張 超（北京師范大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué) 北京 100032）

物質(zhì)與能量是生命得以生存與延續(xù)的重要基礎(chǔ)，物質(zhì)與能量觀更是中學(xué)生物學(xué)教育要向?qū)W生滲透和闡釋的一個(gè)重要觀念。運(yùn)用“物質(zhì)與能量”這一生命觀念幫助學(xué)生從生命本質(zhì)的角度理解“光合作用”的價(jià)值，對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)本部分知識(shí)至關(guān)重要。

科學(xué)思維是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問(wèn)題的思維習(xí)慣和能力。學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展并非是一蹴而就的，需要學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中逐步發(fā)展。教師應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)恼n題，提供生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)，促進(jìn)學(xué)生針對(duì)科學(xué)事實(shí)和證據(jù)，運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等多種方法，從不同角度進(jìn)行探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會(huì)議題，幫助學(xué)生建立科學(xué)思維意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。“光合作用”課題恰好是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的重要載體，本課旨在針對(duì)光合作用“利用光能，以二氧化碳和水為原料合成有機(jī)物并釋放氧氣”的科學(xué)事實(shí)，通過(guò)教師的有效引導(dǎo)，幫助學(xué)生從物質(zhì)、能量、條件等不同角度充分認(rèn)識(shí)有關(guān)光合作用的科學(xué)知識(shí)，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

1 以呼吸作用為切入點(diǎn)，引發(fā)學(xué)生關(guān)注光合作用的物質(zhì)與能量變化

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧作為異化作用實(shí)例的呼吸作用的以下相關(guān)問(wèn)題：1）呼吸作用的物質(zhì)變化實(shí)質(zhì)：將有機(jī)物氧化分解；2）呼吸作用的能量變化實(shí)質(zhì)：將有機(jī)物中的化學(xué)能進(jìn)行釋放，其中一部分轉(zhuǎn)化成為ATP 中活躍的化學(xué)能，一部分以熱能的形式散失；3）呼吸作用的場(chǎng)所：有氧呼吸的場(chǎng)所為細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)與線粒體；無(wú)氧呼吸的場(chǎng)所為細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)。以上述復(fù)習(xí)回顧為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生思考：作為同化作用實(shí)例的光合作用其物質(zhì)變化與能量變化的實(shí)質(zhì)。

學(xué)生在初中時(shí)有所接觸光合作用的課題，以復(fù)習(xí)呼吸作用的物質(zhì)變化與能量變化作為課題切入點(diǎn)，有助于學(xué)生從更為深入的角度回顧光合作用的知識(shí)。在這樣的回顧中，學(xué)生較易回憶光合作用的場(chǎng)所為葉綠體，并分析得出光合作用的物質(zhì)變化是：二氧化碳與水等無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化為包括葡萄糖在內(nèi)的各種有機(jī)物并釋放氧氣；光合作用的能量變化為：光能最終轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)存在有機(jī)物中的化學(xué)能。

在學(xué)生回顧與分析的基礎(chǔ)上，教師可幫助學(xué)生將光合作用物質(zhì)變化、能量變化、代謝場(chǎng)所等轉(zhuǎn)化為如下反應(yīng)式：

并說(shuō)明，為了方便研究與分析，以葡萄糖分子作為光合作用產(chǎn)物中眾多有機(jī)物的例子，書(shū)寫(xiě)在反應(yīng)式中。

2 分析光合作用過(guò)程

教師帶領(lǐng)學(xué)生從光合作用反應(yīng)式入手，從物質(zhì)、能量、條件3 個(gè)角度運(yùn)用科學(xué)思維方式，對(duì)光合作用的過(guò)程進(jìn)行分析。

2.1 從物質(zhì)角度分析光合作用 教師引導(dǎo)學(xué)生觀察光合作用的反應(yīng)式，以問(wèn)題：“氧氣中氧原子的來(lái)源是什么？”引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)的角度思考光合作用的過(guò)程，同時(shí)展示魯賓、卡門(mén)所做的實(shí)驗(yàn)，供學(xué)生討論與分析。

1941年，魯賓和卡門(mén)制備了含有少量同位素18O 的碳酸氫鹽和水，并用以供給照射的小球藻培養(yǎng)物，然后分析產(chǎn)生的氧，他們發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的18O 的比率和水的比率相符合，不與碳酸氫鹽的比率相符合（圖1）。

