生物科學史的教學組織與應用策略
——以“光合作用的過程”為例

林建春 袁從容

（1.浙江省甌海中學 浙江溫州 325014）

（2.浙江省溫州市教師教育院 浙江溫州 325035）

科學史是科學發生和發展的歷史，揭示了科學理論的發展是一個動態過程，具有較高的科學教育價值。學習生物科學史能使學生沿著科學家探索生物世界的道路，理解科學的本質和科學研究的思路、方法，學習科學家獻身科學的精神，促成學生核心素養的發展?！镀胀ǜ咧猩飳W課程標準（2017年版2020年修訂）》在教學實施建議中也強調教師應充分利用科學史展開教學。

當前生物科學史教學存在以下問題：①羅列科學史，僅幫助學生認識科學研究歷史與動態，而缺乏科學探究的過程；②所選的科學史晦澀難懂，與當前學生的知識結構體系嚴重脫軌；③缺少主線聯系，學生難以整理出頭緒；④教學方式單一，僅利用科學史呈現信息，并期待學生得出預設的結論。為更好地發揮科學史的教學價值，下文以“光合作用的過程”為例，提出相關的教學組織與應用策略，為生物學教學提供參考。

1 精選科學史，構建科學史脈

與光合作用研究有關的科學史極多，許多學者也對此進行了羅列與整理。受課堂教學時間限制，教師不可能一一呈現所有的科學史以供學生進行分析。如何精選科學史成為了教學的關鍵點?！肮夂献饔玫倪^程”一節的教學重點是光反應與碳反應過程，即解決光合作用是怎么進行的問題。圍繞教學重點，教師可嘗試選取以下科學史（表1），形成一條科學史脈，從而幫助學生有序地構建科學概念。此外，需要注意的是，進行科學史教學或構建科學史脈時，教師不一定要按照科學研究的時間先后順序展開，而更應以邏輯分析為主線。

表1 “光合作用的過程”科學史教學分析

2 處理科學史，優化教學組織

科學史往往會涉及科學家巧妙的實驗設計、嚴謹的推理過程、精準的結果預測以及一些專業性術語。高中學生并未接觸過相關的實驗操作且所學知識有限，較難理解科學家的實驗原理、探究過程，尤其是基礎較為薄弱的學生。因此，在精選科學史的基礎上，教師還需對科學史進行優化處理，為進一步開展課堂中的科學探究提供條件。

2.1 圖文并茂，深入理解

以文字形式呈現科學史，雖然知識性強，但過多的文字資料不僅增加了學生閱讀和思考時間，在一定程度上也限制了學生思維的深度和探究的熱情。科學史呈現方式應豐富多彩，教師可以靈活結合聲音、影像、文字等多種形式，從而調動學生的多元智能，提高教學的有效性。以卡爾文的小球藻實驗為例，其實驗流程大致為：①供應14CO2給小球藻→②取樣并提取光合產物→③分離光合產物→④鑒定光合產物。若教師僅僅以文字形式呈現實驗流程，很難使學生對小球藻實驗有一個直觀、感性的認識。因此，教師可選擇適當的示意圖（圖1），或者尋找相關視頻，再配以簡短的文字說明，加強學生對實驗的理解。

2.2 合理組織，巧妙遷移

在優化科學史呈現方式的基礎上，教師應進一步合理組織教學內容，盡可能與學生已有的知識相聯系，從而引發學生知識的正遷移。例如，如進行卡爾文循環教學時，盡管實驗流程并不繁瑣（圖1），但能夠真正掌握每一步實驗操作的目的，對于學生而言仍具有一定難度。尤其是對其中兩大關鍵步驟，學生難以理解將藻類置于酒精中的原因以及雙向紙層析的目的。教師如果能夠合理地將“光合色素的提取與分離”實驗步驟在此處進行正遷移，有利于學生理解卡爾文小球藻實驗步驟。在“光合色素的提取與分離”實驗原理中提到，光合色素是一類有機物，因此根據相似相溶原理采用乙醇進行提取，根據不同色素在層析液中溶解度不同，采用紙層析的方式進行分離。同樣，CO2在光合作用中轉變成的一系列碳水化合物，也都屬于有機物，也可以采用乙醇進行提取并利用紙層析進行分離。表2整理了“光合作用的過程”可能引發學生學習正遷移的例子及相關教學策略。

