基于論證式教學策略的生物科學史教學案例設計
——以“光反應和碳反應的探究歷程”為例

葉云祥

（云和縣教育發展中心 浙江麗水 323000）

1 問題的提出

1958年，英國哲學家圖爾敏在《論證的運用》中提出了經典的圖爾敏論證模型。20世紀90年代開始，“知識推理”和“論證”被引入課堂，論證式教學由此誕生。作為新時期科學教育的重點，論證教學可以幫助學生嘗試著經歷類似科學家的辯駁過程，提高教學方式的多樣性和高效性。在高中生物學教學中，科學史是論證式教學的重要載體，科學史對學生知識掌握以及能力培養有重要價值，能夠幫助學生理解知識蘊藏的科學思維與科學研究方法，實現知識與能力的雙向發展。

下文以“光反應和碳反應的探究歷程”相關科學史為主線，構建論證式教學模型，并探究論證式教學模式如何在課堂教學中激發學生對光合作用內在機制的主動探究與理性思考，發展學生的科學思維。

2 科學發展史論證式教學的前期準備

概念的構建過程往往就是探究的過程。學生無法通過直接的實驗探究獲得有些概念，需要教師提供更多可靠的事實性材料，兼顧結論和過程方法，引導學生自主建構概念。

2.1 科學發展史精選原則

基于論證式教學策略的科學發展史研究，需秉承以下3個原則，準確、全面繼而精選相關科學史內容。

①關注發展歷程原則。教師要明確重要的不是使所有學生都能得出標準答案，而是學生都能從一個科學史實出發，體會科學家不斷質疑、推理、論證、重構的過程。

②循序漸進原則。教師重在引導學生對科學史作出理性的評價與分析。

③價值優先原則。科學史能給學生多方面啟迪，而并非只是單純地呈現歷史事件。

2.2 建構論證式教學模型

論證式教學策略實質就是將科學論證引入到課堂教學中，使學生經歷科學家類似的論證實踐活動，讓學生在資料分析中得出主張，在質疑和反駁中探究問題。“圖爾敏模型”是目前論證式教學中研究者常用的模型，下文參考“圖爾敏模型”來進行論證教學。

該模型包括資料、主張、根據、支援、限制條件、反駁六個要素（圖1）。資料、主張和根據是論證模型的核心成分，是圖爾敏模型的基本模式，可組成一個簡單的論證，在圖1中以虛線框突出顯示。在基本模式上增加擴展要素——支援、限制條件、反駁，就形成了涵括六要素的完整模式。

圖1 圖爾敏論證模型

根據以上模型，本研究將基于論證式教學策略的生物科學史教學的一般流程設計為三個階段：

①創設情境。教師創設情境，以生物學中的某一現象或者問題導入，引導學生體驗科學家的探索過程，促進學生發現和提出問題。

②分析資料、提出主張、修正主張。在這一階段，教師注重引導學生從科學史素材當中提取并形成自己的主張并修正。主張指一個觀點或斷言，教師提供的科學史即為資料，是提出主張所依據的最基本的事實，是主張的出發點。

③尋找論據、質疑辯駁、完善主張。本階段中，教師注重學生的相互討論，引導學生敢于質疑、提出質疑是關鍵。科學論證是科學領域內對知識或觀點產生的詮釋及說服他人接受該知識或觀點的過程。各持己見的雙方于活動中基于贊同或反對的角度提出主張、使用證據為自己的觀點辯護和證偽。如何尋找論據再反駁，從而支撐自己的觀點是高水平科學思維的體現。在科學史教學中，科學規律、自然現象等都可以作為論據進行反駁和再反駁。最終，學生可以在質疑和辯駁過程中，不斷完善主張。

3 教學案例設計

3.1 教學分析

“光合作用的探究歷程”是浙科版《必修1·分子與細胞》第三章第五節“光合作用”的內容。光反應和碳反應的探究歷程涉及多個經典科學實驗，蘊含了科學家豐富的創造性思維和實證思想，是培養學生科學精神、科學思維和科學探究方法的經典素材，能夠為今后學生科學實驗探究奠定良好的基礎，也為學習光合作用的原理和過程模型的構建做好鋪墊。

高一學生已具備與光合作用有關的生活經驗，在之前的學習中已掌握酶、ATP、細胞呼吸、葉綠體的結構與功能等背景知識。同時，學生剛學習過細胞學說的建立史、酶的發現史等科學史，對科學史和科學探究過程有了一定的認識。學生也已具備一定提取信息、分析和解決問題的能力。實施論證式教學是可行的。

3.2 教學目標

①通過對葉綠體結構、光合作用原理的學習，形成一定的結構與功能觀；通過建立“光反應”與“碳反應”的聯系，形成物質與能量觀。

②通過科學史揭示光合作用的歷程，經歷發現問題、提出主張、尋找論據、質疑辯駁、完善主張的科學家探究歷程，培養科學思維。

③通過對科學家實驗思路的解讀以及科學實驗方法的學習，培養科學探究的能力。

④通過對光合作用解決實際生產生活問題的學習，認識到生物科學的價值，關心科學技術的發展和社會生活，形成保護環境意識。

3.3 教學重難點

教學重點：了解科學研究的基本方法；構建光反應與碳反應模型。

教學難點：進入科學家角色，對光合作用發現過程中的經典實驗進行分析，領會實驗設計思想和方法。

3.4 設計思路

3.4.1 光反應和碳反應的發現的過程

（1）創設情境。

教師展示：綠葉海天牛的圖片，并提問：綠葉海天牛為什么呈現綠色？光合作用一定要在光下進行嗎？

（2）分析資料、提出主張、修正主張。

教師提供資料：1771年，英國科學家普利斯特利證實：植物可以更新因蠟燭燃燒或小白鼠呼吸而變得污濁的空氣。1779年，英格豪斯發現，只有在光照下“植物更新空氣”才能成功。在教師引導下，學生小組合作，分析資料、提出主張：光照是進行光合作用的條件。