圖1 魯賓、卡門(mén)實(shí)驗(yàn)結(jié)果［2］

通過(guò)分析材料，學(xué)生可以得出：在光合作用中，產(chǎn)物氧氣的氧原子全部來(lái)源于原料中的水。根據(jù)這個(gè)基于科學(xué)史材料的實(shí)驗(yàn)分析，光合作用物質(zhì)變化的實(shí)質(zhì)可以被進(jìn)一步補(bǔ)充修改為：二氧化碳與水等無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化為包括葡萄糖在內(nèi)的各種有機(jī)物并釋放氧氣，其中氧氣中的氧原子全部來(lái)自于水。

在得出這樣結(jié)論的同時(shí)，馬上就有學(xué)生提出了反應(yīng)式中存在的問(wèn)題，即如果光合作用產(chǎn)物中氧氣的氧原子完全來(lái)自于水，反應(yīng)式就存在錯(cuò)誤了，因?yàn)榉磻?yīng)式中配平后的6 分子水無(wú)法保障產(chǎn)物中產(chǎn)生6 分子氧氣。

講求實(shí)證、批判式思維、引發(fā)新的疑問(wèn)并進(jìn)行深入學(xué)習(xí)與思考，正是科學(xué)思維的本質(zhì)，面對(duì)學(xué)生的質(zhì)疑，教師不必在本節(jié)課急于給出答案，而是將更多的空間留給學(xué)生，在鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生如何解釋和解決這個(gè)新問(wèn)題。例如，面對(duì)這個(gè)新問(wèn)題，能否運(yùn)用“一步反應(yīng)”的思考模式解釋光合作用過(guò)程？如何改進(jìn)反應(yīng)式才能得到合理解答，而改進(jìn)后的反應(yīng)式又該運(yùn)用怎樣的方法加以證明？……新問(wèn)題的產(chǎn)生與思考過(guò)程不但對(duì)于學(xué)生的科學(xué)思維發(fā)展大有裨益，從課程的角度講，這樣的問(wèn)題提出與思考過(guò)程，也為“光合作用過(guò)程”課題的學(xué)習(xí)做好了水到渠成的鋪墊工作。

2.2 從能量的角度分析光合作用 關(guān)于光合作用中的能量變化，學(xué)生可以分析出起點(diǎn)（光能）和終點(diǎn)（有機(jī)物，在反應(yīng)式中是葡萄糖）中的化學(xué)能。教師可在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步深入分析。從常識(shí)的角度思考，學(xué)生知道光能不可能輕易地直接轉(zhuǎn)化為葡萄糖中的化學(xué)能，教師可以從大邏輯的角度引導(dǎo)學(xué)生理解光合作用過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程至少會(huì)包含以下階段：

光能→被吸收→轉(zhuǎn)化為葡萄糖中的化學(xué)能

教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生從大邏輯角度向更為細(xì)節(jié)的角度深入：光能怎樣被吸收？什么物質(zhì)或結(jié)構(gòu)吸收光能？又如何才能轉(zhuǎn)化成為葡萄糖中的化學(xué)能？并提示學(xué)生從自己現(xiàn)有的物理學(xué)、化學(xué)知識(shí)出發(fā)，嘗試解決這些更為細(xì)節(jié)的問(wèn)題。

面對(duì)“光能怎樣被吸收”與“什么物質(zhì)或結(jié)構(gòu)吸收光能”的問(wèn)題，學(xué)生很容易運(yùn)用“色素吸收可見(jiàn)光”的物理學(xué)知識(shí)得出葉綠體中可能存在色素的推論。關(guān)鍵問(wèn)題是，如何“證明”葉綠體中確實(shí)存在這些可以吸收光能的色素。很快，學(xué)生運(yùn)用已有的化學(xué)知識(shí)，提出可分別使用水和有機(jī)溶劑嘗試溶解葉綠體中的色素，并合理運(yùn)用結(jié)晶、過(guò)濾、萃取、離心、蒸餾等物質(zhì)分離與提純的方法，將可能是混合物的色素進(jìn)行分離提純，然后通過(guò)化學(xué)分析的方法分析這些物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)，從而得出葉綠體中的某（些）物質(zhì)或結(jié)構(gòu)可以吸收光能的結(jié)論。

學(xué)生的思維方向很好，教師可以在這個(gè)環(huán)節(jié)充分給予學(xué)生思考的空間，促使他們運(yùn)用已有科學(xué)知識(shí)嘗試解決未知的科學(xué)問(wèn)題，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候給予合理的幫助。教師要參與學(xué)生的討論，在必要時(shí)提供幫助。例如與學(xué)生共同討論不同物質(zhì)分離與提純方法的原理與適用范圍；提供更多、更有效的物質(zhì)分離與提純手段，豐富學(xué)生的思考空間；補(bǔ)充提供并講解紙層析法、雙向紙層析法的原理與方法等。

