基于科學思維發展的“光合作用過程”的論證式教學

王 麗

(江蘇省蘇州工業園區星海實驗中學 蘇州 215000)

論證式教學是當前國際科學教育及其研究領域所關注的一個新方向，成為國內外科學教育研究的熱點之一。它通過將論證活動引入課堂，讓學生經歷類似科學家的評價資料、提出主張、為主張進行辯駁等過程，從而培養學生科學的思維方式。教學中采用論證式教學，圍繞某一論題利用科學的方法收集證據，運用一定的論證方式解釋、評價自己及他人證據和觀點之間的關聯性，促進思維的共享和交鋒，最終達成可接受的結論[1]。

1 教材分析和設計思路

“光合作用”是人教版高中生物學教材必修1第5章第4節的內容，包括綠葉中色素的提取和分離實驗、光合作用的發現史以及光合作用的過程等主要內容。是學習了細胞呼吸概念后，又一體現物質和能量觀的大概念。因此是本章乃至本模塊的教學重點。但對O2如何釋放、在哪里釋放，CO2如何利用、何時利用，教材均沒有詳細的介紹其探究過程。在教學過程中，教師常采用讀書指導法，讓學生閱讀教材內容并識記光合作用過程圖解。這在一定程度上有利于學生記憶，但學生缺乏對光合作用過程的主動探究以及對知識體系的主動建構過程，導致機械式記憶光合作用過程，不能應用所學知識解決實際的生活問題，不利于學生科學思維的發展。

因此，筆者嘗試開展基于科學思維發展的“光合作用過程”的論證式教學。通過光合作用的概念學習，可以嘗試自主構建光合作用的反應式。基于該反應式，提供一系列科學史資料，教師提出環環相扣的問題，引導學生分析解決問題，逐步完善光合作用過程。學生參與了光合作用過程的探究歷程，激發了深層次思考，對光合作用過程的復雜機制有了深刻理解，提高了學生解決實際問題的能力，旨在發展學生的科學思維。

2 教學目標

基于課程標準的內容要求、學業要求和學業質量標準，并圍繞培養學生核心素養的要求，制訂了如下教學目標：

(1) 通過對光反應和暗反應進行初探，掌握光合作用基本過程。

(2) 通過對光反應和暗反應的再探究，發展科學思維和科學探究的能力。

(3) 通過模型建構活動，深化所學知識，初步形成歸納與概括能力，進一步提升學生的生物學核心素養。

3 教學過程

3.1 光反應階段初探 教師提供以下資料，引導學生分析問題：

資料一： 將葉綠體破壞后離心，得到類囊體懸浮液、葉綠體基質，分別加入試管中(圖1)。然后將①號和②號置于光下，③號和④號置于黑暗中。結果發現： 四支試管中只有①號有氣泡產生，收集的氣體可使帶火星的衛生香復燃。若向4支試管中都加入氧化劑2， 6-二氯酚靛酚(一種藍色染料，會被[H]還原成無色)，發現①號褪色。此外，1954年，美國科學家阿農等在對葉綠體進行光照時還發現： 當供給磷酸、ADP時，會有ATP產生。若用同樣方法處理四支試管，只有①號有ATP產生。

圖1 資料一實驗圖

教師提出以下問題：

(1) ①號試管產生什么氣體？①號和②號試管對照，說明什么？①號和③號試管對照，說明什么？

(2) ①號試管褪色說明可能有什么物質生成？①號和②號試管對照，說明什么？①號和③號試管對照，說明什么？

對于學校而言，“互聯網+”為傳統教學模式、管理模式進行優化與創新，且通過高標準信息交流模式為信息提供了更可靠的便利性特點[2]，從而使學校網絡的信息交流趨于快速化和便攜化，促進了校園的建設與發展。

(3) ①號和②號試管對照，說明ATP的產生場所在哪里？①號和③號試管對照，說明ATP的產生條件是？

通過教師的引導分析，初步得出結論： 光照條件下，在葉綠體類囊體薄膜上可生成O2、 [H]、 ATP。因該過程需要光照，因此稱為光合作用的光反應階段。通過光反應階段，光能轉化為ATP中活躍的化學能。

