《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》中指出：發(fā)展科學思維是基于生物學事實和證據(jù)，運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法，探討、闡釋現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學社會議題。生物科學史是生物學的發(fā)展歷史，也是生物學中的重要觀點、思想和方法，是發(fā)展學生科學思維的良好素材?？茖W史材料可用于歸納概括形成概念，也可引導演繹推理發(fā)展思維，亦可指導建模與修正模型，更是批判性思維、創(chuàng)造性思維形成的原材料。

新人教版高中生物學必修1“分子與細胞”中“光合作用原理和應(yīng)用”部分新增三則科學史材料。本文通過靈活運用教材中新增科學史素材，適當拓展科學史證，以科學史為載體引導學生運用“分析論證”“演繹推理”“歸納概括”和“模型建模”等科學思維方法構(gòu)建光反應(yīng)和暗反應(yīng)過程，最終形成光合作用原理整體模型，有效培養(yǎng)學生的科學思維能力。

一、教學設(shè)計背景

（一）教材分析

“光合作用的原理和應(yīng)用”是人教版高中生物學必修1“分子與細胞”第5章第4節(jié)的內(nèi)容，通過呈現(xiàn)科學家的經(jīng)典實驗，闡述人類對光合作用的認識過程，引領(lǐng)學生探索光合作用中光反應(yīng)過程和暗反應(yīng)過程的物質(zhì)和能量變化，構(gòu)建光合作用過程模型。該節(jié)內(nèi)容既是對上一節(jié)葉綠體結(jié)構(gòu)理解的加深，又為學習光合作用原理應(yīng)用于生產(chǎn)實踐奠定了基礎(chǔ)。

（二）學情分析

學生在義務(wù)教育階段學習了光合作用的研究歷史和基本過程，且在本模塊前一階段的學習中學習了酶、ATP和呼吸作用，學習了色素和葉綠體結(jié)構(gòu)，有利于理解更為復雜的光合作用的光反應(yīng)階段和暗反應(yīng)過程。

二、教學目標

（1）通過對希爾的實驗、魯賓和卡門的實驗相關(guān)科學史資料的分析論證，構(gòu)建出光反應(yīng)過程中的物質(zhì)和能量變化，培養(yǎng)分析與論證的科學思維。

（2）通過對卡爾文循環(huán)的相關(guān)科學史資料的演繹推斷，利用假說演繹法構(gòu)建出暗反應(yīng)過程中物質(zhì)和能量變化，學會應(yīng)用演繹與推理的思維思考問題。

（3）通過阿爾農(nóng)的實驗尋找光反應(yīng)和暗反應(yīng)的聯(lián)系，歸納整合形成完整的光合作用過程模型，掌握分析與推理、歸納與總結(jié)的科學思維方法。

三、教學過程

（一）猜想與論證——構(gòu)建光反應(yīng)過程

1.提出問題

學生在初中階段已學習了光合作用的過程。教師引導學生回憶光合作用的場所、原料和產(chǎn)物，并寫出光合作用過程總反應(yīng)式：CO2+H2O→O2+（CH2O）。教師提出問題：請學生用箭頭標出反應(yīng)式中O2的氧原子可能的來源。

2.做出猜想

學生對反應(yīng)式中O2的氧原子來源作出以下三種猜想。猜想1：O2中的氧原子全部來源于CO2;猜想2：O2中的氧原子來源于H2O和CO2;猜想3：O2中的氧原子全部來源于H2O。

3.史料論證

教師給出科學史材料1：19世紀末科學界認為光合作用中CO2分子中的碳原子和氧原子被分開，氧氣被釋放，C和H2O結(jié)合成甲醛，甲醛分子縮合成糖;后來人們發(fā)現(xiàn)甲醛對植物有毒害作用，且不能轉(zhuǎn)變?yōu)樘?。學生通過分析科學史材料1否定猜想1“O2中的氧原子全部來源于CO2”。

教師接著給出科學資料2：1937年英國植物學家希爾發(fā)現(xiàn)，僅給離體葉綠體的懸浮液供給H2O，不供給CO2，給予光照，葉綠體就能釋放O2。學生通過分析科學史資料2得出O2中的氧原子來源于H2O。

