科學思維視角下的高中生物學教學探索
——以“光反應的過程”為例

北京

《普通高中生物學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》中指出，“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。科學思維是能夠基于生物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、創造性思維等方法，探討、闡釋生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題。因此學生科學思維的培養和提升是在學習過程中逐步進行的。高一年級學生具備一定的探究能力，了解了科學探究的基本步驟和對照實驗的基本原則，但是在科學探究過程中基于實驗證據的推理能力亟待提升。在人教版新教材第5 章第4 節“光合作用與能量轉化”中，由于光合作用較復雜，既有物質的變化又有能量的轉化，物質和能量變化既是重點也是難點，面對重難點內容大部分學生具有一定的畏難情緒。因此筆者嘗試為學生提供相關資料，采用切塊拼接的合作學習方法，以問題任務作為驅動，逐步引導學生探究光反應的過程，發展學生的科學思維。

一、教材分析及設計思路

“光反應的過程”位于人教版新教材必修1《分子與細胞》模塊第5 章第4 節“光合作用與能量轉化”。細胞作為基本的生命系統，需要與外界進行物質交換，也需要不斷從外界獲取能量。細胞活動的直接能源物質是ATP，但是細胞能量供應的最終源頭是太陽。植物通過光合作用將光能轉化為化學能，對于生態系統的物質循環和能量流動都具有重要的意義。教材中將“光合作用與能量轉化”內容分為兩個小節，第一節是“捕獲光能的色素和結構”，第二節是“光合作用的原理和應用”，“光反應的過程”屬于第二小節。對于光反應的過程，教材中提供了“甲醛說”“希爾的實驗”“魯賓和卡門的實驗”和“阿爾農的實驗”幾個關鍵資料，并通過文字闡述，最終呈現了光反應的過程。

對于光反應過程的探究離不開多位科學家的實驗，后人的實驗是對前人實驗結果的延續，同時由于技術手段的進步，光合作用的原理逐漸被人們探究清晰。因此利用這些實驗資料作為學習材料，進一步幫助學生養成分析、歸納、總結、概括的科學思維習慣。

本節課充分利用四組與探究光反應過程相關的實驗資料，以學生為主體，以問題為驅動，采用切塊拼接法的合作學習方式，通過探究資料間的內在聯系，引導學生逐步探索、建構光反應過程的模型，明確光反應過程的物質和能量變化。

二、教學過程

2.1 圖片導入、回憶舊知

教師展示《自然》雜志封面發表的我國科學家的成果——“菠菜主要捕光復合物（LHC-Ⅱ）”晶體結構照片，并簡介“菠菜主要捕光復合物（LHC-Ⅱ）”與植物光合作用的聯系及我國科學家在相關研究領域的突出成就，引導學生回憶光合作用的產物、原料、場所、條件以及光合作用的表達式。

設計意圖：利用與光合作用相關的科學進展吸引學生注意，引導學生回憶初中已經學過的與光合作用相關的知識，并且復雜的“主要捕光復合物”也幫助學生意識到光合作用的過程比在初中學過的知識要復雜，對深入探究光合作用的過程產生興趣。同時因為該成就是我國科學家取得的，在體會科研艱辛的同時，激發學生的民族自豪感。

2.2 引導設問，明確課題

教師介紹：據統計，全球綠色植物等生物體每年通過光合作用將太陽能轉化為22 000 億噸生物能源，相當于全球每年耗能的十倍。因此有效利用光合作用產生的生物能源將會在生產生活中創造價值。而“菠菜主要捕光復合物”是植物“高光效”（高效利用光能）研究的結構基礎，對能源的利用和新能源的開發均具有重要意義。引導學生思考光合作用具體是怎樣的過程，由此明確兩個核心問題：水和二氧化碳如何轉化成有機物和氧氣；葉綠體在將光能轉化為糖類中的化學能的過程中是什么結構在發揮作用。

設計意圖：通過具體的數據引導學生認同在生產生活中利用好光合作用的前提是明確光合作用的原理，明確本節課探究的兩個重要問題，產生探索興趣。

2.3 組織引導、發布任務

教師將準備好的學習資料分發給學生，四組資料分別為第一組：希爾反應；第二組：探究希爾反應場所的實驗；第三組：硫細菌的光合作用原料與產物；魯賓和卡門的實驗方法；第四組：類囊體膜上的電子傳遞示意圖。

教師簡介切塊拼接的合作學習方法，將全班40 名同學分為8 個合作小組，每個小組的5 名同學分別負責一個資料，稱為該資料的專家。整個活動分為四個階段：

第一階段：切塊活動。各位“專家”獨立探究材料。

第二階段：專家小組活動。每個小組研究同一個資料的同學形成一個“專家小組”，各“專家小組”針對于資料中的問題進行討論交流。

第三階段：拼接活動。每組的“專家”回到原來的小組，按照資料的順序進行分享交流，再結合思考問題進行交流討論。

第四階段：檢驗效果。教師結合各資料中的問題，形成每個資料的問題串，請小組同學進行匯報，檢驗每個小組的學習效果。

設計意圖：采用切塊活動，將材料分割，提高了學生閱讀資料的效率，并且資料的難易程度不同，每個同學都能參與思考，同時各個“專家”的討論可以再次激發個人的思考，加深對資料的理解；在拼接活動過程中，每個資料的負責同學向同組同學分享資料信息，分享結束后，每個小組都實現了各資料的拼接，每位同學都了解到了5 個信息的主要內容，并對相關思考形成了答案。

