的答案：類囊體內(nèi)外兩側(cè)哪一側(cè)的H+濃度高？H+傾向于向哪一方向流動？離子能否直接透過類囊體膜（磷脂雙分子層）？如果讓H+順利流動，膜上需要一個什么結(jié)構(gòu)？H+從高濃度向低濃度流動時，像瀑布一般能產(chǎn)生很大的勢能，推動了什么物質(zhì)的合成？

3.3 落實(shí)生活實(shí)際的總結(jié)與延伸

教師總結(jié)上一階段的探究結(jié)果：光合作用的兩個階段（光反應(yīng)和暗反應(yīng)），但是在完全沒有光照的情況下，植物無法產(chǎn)生有機(jī)物。這說明暗反應(yīng)的發(fā)生需要光反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)。從能量轉(zhuǎn)化的角度上想，具有能量的光照射到類囊體薄膜的色素分子上被吸收。在葉綠體中，吸收的光能實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)化，依托于類囊體薄膜上色素分子與蛋白質(zhì)之間形成的復(fù)合物進(jìn)行電子傳遞，并最終形成ATP和[H]兩種光反應(yīng)的產(chǎn)物這就解釋了希爾反應(yīng)中為何需要將類囊體反應(yīng)溶液加入葉綠體基質(zhì)中才能合成糖類。

最后，帶領(lǐng)學(xué)生從物理學(xué)角度認(rèn)識光合作用中光能向有機(jī)物中化學(xué)能的轉(zhuǎn)變過程，這符合能量守恒原理。教師要強(qiáng)調(diào)這一能量的轉(zhuǎn)化過程為生態(tài)系統(tǒng)提供了能量的源泉，是包括人在內(nèi)所有生物能夠獲得能量的根基，因此從社會責(zé)任角度加強(qiáng)落實(shí)保護(hù)樹木、植樹造林的意識，為人類和整個生態(tài)圈的穩(wěn)定貢獻(xiàn)力量。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課通過實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，改良的學(xué)生實(shí)驗(yàn)節(jié)奏更加緊湊，服務(wù)于學(xué)生認(rèn)識光合作用的物質(zhì)與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。教師利用科學(xué)史材料引導(dǎo)學(xué)生按照科學(xué)家的研究范式進(jìn)行科學(xué)探究，促進(jìn)學(xué)生用科學(xué)思維探索光合作用的機(jī)理，自主構(gòu)建生命觀念。本教學(xué)設(shè)計(jì)摒棄了傳統(tǒng)課堂講授為主的教學(xué)策略，強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)過程的主動參與，讓學(xué)生積極參與動手和動腦的活動，加深對生物學(xué)概念的理解，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。課堂聚焦的核心概念中滲透化學(xué)、物理學(xué)相關(guān)概念，建成物質(zhì)和能量觀、結(jié)構(gòu)與功能觀，滲透了STEM的理念。

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