在此基礎上，教師提供資料2：20世紀初，英國的布萊克曼、德國的瓦伯格等人在研究光強、溫度和CO2濃度對光合作用影響時發現，在弱光下增加光強能提高光合速率，但當光強增加到一定值時，再增加光強則不再提高光合速率。這時要提高溫度或CO2濃度才能提高光合速率。根據資料，學生通過小組討論，提出質疑：光合作用可能存在不需要光而依賴的階段。

（3）尋找論據、質疑辯駁、完善主張。

教師再次提供資料3：布萊克曼和瓦伯格接著用藻類進行“間歇光”實驗。在光能量相同的前提下，一種用連續光照（10 min），另一種用間歇光照（5 s光照，5 s黑暗，共20 min），發現后者光合作用總產量遠高于前者，且光暗交替處理的頻率越高、產物越多。教師引導學生思考：照射相同時間，為什么間歇光組會比連續光照組的產量高出許多？這說明了什么？學生分析材料，討論后發現：相同時間內，給予5 s黑暗仍能進行光合作用，意味著光合作用有需要光和不需要光兩個階段。而光暗交替處理的頻率越高、產物越多，說明失去光照支持時，光合作用不能維持太長的時間。因此，暗反應需要光反應提供某種物質或者能量支持。

3.4.2 光反應和碳反應之間的物質、能量關系

（1）創設情境。

教師提問：光合作用中光反應和暗反應存在著何種物質或能量的聯系呢？

（2）分析資料、提出主張、修正主張。

教師提供資料4：1937年，英國劍橋大學的希爾將葉綠體從植物中分離出來，加到具有氫受體的水溶液中，在無CO2的條件下給予光照，發現葉綠體中有O2放出。并引導學生思考：葉綠體釋放的O2和CO2有無直接關系？學生分析資料、提出主張：無直接關系，但存在著某種氫受體即能放出O2。

教師提供資料5：許多物質如2，4-二氯酚靚酚、苯醌、NADP+、NAD+等都能作為希爾反應的電子受體，但在高等植物體內，天然存在的受體只有NADP+。1954年，美國科學家阿爾農用離體的葉綠體做實驗，同樣無二氧化碳在給葉綠體照光時發現。當向反應體系中供給ADP、Pi和NADP+時，會有ATP和NADPH產生。學生在教師引導下得出結論：該體系最終產生了ATP、NADPH。

（3）尋找論據、質疑辯駁、完善主張。

學生提出質疑：產生的ATP、NADPH有什么作用？據此，教師提供資料6：阿爾農繼續用離體葉綠體做實驗，發現在黑暗條件下，只要供給CO2、ATP和NADPH，葉綠體就能將CO2轉變為糖，ATP和NADPH含量急劇下降。學生依據資料，得出結論：光反應為碳反應提供了ATP和NADPH。

3.4.3 碳反應中的碳同化路徑

（1）創設情境。

教師提出問題：光合作用是如何吸收CO2轉化為有機物的呢？

（2）分析資料、提出主張、修正主張。

教師提供資料7：卡爾文團隊用14C標記了CO2，反應30s后，發現產生了C3、C4、C5、C6、C7等一系列物質具有放射性的物質。將光照時間逐漸縮短至幾分之一秒時發現，90%的放射性出現在一種三碳化合物（C3）中。在光照5s后，卡爾文同時檢測到了含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖（C6）。學生通過分析放射性出現的位置，推測出碳同化過程中存在著相對復雜的物質轉化。將時間縮短以后，放射性首先出現在了C3中，隨后出現在C5和C6當中。據此，學生分析碳同化的路徑為：CO2→C3→C5、C6。

（3）尋找論據、質疑辯駁、完善主張。

學生提出質疑：生成的C5和C6會去哪里呢？教師提供資料8：當停止CO2供應時，C3的濃度急速降低，C5的濃度急速升高；停止光照時，C3增加，C5和葡萄糖同步減少。并提問：外界條件改變時，C3、C5和葡萄糖的含量變化說明了什么？學生分析資料，通過質疑和辯駁發現：當停止CO2供應時，C3和C5的濃度變化說明C5能夠幫助CO2固定形成C3；停止光照時，C3增加，C5和葡萄糖同步減少，說明C3在光反應提供物質、能量支持下能夠還原出C5和葡萄糖。據此，學生完善主張，得出結論：C5+CO2→2C3；2C3→C5+（CH2O）。

3.4.4 構建光反應碳反應模型，得出結論

最后，教師組織課堂活動，為學生提供標注“H2O”“O2”“氫”“NADPH”“ATP”“C3”“C5”“C6”“CH2O”的物質卡片，要求學生合作構建出光合作用過程模型：①根據卡爾文等科學家揭示光合作用的科學歷程和結果，推測大致過程。②以小組為單位合作探究，每小組確定一位中心發言人，構建反應過程模型。

4 教學總結

本節課主要運用相關的科學史資料，引導學生提出質疑、論證探究，領略科學家在研究過程中的科學思維和探究精神，體會科學探究的一般過程。課上，教師為學生提供了充足的自主探討空間，目標不在于得出標準答案，而在于引導學生體會提出質疑、修正主張、得出結論的過程，發展學生在真實情境中發現和提出問題、分析和解決問題的核心素養。