在“光合作用”的教學中滲透物質與能量觀及科學思維教育*

張 超（北京師范大學附屬實驗中學 北京 100032）

物質與能量是生命得以生存與延續的重要基礎，物質與能量觀更是中學生物學教育要向學生滲透和闡釋的一個重要觀念。運用“物質與能量”這一生命觀念幫助學生從生命本質的角度理解“光合作用”的價值，對于學生學習本部分知識至關重要。

科學思維是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。學生科學思維的發展并非是一蹴而就的，需要學生在學習過程中逐步發展。教師應選擇適當的課題，提供生物學事實和證據，促進學生針對科學事實和證據，運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創造性思維等多種方法，從不同角度進行探討、闡釋生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題，幫助學生建立科學思維意識，培養學生的科學思維能力。“光合作用”課題恰好是培養學生科學思維的重要載體，本課旨在針對光合作用“利用光能，以二氧化碳和水為原料合成有機物并釋放氧氣”的科學事實，通過教師的有效引導，幫助學生從物質、能量、條件等不同角度充分認識有關光合作用的科學知識，發展學生的科學思維。

1 以呼吸作用為切入點，引發學生關注光合作用的物質與能量變化

教師引導學生回顧作為異化作用實例的呼吸作用的以下相關問題：1）呼吸作用的物質變化實質：將有機物氧化分解；2）呼吸作用的能量變化實質：將有機物中的化學能進行釋放，其中一部分轉化成為ATP 中活躍的化學能，一部分以熱能的形式散失；3）呼吸作用的場所：有氧呼吸的場所為細胞質基質與線粒體；無氧呼吸的場所為細胞質基質。以上述復習回顧為基礎，引導學生思考：作為同化作用實例的光合作用其物質變化與能量變化的實質。

學生在初中時有所接觸光合作用的課題，以復習呼吸作用的物質變化與能量變化作為課題切入點，有助于學生從更為深入的角度回顧光合作用的知識。在這樣的回顧中，學生較易回憶光合作用的場所為葉綠體，并分析得出光合作用的物質變化是：二氧化碳與水等無機物轉化為包括葡萄糖在內的各種有機物并釋放氧氣；光合作用的能量變化為：光能最終轉化為儲存在有機物中的化學能。

在學生回顧與分析的基礎上，教師可幫助學生將光合作用物質變化、能量變化、代謝場所等轉化為如下反應式：

并說明，為了方便研究與分析，以葡萄糖分子作為光合作用產物中眾多有機物的例子，書寫在反應式中。

2 分析光合作用過程

教師帶領學生從光合作用反應式入手，從物質、能量、條件3 個角度運用科學思維方式，對光合作用的過程進行分析。

2.1 從物質角度分析光合作用 教師引導學生觀察光合作用的反應式，以問題：“氧氣中氧原子的來源是什么？”引導學生從物質的角度思考光合作用的過程，同時展示魯賓、卡門所做的實驗，供學生討論與分析。

1941年，魯賓和卡門制備了含有少量同位素18O 的碳酸氫鹽和水，并用以供給照射的小球藻培養物，然后分析產生的氧，他們發現產生的18O 的比率和水的比率相符合，不與碳酸氫鹽的比率相符合（圖1）。

圖1 魯賓、卡門實驗結果［2］

通過分析材料，學生可以得出：在光合作用中，產物氧氣的氧原子全部來源于原料中的水。根據這個基于科學史材料的實驗分析，光合作用物質變化的實質可以被進一步補充修改為：二氧化碳與水等無機物轉化為包括葡萄糖在內的各種有機物并釋放氧氣，其中氧氣中的氧原子全部來自于水。

在得出這樣結論的同時，馬上就有學生提出了反應式中存在的問題，即如果光合作用產物中氧氣的氧原子完全來自于水，反應式就存在錯誤了，因為反應式中配平后的6 分子水無法保障產物中產生6 分子氧氣。

講求實證、批判式思維、引發新的疑問并進行深入學習與思考，正是科學思維的本質，面對學生的質疑，教師不必在本節課急于給出答案，而是將更多的空間留給學生，在鼓勵學生發現問題的同時，引導學生如何解釋和解決這個新問題。例如，面對這個新問題，能否運用“一步反應”的思考模式解釋光合作用過程？如何改進反應式才能得到合理解答，而改進后的反應式又該運用怎樣的方法加以證明？……新問題的產生與思考過程不但對于學生的科學思維發展大有裨益，從課程的角度講，這樣的問題提出與思考過程，也為“光合作用過程”課題的學習做好了水到渠成的鋪墊工作。

2.2 從能量的角度分析光合作用 關于光合作用中的能量變化，學生可以分析出起點（光能）和終點（有機物，在反應式中是葡萄糖）中的化學能。教師可在此基礎上引導學生進一步深入分析。從常識的角度思考，學生知道光能不可能輕易地直接轉化為葡萄糖中的化學能，教師可以從大邏輯的角度引導學生理解光合作用過程中能量的轉化過程至少會包含以下階段：