2.4 檢驗效果、探究原理

本階段，教師請學生進行匯報，對于第一組資料，學生需匯報如下問題：（1）離體的葉綠體在光照、有水、無二氧化碳的條件下會生成光合作用的哪種產物？（2）生成氧氣的反應具體發生在什么場所？（3）Fe3+在NADPH 的作用下被還原為Fe2+，說明NADPH 有什么性質？（4）光合作用中氧氣的產生與糖的產生是不是同一個反應？

學生匯報答案后，教師講解，實際上光合作用十分復雜，包括一系列化學反應，根據是否需要光，可將光合作用分為發生在類囊體薄膜的光反應階段和發生在葉綠基質的暗反應階段。同時教師提出問題：光合作用的最終產物氧氣中的氧元素全部來自于水嗎？

設計意圖：利用希爾反應的資料，引導學生整體認識光合作用是分階段進行的，并引導學生思考氧氣中的氧元素的來源以及類囊體上相關反應，激發學生的探索興趣。

對于第二組資料，學生需匯報如下問題：（1）硫細菌光合作用的產物S 來源于哪種物質？（2）你對于植物光合作用產生的氧氣中的氧元素來源有什么推測？（3）用什么科學方法對氧元素的來源進行追蹤？（4）利用同位素標記法進行實驗時選擇哪種元素的同位素？利用該種同位素標記哪些物質呢？

設計意圖：通過對硫細菌和綠色植物光合作用的原料與產物進行比較，學生可以類比分析，猜測綠色植物光合作用氧氣中氧元素的來源，學生通過對實驗進行設計，意識到科學探究要基于邏輯和實驗證據，為分析魯賓和卡門的實驗做鋪墊。

教師展示魯賓和卡門的實驗示意圖，并提問：該實驗的自變量和因變量是什么？學生基于對魯賓和卡門實驗目的的分析，明確自變量和因變量，并完成實驗記錄表。教師繼續提問：實驗結果有幾種情況？學生根據理解，對實驗結果進行預測。最后教師展示實驗結果，學生獲得實驗結論：氧氣中的氧元素來自于水。

設計意圖：在學生提出利用同位素標記法追蹤氧元素后，教師展示魯賓和卡門的經典實驗，通過對實驗目的、自變量和因變量的分析，幫助學生體會科學探究中的實驗設計思想和原則，并通過此實驗幫助學生理解科學研究是基于實驗證據進行的，最終明確氧氣中氧元素的來源。

教師引導過渡：水產生的同時，會不會有其他的物質和能量的變化呢？對于第三組資料，學生將對如下問題進行匯報：（1）根據阿爾農的實驗，水光解產生氧氣的過程中伴隨哪些物質產生？（2）NADP+反應生成NADPH 需要的H+，可能來自于哪里？（3）ADP 和Pi 形成ATP 過程需要能量，在光合作用中推測這部分能量歸根結底來自于哪里？學生經過匯報后，初步明確光反應中ATP 和NADPH 的產生過程。

設計意圖：聯系希爾反應資料，鼓勵學生進行推理、歸納，探究出H+的來源，從光合作用產生氧氣的宏觀表現出發，逐步探索光反應氧氣產生過程中伴隨的其他變化。

教師引導：水光解產生氧氣和H+，觀察思考還應該有什么變化才能讓水的光解反應平衡？學生通過觀察和思考可以明確還要有電子產生。教師展示葉綠體結構、類囊體結構及類囊體上的電子傳遞示意圖（如圖，見下頁），并展示問題：（1）在植物體內吸收光能的色素位于什么部位？（2）色素吸收光能后發生了什么反應？以此引導學生回憶葉綠體的結構并展示類囊體膜上的電子傳遞過程。教師繼續展示問題：（3）上述過程中的最終電子受體是哪種物質？（4）綜合對光反應的全部分析，在類囊體上發生了哪些物質變化？吸收的光能最終轉化成了什么形式的能量？

類囊體上的電子傳遞示意圖

設計意圖：將葉綠素離體和未離體情況對比分析，幫助學生理解類囊體上具有電子傳遞體系，最終明確NADPH 和ATP 的產生過程，完成對光合作用的光反應階段的物質和能量變化的探索。

2.5 總結

教師展示光合作用科學史圖片及科學進展圖片。

設計意圖：幫助學生了解光合作用的研究歷程，認同對光合作用的認識過程是逐步發展的，感受合作探究的高效性，認同科學研究離不開個人的努力和共同的合作。

三、教學反思

科學思維的表現形式是科學思維方法，即認識事物的本質及事物間關系需要一定的方法才能得出正確的結論。本節課，利用光合作用的經典實驗資料，采用切塊拼接法，通過獨立學習與合作學習相結合的方式來完成光反應過程的探究。通過四個階段的學生活動，充分發揮學生的自主探究意識，建立各資料間的聯系，在短時間內較高效率地利用教師所設置的由淺及深的問題串進行思考、歸納、推理并進行總結，最終完成光反應過程的探究。整個學習過程將學生的探究視角從光合作用的宏觀現象逐步深入到微觀原理，引導學生運用科學思維方法的同時也向學生滲透了物質與能量觀。

但是在教學過程中筆者也發現了本設計有待優化之處，如組織學生進行切塊拼接活動時每階段的時間安排、小組討論的效率以及信息衰減等問題。因此需要教師對所提供的學習材料進行精心選擇與組織，設置邏輯連貫的討論問題，同時也需要教師對學生的活動及回答進行及時的反饋，及時做出引導。