例談運用生物科學史提升學生綜合素質的實踐研究

呂國裕

摘? ?要：以人教版（2019年）光合作用原理和應用科學史為例，例談運用生物科學史創設情境，利用生物科學史培養學生發展的核心素養，實踐生物科學史提升學生綜合素質。

關鍵詞：生物科學史;核心素養;綜合素質

綜合素質是指一個人的知識水平、道德修養、適應社會生存和發展的各種必備能力等多方面的綜合素養。綜合素質的提升要落實到每一節課的教育教學活動中，學生核心素養是學生綜合素質的重要組成部分。在生物課堂教學中，運用生物科學史教學，可以發展核心素養，從而提高學生的整體素質。下面以人教版（2019年）光合作用原理科學史為例，例談運用生物科學史提升學生綜合素質的實踐。

1? 運用生物科學史創設適宜的教學情境

情境教學是核心素養實施、綜合素質提升的有效教學模式。生物學科的教學情境分為學習和生活情境、實驗探究情境和生物科學史情境[ 1 ]。生物科學史情境可以為學生創設真實的問題情境，為學生解決真實問題而引發思考，了解其相關的科學知識，解釋其科學現象，學習其蘊含的科學精神及科學家的科學態度，開啟學習科學本質的旅程。

我校有一塊用于學生實踐的生物園地，種植各種蔬菜，教師帶領學生到菜園參觀，實地考查蔬菜生長狀況，引發學生思考：如何生產出綠色環保、有機、高產蔬菜？請利用光合作用的探索歷程所學知識解決問題。

分析：學生回顧初中生物所學光合作用的概念及反應式，了解光合作用的反應物、產物以及反應的條件，但不了解光合作用發現的全部科學史及其詳細過程。期盼解決光合作用如何將光能轉化為化學能？釋放的氧氣中的氧元素的來源是水還是二氧化碳？ 影響光合作用因素有哪些等系列問題。

2? 利用生物科學史培養學生的核心素養

學生參觀生物園地回到班級后，以研究性小組為單位利用網絡查找文獻，收集光合作用相關科學史資料，整理資料做成PPT，學生代表上臺講解光合作用科學史。這有利于培養學生查找文獻、獲取信息能力，比教師直接給出資料進行分析好。除了教材中提供的光合作用發現歷程素材外，著重介紹補充如下資料。

資料1：希爾反應。

學生代表多媒體展示希爾反應資料。在光照條件下，綠色植物的葉綠體裂解水，釋放氧氣并還原電子受體的反應。

學生質疑：希爾的實驗說明水的光解釋放氧氣，氧氣中的氧元素全部來源于水嗎？

學生代表陳述：當時許多科學家對水的光解產生的氧氣中氧元素的來源說法不一，有些人認為來源于水，有些認為來源于二氧化碳。

教師：如果你是當時的科學家，你將怎樣設計實驗證明氧元素的來源？如何根據實驗結果說明氧元素的來源？

學生思考討論并回答：運用同位素示蹤法，可以用18O對水和二氧化碳進行標記，得到H218O和C18O2，實驗分為兩組，第一組提供H218O和C16O2，第二組提供H216O和C18O2。若第一組放出的是18O2，第二組放出的是16O2，說明氧元素只來源于H2O;若第一組放出的是16O2，第二組放出的是18O2，說明氧元素只來源于CO2[ 2 ]。

學生設計實驗并動手操作：根據討論結果，選擇實驗器具，設計實驗，動手驗證。沒有條件的學校，可以設計相應的模擬動畫。

分析：通過分析科學史資料，培養學生歸納與概括能力，通過讓學生設計實驗預測結果，培養學生演繹和推理能力，同時提高了學生設計實驗、動手實踐能力。

資料2： 補充希爾實驗。

學生代表展示資料：希爾發現，含有葉綠體的提取液，在光和氫受體（能與氫離子結合）同時存在的條件下，會發生以下反應：2H2O+2A→2H2A+O2，A是人工氫受體，氧化型的青綠色染料被H+還原成無色。在葉綠體提取液中加入這種染料，在有光照、無二氧化碳的條件下發現原本呈青綠色的提取液變成淡綠色，并且釋放氧氣;在無光照、無二氧化碳的條件下提取液顏色不變，也不釋放氧氣;提供二氧化碳給照過光再轉移到黑暗處的葉綠體提取液，發現有糖合成[ 2 ]。

學生代表：氧氣的產生和二氧化碳的利用是否都需要光照？

其他學生：氧氣的產生需要光照而二氧化碳利用不需要。

教師：引入光反應和暗反應的概念，歸納光反應需要的條件。

學生代表：根據資料，水光解產生氧氣的同時還產生什么物質？

其他學生討論并回答：還產生H+。

分析：通過提問的方式引導學生逐步分析資料，培養他們歸納與概括的科學思維能力。希爾反應證明了光合作用的主要場所在葉綠體;植物放出的氧氣是水在光照下被分解和氧化，水的光解與C3的還原可單獨進行，分為光反應和暗反應兩個階段;在光反應階段水起到供氫體和電子供體的雙重作用。