若條件允許（具有完善的實(shí)驗(yàn)室和具備連堂課的條件等），可將學(xué)生討論的成果現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的動(dòng)手操作，為學(xué)生準(zhǔn)備必要的物理設(shè)備（光源、分光鏡等）、化學(xué)試劑、生物材料，讓學(xué)生體會(huì)到從科學(xué)思維解決問(wèn)題轉(zhuǎn)化為科學(xué)動(dòng)手解決問(wèn)題的美妙與樂(lè)趣。

2.3 從條件的角度分析光合作用 學(xué)生熟知葉綠體是光合作用的場(chǎng)所，但如何證明？教師提示、引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行理性的科學(xué)分析。

學(xué)生很容易想到的方法是單獨(dú)獲取葉綠體（這個(gè)方法并不難，可以選擇運(yùn)用差速離心的方法），然后在人工條件下，看其是否能單獨(dú)完成光合作用。面對(duì)這個(gè)方法，教師在予以鼓勵(lì)的同時(shí)，需要提醒學(xué)生注意，此方法能說(shuō)明葉綠體單獨(dú)可以完成光合作用，但從科學(xué)的角度講，并不能完全證明植物體中光合作用的場(chǎng)所就是葉綠體，想要證明植物細(xì)胞中光合作用的場(chǎng)所就是葉綠體，還需要更為直觀、準(zhǔn)確，確保植物細(xì)胞完整的實(shí)驗(yàn)方法。教師可以提供恩格爾曼的實(shí)驗(yàn)供師生共同討論。

1880年，恩格爾曼用水綿進(jìn)行了光合作用的實(shí)驗(yàn)（圖2）：將載有水綿和好氧細(xì)菌的臨時(shí)裝片放在沒(méi)有空氣的黑暗環(huán)境中，然后用極細(xì)的光束照射水綿，通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，好氧細(xì)菌向葉綠體被光束照射到的部位集中；如果上述臨時(shí)裝片完全暴露在光下，好氧細(xì)菌則分布在葉綠體所有受光部位的周?chē)?。從而證明：氧是由葉綠體釋放的，葉綠體是綠色植物進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所。從恩格爾曼的實(shí)驗(yàn)中，不難看出，無(wú)論是對(duì)材料的選擇（水綿，水綿的葉綠體呈螺旋式帶狀，便于觀察），還是對(duì)自變量的操作（用極細(xì)的光束）、因變量的觀測(cè)（好氧細(xì)菌的聚集）和無(wú)關(guān)變量的控制（黑暗環(huán)境、無(wú)氧條件等）都是非常精妙的，這樣的科學(xué)思維、這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是非常值得學(xué)習(xí)和借鑒的。

圖2 恩格爾曼實(shí)驗(yàn)示意圖［3］

3 總結(jié)與反思

本節(jié)課從3 個(gè)不同角度對(duì)光合作用進(jìn)行分析，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，滲透了“物質(zhì)與能量”的生命觀念，并為“光合作用過(guò)程”課題做好鋪墊。

從物質(zhì)、能量、條件3 個(gè)角度對(duì)光合作用進(jìn)行分析，不但可以幫助學(xué)生回顧光合作用的已有知識(shí)并將已有知識(shí)系統(tǒng)化，更可以促進(jìn)學(xué)生“從不同角度探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律”科學(xué)思維的發(fā)展。

分別以呼吸作用與光合作用作為新陳代謝異化與同化作用的典型例子，并從物質(zhì)、能量等角度對(duì)它們進(jìn)行分析，不但有助于學(xué)生從更為本質(zhì)的角度理解和思考呼吸作用與光合作用的價(jià)值，更有助于學(xué)生拓展運(yùn)用“物質(zhì)與能量”這一生命觀念認(rèn)識(shí)更多的生命現(xiàn)象。

通過(guò)從物質(zhì)、能量、條件等不同角度對(duì)光合作用進(jìn)行深入分析，學(xué)生從更深層次認(rèn)識(shí)了光合作用，同時(shí)也提出了更新的疑問(wèn)，帶著這些疑問(wèn)與推測(cè)，學(xué)生會(huì)對(duì)進(jìn)一步學(xué)習(xí)光合作用的具體過(guò)程充滿期待，這樣的疑問(wèn)與期待為后續(xù)“光合作用過(guò)程”課題做好了鋪墊，更為最終運(yùn)用光合作用的知識(shí)解釋生活中的現(xiàn)象、解決生產(chǎn)中的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題打下了良好的基礎(chǔ)。