劉 沖

（浙江省寧波中學(xué) 浙江寧波 315100）

1 教材分析

“光合作用的過(guò)程”是浙科版高中生物學(xué)教材《必修1·分子與細(xì)胞》第三章第五節(jié)的主要內(nèi)容。本節(jié)的教學(xué)重難點(diǎn)是光反應(yīng)、碳反應(yīng)的物質(zhì)和能量變化。本節(jié)內(nèi)容抽象、過(guò)程復(fù)雜，以往的教學(xué)通常以教師講授為主，但這種平鋪直敘的教學(xué)方式往往穿透力不夠，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解容易停留在表面，因此筆者嘗試以科學(xué)史為素材進(jìn)行探究式教學(xué)。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《課程標(biāo)準(zhǔn)》）提出要注重生物科學(xué)史的學(xué)習(xí)。生物科學(xué)史對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)有著獨(dú)特的、不可替代的價(jià)值。它不僅能激發(fā)學(xué)生探索生命奧秘的興趣和熱情，而且能讓學(xué)生從中學(xué)習(xí)和領(lǐng)會(huì)科學(xué)家的思維方法和工作方法，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。

光合作用的研究史堪稱(chēng)生物科學(xué)史中的經(jīng)典，科學(xué)家在科學(xué)研究中提出問(wèn)題的角度、思考問(wèn)題的方式和解決問(wèn)題的方法都是進(jìn)行課堂探究教學(xué)的很好素材。筆者基于《課程標(biāo)準(zhǔn)》和學(xué)情，對(duì)光合作用科學(xué)史進(jìn)行了符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的處理，并利用科學(xué)史創(chuàng)設(shè)探究情境，層層推進(jìn)提出科學(xué)家遇到的一系列問(wèn)題，學(xué)生的思維跟隨科學(xué)家一起參與到探索過(guò)程中，促進(jìn)學(xué)生通過(guò)探究性學(xué)習(xí)逐步構(gòu)建光合作用概念。學(xué)生通過(guò)親歷科學(xué)探究的過(guò)程，體會(huì)科學(xué)家們富有創(chuàng)意的思維過(guò)程和巧妙的實(shí)驗(yàn)方法，感悟科學(xué)探索的艱辛和樂(lè)趣，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維，發(fā)展科學(xué)探究能力。

2 教學(xué)目標(biāo)

①通過(guò)一系列探究活動(dòng)，能運(yùn)用物質(zhì)與能量觀，闡明光反應(yīng)和碳反應(yīng)的過(guò)程，形成光合作用概念，并能以圖示的形式表達(dá)。

②通過(guò)閱讀科學(xué)史，分析科學(xué)家遇到的問(wèn)題，能提出假說(shuō)和實(shí)驗(yàn)設(shè)想，分析結(jié)果并得出結(jié)論，掌握科學(xué)探究的基本思路和方法；通過(guò)小組合作學(xué)習(xí)、構(gòu)建模型，培養(yǎng)合作交流能力、建模能力。

③能認(rèn)識(shí)到光合作用的重要性，樹(shù)立愛(ài)護(hù)植物的環(huán)保意識(shí)。

3 教學(xué)過(guò)程

3.1 設(shè)疑激趣，導(dǎo)入新課

教師創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課：諾貝爾委員會(huì)稱(chēng)光合作用是“地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)”。光合作用為什么會(huì)獲得如此高的評(píng)價(jià)？光合作用為生物提供了什么物質(zhì)？這些物質(zhì)是怎樣生成的？以此導(dǎo)入本節(jié)課。

設(shè)計(jì)意圖：教師以諾貝爾委員會(huì)對(duì)光合作用的高度評(píng)價(jià)為切入點(diǎn)，展開(kāi)教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，接著利用問(wèn)題串引發(fā)學(xué)生的探究欲望，引出本節(jié)課的主題。

3.2 閱讀分析科學(xué)史，構(gòu)建光反應(yīng)概念

3.2.1 分析魯賓和卡門(mén)的實(shí)驗(yàn)，探究O2中O的來(lái)源

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧初中學(xué)過(guò)的光合作用反應(yīng)式，提出問(wèn)題：O2中的O來(lái)自于H2O還是CO2，還是兩者兼有？學(xué)生會(huì)想到用O的同位素分別標(biāo)記CO2和H2O來(lái)進(jìn)行區(qū)分。教師展示魯賓和卡門(mén)的實(shí)驗(yàn)思路，引導(dǎo)學(xué)生提出預(yù)期結(jié)果，然后再展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。學(xué)生分析后，得出結(jié)論，具體如下：

（1）實(shí)驗(yàn)思路：將小球藻培養(yǎng)在含不同比例的18O標(biāo)記的碳酸氫鉀（提供CO2）和H2O的溶液中。一段時(shí)間后，檢測(cè)小球藻釋放的O2中18O的比例。

