鄧過(guò)房

摘 要 借助300多年的光合作用科學(xué)史研究文化，以生物學(xué)核心素養(yǎng)為支點(diǎn)，搭載光合作用的“過(guò)去-現(xiàn)在-未來(lái)”為主線，設(shè)計(jì)“資料提煉-科學(xué)家扮演-小組合作-模型構(gòu)建-展望未來(lái)”的生物學(xué)核心素養(yǎng)載體主軸，利用40分鐘的時(shí)間，培養(yǎng)學(xué)生不同層次的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 生物學(xué)核心素養(yǎng) 光合作用 科學(xué)史 生物學(xué)教學(xué)

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

生物學(xué)核心素養(yǎng)是公民參加社會(huì)生活、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、生產(chǎn)實(shí)踐和個(gè)人決策所需的生物科學(xué)知識(shí)。那么，教師在具體的生物課教學(xué)過(guò)程中如何來(lái)提高學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)呢？教材文本、探究實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)實(shí)生活、自然環(huán)境都是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的對(duì)話視角。教材上有很多重要結(jié)論、原理的科學(xué)探究過(guò)程，教師應(yīng)用好教材上的這些經(jīng)典實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的重要途徑。

以人教版高中生物必修1第五章第四節(jié)第二課時(shí)“光合作用研究的‘過(guò)去、現(xiàn)在、未來(lái)”為例，讓學(xué)生感悟科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、堅(jiān)忍不拔的意志品質(zhì)、細(xì)致的理性邏輯。本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生需要聯(lián)系物理、化學(xué)的相關(guān)知識(shí)，在細(xì)胞層次和細(xì)胞器的水平上來(lái)認(rèn)識(shí)光合作用，形成分子與細(xì)胞水平認(rèn)識(shí)生物體的結(jié)構(gòu)與功能是相適應(yīng)的生命觀念，關(guān)注光合作用研究的未來(lái)，能大膽發(fā)揮想象，樹(shù)立生命科學(xué)的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神。

教學(xué)中教師以光合作用研究的“過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)”為線索，以科學(xué)史中的若干個(gè)實(shí)驗(yàn)為載體，在教學(xué)過(guò)程中多角度提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中進(jìn)行分析、邏輯推理，進(jìn)而得出結(jié)論。

1 光合作用研究的“過(guò)去”

1.1 設(shè)疑導(dǎo)入

教師播放有關(guān)幼苗逐漸長(zhǎng)大成蒼天大樹(shù)的微視頻，然后提出：幼苗是怎么長(zhǎng)大的呢？這與光合作用有什么關(guān)系呢？光合作用又是怎樣被人們發(fā)現(xiàn)的呢？今天，我們就一起回到300多年前，踏著科學(xué)家的足跡，領(lǐng)略科學(xué)家們展現(xiàn)出來(lái)的核心素養(yǎng)。

1.2 回眸科學(xué)史，共同體驗(yàn)光合作用研究過(guò)程中的思維魅力

教師繼續(xù)提出問(wèn)題：幼苗是怎么長(zhǎng)大的呢？所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)自哪里？亞里士多德的觀點(diǎn)是否正確？又怎樣證實(shí)？

（課前已發(fā)給學(xué)生相關(guān)中英文資料閱讀，并要求學(xué)生將資料整理設(shè)計(jì)成表格形式）

教師投影學(xué)生設(shè)計(jì)的表格。

教師追問(wèn)：亞里士多德的實(shí)驗(yàn)?zāi)艿贸鍪裁唇Y(jié)論呢？是否合理嚴(yán)謹(jǐn)？同學(xué)們談?wù)勛约旱目捶ā?/p>

然后，教師展示1648年比利時(shí)科學(xué)家——范·海爾蒙特通過(guò)柳樹(shù)實(shí)驗(yàn)，推翻了亞里士多德的錯(cuò)誤觀點(diǎn)。教師要求學(xué)生分析海爾蒙特的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是否完全正確，并提出問(wèn)題：從植物生活環(huán)境的角度分析，還應(yīng)考慮什么因素？空氣對(duì)植物的生長(zhǎng)有影響嗎？

教師展示1771年，英國(guó)科學(xué)家——普里斯特利的實(shí)驗(yàn)過(guò)程動(dòng)畫(huà)，引導(dǎo)學(xué)生思考：

① 幾組實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象是什么？② 有無(wú)植物的兩組實(shí)驗(yàn)裝置起什么作用？③ 該實(shí)驗(yàn)裝置中玻璃罩有什么作用？

后來(lái)很多科學(xué)家重復(fù)普利斯特利的實(shí)驗(yàn)，但是很多不能成功，這是為什么呢？。

（教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)從簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)中找到矛盾的地方，正確的進(jìn)行推理判斷，培養(yǎng)學(xué)生能夠在新的問(wèn)題情境中，基于事實(shí)和證據(jù)，采用適當(dāng)?shù)目茖W(xué)思維方法去質(zhì)疑，并選用恰當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行語(yǔ)言表達(dá)，提升學(xué)生的理性思維素養(yǎng)；逐步培養(yǎng)提出生物學(xué)問(wèn)題、在給出的現(xiàn)有資料中形成恰當(dāng)?shù)姆桨覆?shí)施的科學(xué)探究核心素養(yǎng)。）