表2 “光合作用的過程”知識遷移

3 應用科學史，落實核心素養

3.1 以科學探究的一般流程開展教學

科學探究的一般流程包括：觀察現象→提出問題→做出假設→實驗驗證→得出結論?？茖W史教學也可以以科學探究的一般流程展開教學，有利于學生置身科學探究情境，參與科學研究。但需要說明的是，受限于課堂教學的時間與場所，以科學探究的一般流程組織教學時，不可能所有的“實驗驗證”都由學生親自動手參與，教師可利用相關的科學史或資料進行替代。以“O2的來源有哪些可能？”為例，依據科學探究的一般流程展開教學（表3），比純粹地用科學史講解分析，更能激發學生的參與感。

表3 以科學探究的一般流程組織教學

3.2 安排學生實驗操作或進行演示實驗

以科學史為主線進行教學時，往往會出現純粹分析科學史的現象，使得學生獲取知識方式較為單一，容易出現思維疲勞。因此，教師可以適當地在科學史教學中開展或進行演示實驗，增強學生的科學史探究興趣。

在“光合作用的過程”教學中，教師可通過查閱相關文獻或資料，嘗試開展與希爾反應有關的學生實驗或演示實驗。希爾反應實驗操作簡單、實驗現象明顯，即將黑暗中制備的離體葉綠體加到含有DCIP（氧化型）、蔗糖和pH 7.3磷酸緩沖液的溶液中并加以光照。水在光照下被分解產生O2等物質，并將溶液中的DCIP被還原使得溶液顏色由藍色變成無色。該實驗完全可以在課堂中開展，通過學生親自操作或教師演示，幫助學生在體驗科學探究一般流程的過程中深入理解光反應所發生的物質變化。

3.3 自主構建概念圖，形成概念體系

科學家進行科學探究的結果可能會發現一些新的規律、學說、理論體系等。在生物學教學中進行科學探究的最終結果應能構建出一個模型，如物理模型、數學模型和概念模型。傳統教學中，教師常常會利用科學史，通過逐步講解從而分步構建概念模型。盡管這樣的教學模式也充分利用了科學史，但缺乏學生自主構建概念模型的意識。

在“光合作用的過程”教學中，最重要的是引導學生利用科學史，自主、逐步構建概念模型。以構建“光反應概念模型”為例，教師可提供相關問題要求學生探討：①根據雅根多夫的類囊體實驗，請推測水的裂解發生在類囊體囊腔還是囊腔外側？為什么？②結合有氧呼吸電子傳遞鏈階段，光反應中ATP是如何合成？③NADP+與H+、e-結合形成NADPH，這一步驟發生在類囊體膜的內側還是外側？上述3個問題的探討能夠幫助學生自主構建光反應概念模型?？栁难h以及整個光合作用的概念模型都可以同樣的方式構建（圖2）。

3.4 滲透科學本質與社會責任

科學史教學被認為是幫助學生理解科學本質的有效途徑之一。教師可根據教學實際將科學史與教學內容結合在一起，沿循真實的科學探究過程，在凸顯科學家如何發現、思考、解決問題的教學中滲透科學本質。在卡爾文小球藻實驗中，關于實驗材料的選擇、實驗方法的創新體現了科學實驗的成功離不開恰當地選取實驗對象與方案，學生可從中體會“科學是一項創造性的工作”。通過科學家對O2來源問題的探討與不斷深化研究，學生可明確“科學知識可能隨著研究的深入而改變”。通過希爾、雅根多夫的類囊體等實驗，教師可進一步滲透“科學工作依賴觀察和推論”“科學工作采用基于實證的范式”等科學本質。在整個光合作用科學史探究過程中，教師應幫助學生認識到光合作用過程的發現是多位科學家持之以恒、共同努力的結果。

此外，科學史上大量的科學研究案例與科學家故事，是培養學生社會責任的良好素材。教學中，教師可以向學生展示科學家不拘泥于傳統理論與觀點、不迷信權威、積極思考、勇于質疑、專注于研究問題等特質。例如，自1945年起，卡爾文及其同事用了近10年時間，消耗了5 t濾紙才研究清楚碳反應中有關物質轉化過程。合理利用科學史組織教學能以鮮活的研究案例，培養學生求真態度、堅強毅力以及科學精神，激發學生刻苦鉆研的決心，并樹立起一定的社會責任意識。