（2）預(yù)期結(jié)果：O2中18O的比例，若與H2O中18O的比例相同，則O2中的O都來(lái)自于H2O；若與碳酸氫鉀中的18O比例相同，則O2都來(lái)自于CO2；若介于二者之間，則O2來(lái)自于H2O和CO2。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 魯賓和卡門(mén)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)論：O2中的O都來(lái)自于H2O。

設(shè)計(jì)意圖：由于篇幅限制，教材對(duì)該實(shí)驗(yàn)介紹得比較簡(jiǎn)要，但這也容易造成一些誤解。例如，很多學(xué)生誤認(rèn)為需要檢測(cè)O2中有無(wú)放射性來(lái)判斷O的來(lái)源。教師需指出18O是穩(wěn)定同位素，沒(méi)有放射性，科學(xué)家是通過(guò)相對(duì)原子質(zhì)量的差異來(lái)區(qū)分18O和16O的。筆者通過(guò)查閱魯賓和卡門(mén)的原始論文，以求盡量還原科學(xué)發(fā)現(xiàn)的本真過(guò)程，使學(xué)生養(yǎng)成尊重事實(shí)和證據(jù)的科學(xué)思維習(xí)慣，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度。

3.2.2 問(wèn)題導(dǎo)向，探究光反應(yīng)的其他過(guò)程

教師鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)所得結(jié)論提出問(wèn)題，接著提供相關(guān)科學(xué)史，引導(dǎo)學(xué)生分析討論得出光反應(yīng)的其他過(guò)程，具體見(jiàn)表2。

表2 光反應(yīng)的推理過(guò)程

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過(guò)經(jīng)歷提出問(wèn)題、分析資料、得出推論的歷程，發(fā)展推理能力，培養(yǎng)實(shí)證意識(shí)。相比于單純記憶細(xì)枝末節(jié)的知識(shí)，學(xué)生通過(guò)科學(xué)探究能更好地理解知識(shí)，更容易發(fā)展出不斷發(fā)現(xiàn)和獲取新知識(shí)的能力。

3.3 分析卡爾文實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建碳反應(yīng)概念

3.3.1 自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究CO2的固定過(guò)程

教師引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)分析反應(yīng)式，提出問(wèn)題：在葉綠體基質(zhì)中，CO2是如何轉(zhuǎn)變成糖類(lèi)的？怎樣追蹤C(jī)O2中C的轉(zhuǎn)移路徑？學(xué)生會(huì)想到同位素示蹤法，但提出具體實(shí)驗(yàn)思路有較大難度，需教師提供科學(xué)史作為探究學(xué)習(xí)的支架：20世紀(jì)40年代，卡爾文在光照下給小球藻懸浮液通入放射性同位素14C標(biāo)記的CO2。一段時(shí)間后殺死小球藻，提取產(chǎn)物并分析。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光照僅30 s，分離出的放射性代謝產(chǎn)物多達(dá)幾十種。

教師提出問(wèn)題：如何確定CO2被固定后最先生成的是哪種物質(zhì)？學(xué)生小組討論得出：不斷縮短光照時(shí)間，直到只能分離出一種放射性物質(zhì)。教師提供資料：當(dāng)光照縮短到0.5 s時(shí)，發(fā)現(xiàn)90%的放射性物質(zhì)是3-磷酸甘油酸（三碳酸）。學(xué)生分析得出：CO2被固定后最先生成了三碳酸。

教師追問(wèn)：固定CO2的是哪種物質(zhì)？科學(xué)家推測(cè)可能是一種二碳分子或五碳分子。學(xué)生4人為一組進(jìn)行討論，提出假說(shuō)和大致的實(shí)驗(yàn)設(shè)想。此時(shí)，學(xué)生的探究熱情高漲。經(jīng)過(guò)熱烈的討論后，各小組進(jìn)行展示。學(xué)生提出了2種假說(shuō)，經(jīng)討論均有合理性。學(xué)生的思維十分活躍，提出了很多種實(shí)驗(yàn)設(shè)想。例如，學(xué)生提出的設(shè)想有：①給植物提供1 mol CO2，檢測(cè)生成的三碳酸的量是1 mol，還是2 mol；② 突然停止CO2的供應(yīng)，檢測(cè)二碳分子和五碳分子的含量變化。教師引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)性、可行性、成本等方面分析，最終達(dá)成一致：第二種方案是最好的。教師指出卡爾文采用的就是第二種方案。當(dāng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)想和科學(xué)家的不謀而合時(shí)，他們會(huì)感到極大的成就感，大大激發(fā)了學(xué)習(xí)積極性。教師接著展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果：突然停止CO2的供應(yīng)，五碳分子的含量快速升高。學(xué)生分析得出：固定CO2的是五碳分子。教師補(bǔ)充，該分子是一種五碳糖，簡(jiǎn)稱(chēng)RuBP。

