基于科學史發展科學思維和科學探究能力的教學設計

姜平

摘要在“光合作用將光能轉化成化學能”（第2課時）教學中，創設情境，精選科學史并合理重組，精心設問，逐步探究，從而生成知識，發展學生的科學思維和科學探究能力，提升生物學學科核心素養。

關鍵詞 光合作用 科學思維 科學探究

中圖分類號G633. 91文獻標志碼B

1教材分析

“光合作用將光能轉化成化學能”是2019年版浙科版高中生物學《必修1·分子與細胞》第三章“細胞的代謝”第五節的內容，共3個課時。本節課為第2課時，主要內容包括光合作用光反應和碳反應的過程，教材中相關內容的介紹非常簡潔，均是結論性語句，即直接呈現科學家研究的最終結果，缺乏對科學家研究過程的介紹，不利于學生理解知識的生成。而光合作用的過程歷經多位科學家數百年的研究逐漸揭曉，這些科學探究史是知識如何生成的客觀載體，也是培養學生科學思維和科學探究能力的良好素材。教師精選科學史，合理重組，讓學生在體驗科學家的探究歷程中逐步生成知識，在分析與思考中發展生物學學科核心素養。

2教學目標

①通過分析科學史、小組討論和觀看動畫，闡明光反應的物質變化和能量變化，初步形成物質和能量觀，提高推理的科學思維能力，提高分析實驗過程與結果的科學探究能力，感悟科學家勇于創新的科學精神。

②通過分析科學史、小組討論和閱讀教材，闡明碳反應的物質變化和能量變化，進一步形成物質和能量觀，初步形成穩態與平衡觀，提高推理和歸納以及構建模型的科學思維能力。

③通過小組合作構建光合作用過程的概念模型，闡明光合作用的完整過程，說明光反應與碳反應的區別和聯系，提高構建模型的科學思維能力。

④通過創設超級雜交稻的情境，提升用生物學規律解釋生產實踐中問題的社會責任感。

3教學過程

3.1視頻導入，創設情境

教師播放“第三代雜交稻有兩個‘超級’”視頻，創設情境：第三代雜交稻的兩個超級之處是超大稻穗和顆粒更大更飽滿，所以超高產。水稻的超高產是以獲取高生物學產量為前提，而作物生物學產量的90%～ 95%來自光合產物。雜交水稻如何進行光合作用，制造光合產物呢？

3.2重組科學史，逐步深入探究光反應

教師精選和重組科學史，引導學生分3步探究光反應中的物質變化和能量變化。

3.2.1探究1——光合作用產生O2的來源

教師展示光合作用的總反應式。學生利用頭腦風暴法，探究“光合作用的產物之一——氧氣的來源”的思路。學生首先聯想到同位素示蹤法，提出思路①：用18O分別標記H2O和CO2，進行光合作用，檢測哪一組能產生18O2。教師展示資料：1941年，美國科學家魯賓和卡門利用18O標記的CO2和H2O進行實驗。實驗過程和結果如圖1所示。并提出問題：該實驗的實驗結論是什么？依據是什么？

學生提出思路②：分別提供有H2O無CO2或無H2O有CO2的條件，進行光合作用，檢測哪一組能產生O2。教師展示資料：1937年，英國植物學家希爾發現，在離體葉綠體的懸浮液中，懸浮液中有H2O無CO2，加入鐵鹽（含Fe3+），給予光照，結果發現有O2產生，Fe3+被還原成Fe2+。并提出問題：水裂解的產物是什么？

3.2.2探究2——H2O裂解產生的H+去向

教師展示資料：1954年，美國科學家阿爾農在無CO2條件下，給離體的葉綠體照光時發現，當向反應體系中加入ADP、Pi和NADP+時，會生成ATP和NADPH。他后來還發現這一過程總是與水的裂解相伴隨。并要求學生寫出產生ATP和NADPH的反應式。學生派代表展示書寫結果，由其他學生評價。

3.2.3探究3——合成ATP的能量的來源

教師展示資料：1963年，賈格道夫等科學家在黑暗條件下利用離體的葉綠體類囊體進行了如圖2所示的實驗，一段時間后有ATP產生。

教師提出問題：第三個錐形瓶中類囊體內什么物質的濃度比類囊體外高？在學生回答出“H+”后，教師組織學生圍繞三個問題進行小組討論：①黑暗中類囊體合成ATP的能量從哪里來？②在黑暗中進行的目的是什么？③猜想自然光照下合成ATP的原因是什么？在學生討論、分析后，教師展示化學滲透假說：1961年，米切爾提出光照引起水的裂解，釋放的H+留在類囊體腔中。類囊體膜內側的H+濃度高于外側，當H+順濃度梯度返回膜外側時，ATP合成酶催化ADP和Pi合成ATP。并提出問題：米切爾和賈格道夫為ATP的形成機制均作出了巨大貢獻，誰最終獲得了諾貝爾獎？