追問：ATP生成一定需要光照嗎？暗反應與光反應有聯系嗎？

資料3：阿爾農實驗。

學生代表多媒體展示證據： 1954年，美國科學家阿爾農以離體的葉綠體為實驗對象，不供應二氧化碳，提供光照和ADP和Pi，結果有ATP生成;但在黑暗條件下則不生成ATP。

分析：通過科學史，為主張尋找證據。通過阿爾農對照實驗，證明ATP生成需要光照。

追問：用什么方法研究暗反應中二氧化碳是如何轉變成有機物的？

學生：同位素標記法。

資料4：卡爾文實驗。

學生代表多媒體展示卡爾文實驗資料，嘗試構建碳循環途徑模型。利用14CO2、葉綠體提取液、光照進行實驗，光照時間極短時，放射性主要在C3中;光照時間延長到30 s時，在C3、C5和糖類中都能檢測到放射性。

學生：構建碳循環模型。

14CO2→C3→C3、C5和糖類。

質疑：構建的模型沒有體現碳循環？碳循環模型是否科學完美？

資料5：補充卡爾文實驗。

學生代表多媒體展示科學史補充資料，完善碳循環途徑模型。卡爾文和同事發現在光照和二氧化碳供應穩定，C3和C5的濃度保持相對穩定;若光照不變，二氧化碳停止供給，則C3濃度降低、C5濃度升高;若二氧化碳濃度不變，停止光照，則C3濃度升高、C5濃度降低。

學生：修改完善模型，如圖1。

光→

分析：通過讓學生分析資料并回答相關問題，讓學生在原來的基礎上修改模型，培養學生的批判性思維和模型與建模能力。

應用：運用光合作用原理模型，預測植物氣孔關閉會影響植物光合作用強度等生命現象。

資料6：補充光合“午睡”科學史。

20世紀初發現植物在中午進行光合作用的速率最低的“午睡”現象。原因是夏季中午溫度較高，為了防止蒸騰作用過強造成水分流失嚴重，植物氣孔關閉，進入植物葉片內的二氧化碳的量減少，其固定速率變慢，C3還原速率也變慢，光合作用強度減弱停滯[ 2 ]。

分析：植物光合作用強度不是隨溫度升高而增強。植物是復雜的生命系統，在長期進化過程中，產生了自我保護的生存機制，在溫度較高的中午進行“午睡”。學生利用所學知識，用批判性眼光理解生命現象。

3? 實踐生物科學史提升學生綜合素質

學生學完了光合作用的原理后，利用工程學、數學、美學等對科學史的知識進行實踐研究。利用學校的菜地，研究制作溫室小棚提高蔬菜的產量，生產出綠色有機蔬菜。

研究性學習小組現場勘察后設計圖紙，網上購買所需材料（燈光、薄膜、竹片或PVC管、鋼鋸、定時澆水器、滴管、黑地膜、二氧化碳產生器、有機肥等），施工管理，設計實驗，結果分析，得出結論。學生根據不同的角度，設計出不同的對照實驗，得出結論主要有：紅光和藍紫光對光合作用強度作用最大;適宜溫度和二氧化碳濃度時光合作用強度最大;有機肥效果比化肥好，土壤不宜板結;黑地膜能有效除草，減少雜草影響蔬菜的光合作用強度;使用定時澆水器和滴管宜于管理，促進蔬菜光合作用速率;使用溫室小棚便于控制蔬菜適宜生長的溫度等。

分析：運用生物科學史的知識遷移，解決生產生活真實的問題，進行STEM實踐教育，增強了社會責任感，提高了學生核心素養，從而提高學生綜合素質。

利用科學史引導學生對光合作用步步深入理解其發現過程，關注物質和能量的變化，理解結構與功能觀。同時，通過鼓勵設計實驗，推測結果，嘗試構建概念模型，應用知識解決問題。學生綜合素質的提升關乎國家的未來，國家整體競爭力的提升需要高素質公民。綜合素質的提升是一個長期工程，需要各學科整體貫徹，化整為零，學科課堂浸潤，滋養學生的素養。綜合素質的提升方法多種、渠道多樣，生物科學史教學僅是其中一種嘗試。

參考文獻：

[1]教育部考試中心.中國高考評價體系[S].北京：人民教育出版社，2019.

[2]馮慧婷.運用生物科學史培養學生科學思維的實踐研究[D].福州：福建師范大學，2020.