教師提出問題：希爾的實驗能夠證明O2中的氧原子全部來源于水嗎？有沒有更好的實驗方法證明氧氣來源H2O還是CO2？

學生經(jīng)小組討論后得出希爾的實驗不能證明氧原子全部來源于水，并提出利用同位素標記法追蹤氧原子的變化，學生分析實驗的自變量為18O標記H2O或CO2，因變量為測定植物釋放的O2是否含有同位素18O，設(shè)計兩組實驗。學生設(shè)計實驗后教師給出課本上科學史資料3：魯賓和卡門的同位素標記實驗的過程和實驗結(jié)果。學生分析科學史資料3證實猜想3“O2中的氧原子全部來源于H2O”是正確的，從而構(gòu)建出光反應(yīng)中水的光解過程：H2O→O2+H+。

4.完善過程

教師補充科學史材料4：1954年，美國科學家阿爾農(nóng)在離體的葉綠體體系中加入ADP、Pi和氧化型輔酶II（NADP+），給予光照，體系中除生成O2外，有ATP和還原型輔酶II（NADPH）產(chǎn)生。教師讓學生找出該過程中加入的反應(yīng)物和產(chǎn)物之間的關(guān)系，嘗試寫出簡單的反應(yīng)式。學生分析資料構(gòu)建出光反應(yīng)中三個反應(yīng)式：H2O→O2+H+;H++NADP+→NADPH;ADP+Pi+光能→ATP。教師引導學生結(jié)合光反應(yīng)的物質(zhì)變化分析該過程中的能量變化。學生得出光反應(yīng)過程中光能轉(zhuǎn)變?yōu)镹ADPH和ATP中的化學能。教師提出問題：該過程需要的條件是什么？結(jié)合之前所學知識，推斷光反應(yīng)的場所，學生思考得出光反應(yīng)的場所為類囊體薄膜。

（設(shè)計意圖：在探尋光反應(yīng)過程中氧氣中氧原子的來源時，讓學生依據(jù)已知光合作用總反應(yīng)式作出猜想，再在科學史中尋找證據(jù)證實猜想，在論證猜想的過程中引導學生先設(shè)計探究實驗，再給出科學史驗證學生想法，以此培養(yǎng)學生猜想與論證的科學思維。）

（二）演繹與推理——構(gòu)建暗反應(yīng)過程

1.提出問題

教師引導學生思考：光合作用中CO2是如何變?yōu)橛袡C物（CH2O）的？有什么辦法可以知道CO2中的碳原子經(jīng)歷了哪些階段轉(zhuǎn)化為有機物（CH2O）中的碳呢？學生思考得出通過同位素標記法追蹤C原子的轉(zhuǎn)化路徑。

教師給出科學史資料5：美國科學家卡爾文用小球藻進行實驗，供給14C標記14CO2，每隔一段時間取樣檢測放射性，0.5秒時，14C標記物首先出現(xiàn)在C3上，5秒時出現(xiàn)在糖類（CH2O）和C5上。學生分析資料寫出暗反應(yīng)的兩個反應(yīng)過程：CO2→C3和C3→C5+（CH2O）。教師提出問題：CO2如何形成C3的呢？

2.做出假設(shè)

學生思考后作出假設(shè)：CO2和二碳化合物（C2）反應(yīng)形成C3。教師接著給出科學史資料6：卡爾文起初以為是一種二碳化合物（C2）與CO2反應(yīng)生成C3，但在細胞中始終沒有找到相應(yīng)的C2。后來卡爾文發(fā)現(xiàn)，正常情況下C3與C5的相對濃度為2∶1。學生分析資料，否定之前假設(shè)，作出新的假設(shè)：CO2與C5反應(yīng)生成C3。

3.演繹推理

假設(shè)是否正確，教師引導學生進行演繹推理，根據(jù)假設(shè)內(nèi)容CO2與C5反應(yīng)生成C3，推斷如果光照正常的情況下，停止CO2的供應(yīng)，C3和C5的含量如何變化。學生分析推斷出短時間內(nèi)C3減少，C5增加。

4.史料驗證

教師補充科學史資料7：卡爾文停止小球藻的14CO2的供應(yīng)，光照正常，測定出C3的含量短時間內(nèi)減少，C5的含量短時間內(nèi)增加。學生發(fā)現(xiàn)卡爾文的實驗結(jié)果與其演繹推理的結(jié)果一致，證實假說正確。學生構(gòu)建出暗反應(yīng)過程的兩個反應(yīng)式：CO2+C5→2C3;C3→C5+（CH2O）。