3.2 光反應階段再探究 通過資料一的分析，光合作用光反應階段釋放了O2。那么，光合作用釋放的O2來自水還是CO2？(為了發展學生的科學思維，光合作用的發現史部分暫不學習。)教師引導學生思考： 如果采用小球藻作為實驗材料，如何設計實驗探究光合作用光反應階段釋放的O2來源呢？(考慮到該環節難度較大，教師引導學生回憶科學家是如何研究分泌蛋白的合成和分泌過程的？如果采用同樣的方法，該實驗設計幾組？理由是什么？)各小組討論設計實驗方案并分享。隨后教師展示美國科學家魯賓和卡門的實驗方案。

當學生的科學思維方法與科學家產生共鳴時，極大地促進了學生的學習積極性，促使學生進行認知結構的同化和順應。

通過學生的討論分析、教師的引導，學生進一步得出結論： 光合作用光反應階段釋放的氧氣來自水的光解，并且推知，光反應階段產生的[H]也來自水的光解。

3.3 暗反應階段初探 教師引導學生對資料一繼續進行探究，圖1實驗結果發現： ①②③④試管提供CO2、 ATP、[H]，只有②④兩試管中有糖產生；②④試管不提供ATP、 [H]，兩試管均無糖產生。

教師提出問題： ①號和②號試管對照，說明什么？②號和④號試管對照，說明什么？

3.4 暗反應階段再探究 通過暗反應階段初探，學生能夠初步構建暗反應模型(圖2)。

圖2 構建暗反應模型

就該模型，教師提出探究問題： 請以小球藻為實驗材料，設計實驗追蹤CO2中碳元素的轉移途徑。學生很容易想到利用同位素標記技術進行追蹤，但對具體的操作方法還缺乏思維深度，需要教師提供科學史資料搭建支架進行論證： 20世紀40年代，科學家開始用放射性同位素14C做實驗研究碳元素的轉移途徑。美國科學家卡爾文等用小球藻做實驗，將小球藻放置在密閉容器中,然后將14C標記的14CO2注入容器,光照下培養相當短的時間之后,將小球藻浸入熱的酒精中殺死細胞，使細胞中的酶變性而失效。接著他們提取到溶液里的物質，然后將提取物應用雙向紙層析法分離,并通過一定的方法鑒定出這些物質。照光30秒，發現放射性出現在C3、 C5、 C6等多種化合物中。

教師提出問題： 如何確定放射性首先出現在哪個化合物中？

為了啟發學生思考，教師適當引導學生從照光時間的角度分析，該環節旨在培養學生的科學思維能力。最后教師提供科學家的實驗思路： 卡爾文和他的科研小組通過不斷縮短光照時間，發現放射性幾乎只出現在一種三碳化合物(C3化合物)中，從而證明最先生成的是C3化合物。在此基礎上，學生繼續完善暗反應模型(圖3)。經過暗反應階段，CO2首先被C5化合物固定，生成C3化合物，C3化合物最終還原為C5化合物和有機物，C5化合物的再生保證了暗反應階段的化學反應持續進行下去，因此稱該過程為卡爾文循環。

圖3 卡爾文循環圖解

3.5 構建光合作用過程模型 模型是人們按照特定的科學研究目的，在某種假設條件下，再現原型客體本質特征(如結構特性、功能、過程等)的物質形式或思維形式的類似物。適當采用構建模型的方式，便于學生認識模型所反映的原型性質和規律，逐漸形成科學概念。教師提供給每個小組一塊白板、貼有磁性膠條的紙片(寫有光合作用場所及所需物質和能量，圖4)。引導學生自主構建光合作用的過程模型，旨在培養其整合所學知識的能力，實現對其科學思維能力的培養。

圖4 光合作用過程的模型構建

4 教學反思

《普通高中生物學課程標準(2017年版)》提出： 要在生物學課堂應用論證教學的策略培養學生科學思維。通過培養學生的論證技能，可以讓學生學會如何提出、支持、評價以及修正觀點，運用論據支持自己的觀點，為研究問題構建合理的解釋。在論證的過程中，學生的思維能力得到提高，而且這種思維能力可以運用到其他任何情境中。盡管我們不清楚學生未來面臨的生活和挑戰，但是具備科學思維的學生有能力獲取知識并解決科學上、社會中的問題。通過科學思維的培養，學生不僅能夠在課堂中學到足夠的知識和技能，也有能力應對課堂之外的生活。教師要將科學思維的培養融入自己的課堂教學中，為學生的終身學習奠定基礎。