設(shè)計(jì)意圖：教師先展示實(shí)驗(yàn)的一部分，順勢(shì)提出科學(xué)家遇到的問(wèn)題。學(xué)生通過(guò)小組合作，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)解決問(wèn)題。挑戰(zhàn)性問(wèn)題的引領(lǐng)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。學(xué)生自己參與實(shí)踐，親歷科學(xué)發(fā)現(xiàn)的快樂(lè)，體驗(yàn)知識(shí)的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程，既加深了對(duì)知識(shí)的理解，又提升了科學(xué)探究能力，還體驗(yàn)了科學(xué)的開(kāi)放性，從而更好地理解科學(xué)本質(zhì)。探究O和C的轉(zhuǎn)移路徑時(shí)都用到了同位素標(biāo)記法，可以使學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)的發(fā)展離不開(kāi)技術(shù)的進(jìn)步。

3.3.2 問(wèn)題導(dǎo)引，探究碳反應(yīng)的其他過(guò)程

教師引導(dǎo)學(xué)生置身于探究情境中，啟發(fā)學(xué)生不斷思考并提出問(wèn)題，以問(wèn)題為導(dǎo)引，通過(guò)分析資料，厘清碳反應(yīng)其他物質(zhì)和能量變化，具體見(jiàn)表3。

表3 碳反應(yīng)的推理過(guò)程

學(xué)生總結(jié)碳反應(yīng)的物質(zhì)和能量變化，認(rèn)識(shí)到CO2的固定、三碳酸的還原和RuBP的再生形成了一個(gè)循環(huán)。教師指出該循環(huán)是由卡爾文歷經(jīng)近十年發(fā)現(xiàn)的。由此，學(xué)生體會(huì)到科學(xué)探究的艱辛和科學(xué)家堅(jiān)持不懈的科學(xué)精神。

設(shè)計(jì)意圖：科學(xué)探究是個(gè)循環(huán)往復(fù)的過(guò)程，在得到一個(gè)結(jié)論的同時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生新的疑問(wèn)。教師要鼓勵(lì)學(xué)生多追問(wèn)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和提出問(wèn)題的能力，增強(qiáng)問(wèn)題意識(shí)，使學(xué)生在環(huán)環(huán)相扣的問(wèn)題的引領(lǐng)下，不斷引發(fā)認(rèn)知沖突，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)的思維方法解決問(wèn)題的習(xí)慣，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到“實(shí)證是判斷的尺度，邏輯是論辯的準(zhǔn)繩”。

3.4 模型輔助，構(gòu)建光合作用概念

結(jié)合探究結(jié)論，以白板和貼有磁條的有字卡紙為材料，學(xué)生進(jìn)行小組合作構(gòu)建光合作用的概念模型（圖1）。

圖1 光合作用的概念模型

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過(guò)構(gòu)建概念模型，能將零散的知識(shí)系統(tǒng)化、直觀化，有助于厘清知識(shí)脈絡(luò)，構(gòu)建知識(shí)體系，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的內(nèi)化，同時(shí)也發(fā)展了建模能力。

4 教學(xué)反思

本節(jié)以構(gòu)建光反應(yīng)概念、碳反應(yīng)概念、光合作用概念為明線(xiàn)，以提出問(wèn)題、做出假說(shuō)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析實(shí)驗(yàn)、得出結(jié)論的科學(xué)探究方法為暗線(xiàn)。兩條主線(xiàn)并進(jìn)，通過(guò)明線(xiàn)構(gòu)建知識(shí)體系，通過(guò)暗線(xiàn)培養(yǎng)科學(xué)探究能力，實(shí)現(xiàn)概念教學(xué)與探究教學(xué)的對(duì)接。

在教學(xué)中，以科學(xué)史為線(xiàn)索，以問(wèn)題為導(dǎo)向，教師逐步呈現(xiàn)科學(xué)家在光合作用探究過(guò)程中遇到的問(wèn)題，在環(huán)環(huán)相扣、層層深入的追問(wèn)下，補(bǔ)充科學(xué)史資料，促使學(xué)生一步步推理、自主建構(gòu)光合作用的概念。學(xué)生通過(guò)小組合作分析問(wèn)題、解決問(wèn)題、構(gòu)建模型，成為課堂中的積極參與者和主動(dòng)學(xué)習(xí)者；通過(guò)動(dòng)手、動(dòng)腦的學(xué)習(xí)活動(dòng)，主動(dòng)獲取知識(shí)、理解概念，發(fā)展科學(xué)探究能力，提升學(xué)科核心素養(yǎng)。