（設(shè)計意圖：構(gòu)建暗反應(yīng)過程中，教師重新組織三則科學史資料的信息，引導學生依次提出問題、作出假設(shè)、演繹推理、實驗驗證，利用科學史實驗結(jié)果作為演繹推理的實驗驗證。通過假說演繹法逐步構(gòu)建暗反應(yīng)過程，培養(yǎng)了演繹推理的科學思維能力。）

（三）分析與推理——構(gòu)建光反應(yīng)和暗反應(yīng)聯(lián)系

教師補充科學史資料8：卡爾文發(fā)現(xiàn)在CO2供應(yīng)正常的情況下，停止光照，發(fā)現(xiàn)C3的濃度短時間內(nèi)升高，C5的濃度短時間內(nèi)降低。教師提出問題：通過資料分析光照影響CO2+C5→2C3或C3→C5+（CH2O）中的哪個過程。學生分析C3和C5的含量變化得出光照影響C3→C5+（CH2O）過程。教師接著追問：光照如何影響該過程？

教師補充科學史資料9：科學家阿爾農(nóng)發(fā)現(xiàn)，離體的葉綠體給予光照，不供給CO2，既積累NADPH也積累ATP;撤去光照，供給CO2，NADPH和ATP被消耗，并有（CH2O）產(chǎn)生。學生根據(jù)資料分析得出光照影響C3→C5+（CH2O）過程的原因是光反應(yīng)為該過程提供了NADPH和ATP。根據(jù)光反應(yīng)與暗反應(yīng)的聯(lián)系引導學生構(gòu)建暗反應(yīng)過程中的能量變化，學生分析得出暗反應(yīng)過程中NADPH和ATP中的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C物中的化學能。

教師提出問題：根據(jù)阿爾農(nóng)的實驗思考暗反應(yīng)所需要的條件和場所。學生分析資料得出，暗反應(yīng)在葉綠體基質(zhì)中進行，需要酶、CO2、NADPH和ATP等的參與。

（設(shè)計意圖：先分析光反應(yīng)影響暗反應(yīng)的哪個過程，再分析光反應(yīng)如何影響暗反應(yīng)的該過程，逐步突破光反應(yīng)與暗反應(yīng)之間通過ATP和NADPH的轉(zhuǎn)化相互聯(lián)系，引導學生在構(gòu)建過程中理清順序、逐步推斷，培養(yǎng)分析與推理的科學思維能力。）

（四）模型與建?！獦?gòu)建光合作用過程模型

通過光反應(yīng)和暗反應(yīng)的聯(lián)系將上述構(gòu)建的光反應(yīng)和暗反應(yīng)過程連接整合，構(gòu)建出完整的光合作用原理過程圖，形成光合作用過程知識體系（如圖1）。

（設(shè)計意圖：由局部到整體逐步構(gòu)建完整的光合作用物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)化模型，便于學生探尋光合作用的實質(zhì)和意義，從而能較好地歸納概括形成光合作用的原理，明確光合作用是一個有機整體，形成局部和整體觀，鍛煉了學生模型與建模的能力，培養(yǎng)了學生歸納與概括的科學思維習慣。）

四、教學反思

探尋光反應(yīng)過程中氧氣中氧原子的來源時，讓學生依據(jù)已知知識作出猜想，再在科學史中尋找證據(jù)論證猜想，其中希爾實驗的科學史作為史證材料，魯賓和卡門實驗的科學史作為學生設(shè)計實驗中的實驗結(jié)果呈現(xiàn);構(gòu)建暗反應(yīng)過程中，教師重新組織卡爾文實驗和阿爾農(nóng)實驗的科學史，使其成為學生提出問題、作出假設(shè)、演繹推理、實驗驗證的重要依據(jù)，通過假說演繹法逐步構(gòu)建暗反應(yīng)過程。光合作用光反應(yīng)和暗反應(yīng)的探究科學史，既有豐富的知識內(nèi)容，又有科學思維滲透，更有科學精神的體現(xiàn)，將敘事性的科學史呈現(xiàn)方式轉(zhuǎn)變?yōu)榕c學生共同探究的方式，讓學生應(yīng)用猜想論證、演繹推理、實驗設(shè)計等科學思維參與課堂，不斷構(gòu)建模型，進一步修正和完善模型，培養(yǎng)了學生的科學思維能力。

（作者單位：廣東省佛山市順德區(qū)羅定邦中學）

編輯：曾彥慧

作者簡介：蘇靜（1985—），女，研究生，中學生物學一級教師。