光能→被吸收→轉化為葡萄糖中的化學能

教師進一步引導學生從大邏輯角度向更為細節的角度深入：光能怎樣被吸收？什么物質或結構吸收光能？又如何才能轉化成為葡萄糖中的化學能？并提示學生從自己現有的物理學、化學知識出發，嘗試解決這些更為細節的問題。

面對“光能怎樣被吸收”與“什么物質或結構吸收光能”的問題，學生很容易運用“色素吸收可見光”的物理學知識得出葉綠體中可能存在色素的推論。關鍵問題是，如何“證明”葉綠體中確實存在這些可以吸收光能的色素。很快，學生運用已有的化學知識，提出可分別使用水和有機溶劑嘗試溶解葉綠體中的色素，并合理運用結晶、過濾、萃取、離心、蒸餾等物質分離與提純的方法，將可能是混合物的色素進行分離提純，然后通過化學分析的方法分析這些物質的化學本質，從而得出葉綠體中的某（些）物質或結構可以吸收光能的結論。

學生的思維方向很好，教師可以在這個環節充分給予學生思考的空間，促使他們運用已有科學知識嘗試解決未知的科學問題，并在適當的時候給予合理的幫助。教師要參與學生的討論，在必要時提供幫助。例如與學生共同討論不同物質分離與提純方法的原理與適用范圍；提供更多、更有效的物質分離與提純手段，豐富學生的思考空間；補充提供并講解紙層析法、雙向紙層析法的原理與方法等。

若條件允許（具有完善的實驗室和具備連堂課的條件等），可將學生討論的成果現場轉化為實際的動手操作，為學生準備必要的物理設備（光源、分光鏡等）、化學試劑、生物材料，讓學生體會到從科學思維解決問題轉化為科學動手解決問題的美妙與樂趣。

2.3 從條件的角度分析光合作用 學生熟知葉綠體是光合作用的場所，但如何證明？教師提示、引導學生進行理性的科學分析。

學生很容易想到的方法是單獨獲取葉綠體（這個方法并不難，可以選擇運用差速離心的方法），然后在人工條件下，看其是否能單獨完成光合作用。面對這個方法，教師在予以鼓勵的同時，需要提醒學生注意，此方法能說明葉綠體單獨可以完成光合作用，但從科學的角度講，并不能完全證明植物體中光合作用的場所就是葉綠體，想要證明植物細胞中光合作用的場所就是葉綠體，還需要更為直觀、準確，確保植物細胞完整的實驗方法。教師可以提供恩格爾曼的實驗供師生共同討論。

1880年，恩格爾曼用水綿進行了光合作用的實驗（圖2）：將載有水綿和好氧細菌的臨時裝片放在沒有空氣的黑暗環境中，然后用極細的光束照射水綿，通過光學顯微鏡觀察發現，好氧細菌向葉綠體被光束照射到的部位集中；如果上述臨時裝片完全暴露在光下，好氧細菌則分布在葉綠體所有受光部位的周圍。從而證明：氧是由葉綠體釋放的，葉綠體是綠色植物進行光合作用的場所。從恩格爾曼的實驗中，不難看出，無論是對材料的選擇（水綿，水綿的葉綠體呈螺旋式帶狀，便于觀察），還是對自變量的操作（用極細的光束）、因變量的觀測（好氧細菌的聚集）和無關變量的控制（黑暗環境、無氧條件等）都是非常精妙的，這樣的科學思維、這樣的實驗設計是非常值得學習和借鑒的。

圖2 恩格爾曼實驗示意圖［3］

3 總結與反思

本節課從3 個不同角度對光合作用進行分析，發展學生的科學思維，滲透了“物質與能量”的生命觀念，并為“光合作用過程”課題做好鋪墊。

從物質、能量、條件3 個角度對光合作用進行分析，不但可以幫助學生回顧光合作用的已有知識并將已有知識系統化，更可以促進學生“從不同角度探討、闡釋生命現象及規律”科學思維的發展。

分別以呼吸作用與光合作用作為新陳代謝異化與同化作用的典型例子，并從物質、能量等角度對它們進行分析，不但有助于學生從更為本質的角度理解和思考呼吸作用與光合作用的價值，更有助于學生拓展運用“物質與能量”這一生命觀念認識更多的生命現象。

通過從物質、能量、條件等不同角度對光合作用進行深入分析，學生從更深層次認識了光合作用，同時也提出了更新的疑問，帶著這些疑問與推測，學生會對進一步學習光合作用的具體過程充滿期待，這樣的疑問與期待為后續“光合作用過程”課題做好了鋪墊，更為最終運用光合作用的知識解釋生活中的現象、解決生產中的現實問題打下了良好的基礎。