因探究3難度較大，教師先通過設問“類囊體內什么物質的濃度比類囊體外高”，給學生后續討論提供“腳手架”，再通過層層遞進的3個問題的討論來突破難點，引導學生推理出自然光照下合成ATP的原因，初步形成物質與能量觀，提高推理的科學思維能力。然后，再展示化學滲透假說，印證學生的推理，讓學生感悟科學家的研究歷程——先提出假說，再設計實驗驗證假說。學生思考“諾貝爾獎頒給了哪位科學家”，感悟科學家勇于創新的科學精神。

3.2.4小結光反應，過渡到碳反應

教師播放自制的光反應動畫過程，引導學生總結光反應，使學生明確：在類囊體膜上發生的水的裂解、ATP的形成和NADPH的形成這三個重要的反應都需要光直接參加，稱為光反應。

教師展示資料：阿爾農在黑暗條件下給離體葉綠體提供CO2、ATP和NADPH，葉綠體就能將CO2轉變為糖，同時ATP和NADPH的含量急劇減少。并提出問題：該實驗說明ATP和NADPH被用于什么過程？

3.3結合科學史和教材，由簡入深探究碳反應

教師引導學生分析科學史，生成卡爾文循環的簡圖，再分析教材，深入理解卡爾文循環。

3.3.1探究4——糖是如何逐步生成的？

教師展示資料：卡爾文給小球藻提供14CO2和充足的光照，每隔一定時間取出部分小球藻并立即殺死，將小球藻中的標記化合物提取出來并分離，實驗結果見表1。并提出問題：CO2轉化成的第一個產物是什么？接著形成了什么產物？

教師展示資料：卡爾文及其同事發現突然停止CO2供應和恢復CO2供應時C3和C5呈現規律性變化，結果如圖3所示。并提出問題：CO2與什么物質發生反應生成第一個產物？

然后，教師組織小組討論：結合這兩則資料，用箭頭表示出C在CO2、C3、C5、C6中的轉移路徑。

3.3.2合理利用教材，深化碳反應

教師指導學生閱讀教材有關碳反應的文字和圖示，思考：①C5指什么物質？C3包括哪些物質？②NADPH和ATP來自哪里？它們的作用分別是什么？③還原生成的三碳糖的去向是什么？

學生閱讀課本，在小組討論構建的簡圖基礎上完善碳元素在碳反應中的精確轉移路徑。針對“CO2的固定”“三碳酸的還原”和“五碳糖的再生”碳反應步驟，教師各設置一個問題，幫助學生深化理解完整的卡爾文循環過程，滲透物質與能量觀：伴隨著物質變化，ATP和NADPH中的能量轉移到了有機物中穩定的化學能。因為循環的存在，三碳酸和五碳糖的含量處于動態平衡之中，滲透穩態與平衡觀。

3.4構建模型，總結課堂

教師請學生利用提供的CO2、H2O、O2、ATP、ADP、Pi、NADP+、NADPH、五碳糖、三碳酸、三碳糖、葡萄糖等物質，通過小組合作的方式在葉綠體模型中構建光合作用過程的概念模型。通過交流和學生點評，學生最終形成的概念模型如圖4所示。教師引導總結光合作用的物質變化和能量變化，并引發學生思考：光反應為碳反應提供了什么？碳反應為光反應提供了什么？

3.5回歸情境，理論解釋現象

教師回歸超級雜交稻情境，提升學生的社會責任素養：研究表明，超級雜交稻葉綠素含量比普通水稻高22.90%，并且其光能吸收、傳遞及轉化為電能的效率較高，將電能轉化為活躍化學能的能力強；Rubisco酶（催化CO2的固定）活性強；葉片光合功能期長；還具有生育后期光合面積大、葉綠素含量下降慢等特點。并提出問題：從以上信息可知，①超級雜交稻的哪些特點增強了光反應？哪些特點增強了碳反應？②哪些因素決定了超級雜交稻的高產特點？最后，教師帶領學生緬懷科學家，感悟社會責任：2021年5月22日，“雜交水稻之父”袁隆平與世長辭。袁爺爺雖然走了，但被稱為“東方魔稻”的雜交水稻會一直長留。

4教學反思

生物學學科核心素養所涵蓋的生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任四個方面的基本要求，需要通過每節課或每項活動來逐步培養形成。本節課創設了超級雜交稻的情境，精選光合作用過程研究的科學史，合理重組，精心設問，逐步探究，促進學生由淺入深地生成知識，自主構建知識體系，形成物質與能量觀、穩態與平衡觀，提高推理和歸納以及構建模型的科學思維能力，提高分析實驗過程與結果的科學探究能力，感悟科學家勇于創新的科學精神，提升用生物學規律解釋生產實踐中問題的社會責任素養。