教師下面有請(qǐng)1779年的荷蘭科學(xué)家“英格豪斯”隆重出場(chǎng)，請(qǐng)他針對(duì)上述問(wèn)題給大家作報(bào)告。

“英格豪斯”扮演者用課件演示并指出普利斯特利的實(shí)驗(yàn)只有在陽(yáng)光照射下才能成功，植物體只有綠葉才能更新空氣。并提出問(wèn)題：由于當(dāng)時(shí)化學(xué)發(fā)展水平的限制，英格豪斯并不清楚植物吸收、釋放氣體的成分，你們根據(jù)現(xiàn)有的知識(shí)，知道是什么嗎？

其他學(xué)生回答：吸收CO2，放出O2。

教師：直到1785年，由于發(fā)現(xiàn)了空氣的組成，人們才明確這一結(jié)果?？梢?jiàn)生物科學(xué)的發(fā)展需要建立在不同知識(shí)領(lǐng)域的基礎(chǔ)上。在這一過(guò)程中，光能哪去了？植物光合作用需要重要的外界條件是什么？今天我們有幸“請(qǐng)到了”1845年的德國(guó)科學(xué)家梅耶，下面我們一起來(lái)欣賞他的風(fēng)采。

“梅耶”扮演者用課件顯示能量轉(zhuǎn)換和守恒定律，指出植物在進(jìn)行光合作用時(shí)，把光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)。

（采用角色扮演的替代方式，一方面可以提高扮演者的語(yǔ)言組織、表達(dá)能力，并且身臨其境的當(dāng)了一回“科學(xué)家”，逐步培養(yǎng)自己的科學(xué)思維方式；另一方面可以激發(fā)其他學(xué)生的好奇心，感覺(jué)科學(xué)家離我們并不遠(yuǎn)，就在身邊，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思想更加容易被接受。）

教師：光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，貯存于什么物質(zhì)中呢？植物光合作用除了釋放氧氣，還產(chǎn)生什么物質(zhì)呢？

課外“科學(xué)家”小組代表結(jié)合錄像介紹1864年的德國(guó)科學(xué)家——薩克斯實(shí)驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象，并提出問(wèn)題：① 暗處理這一步是否可以省略？為什么？② 本實(shí)驗(yàn)是否存在對(duì)照組？若有，請(qǐng)指出單一變量。③ 這個(gè)實(shí)驗(yàn)可得出什么結(jié)論？

教師引導(dǎo)學(xué)生歸納每個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

（此過(guò)程的設(shè)計(jì)，一方面是為了使學(xué)生學(xué)會(huì)綜合排除無(wú)關(guān)變量，抓住變量分析實(shí)驗(yàn)并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，且強(qiáng)化科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本方法、原則；另一方面是促進(jìn)學(xué)生在小組學(xué)習(xí)中主動(dòng)合作，推進(jìn)探究方案或工程實(shí)踐的實(shí)施，并運(yùn)用科學(xué)術(shù)語(yǔ)報(bào)告實(shí)驗(yàn)結(jié)果。）

“科學(xué)家”代表回顧：光合作用研究的“過(guò)去”（圖1）。

設(shè)計(jì)意圖：回顧科學(xué)史中光合作用的研究歷程，得出光合作用的場(chǎng)所、動(dòng)力、原料、產(chǎn)物。更重要的是體會(huì)在這些經(jīng)典實(shí)驗(yàn)中映射出來(lái)的科學(xué)家的科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度，以及體悟到科學(xué)的思想和方法。學(xué)生可以自己大膽的講訴自己的體會(huì)和想法。）

2 光合作用研究的“現(xiàn)在”

教師再次結(jié)合光合作用的“過(guò)去”，引導(dǎo)提出問(wèn)題：光合作用釋放的氧氣，到底來(lái)自于H2O還是CO2？從而啟發(fā)學(xué)生深層次思考光合作用研究的“現(xiàn)在”。

① 采用“頭腦風(fēng)暴”讓學(xué)生各抒己見(jiàn)提出光合作用中需要解決的問(wèn)題。如：氧氣中的氧是來(lái)自H2O還是CO2中的氧？CO2是怎樣固定并轉(zhuǎn)化為（CH2O）的？光能是怎樣被轉(zhuǎn)換成化學(xué)能而被儲(chǔ)存的？葉綠素在光合作用過(guò)程中起什么作用？……

② 運(yùn)用“暗箱法”引入“魯賓、卡門實(shí)驗(yàn)”和“卡爾文實(shí)驗(yàn)”。

教師讓學(xué)生以“暗箱法”（圖2）嘗試從科學(xué)家的角度，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題，然后討論得出結(jié)論。這樣不僅構(gòu)建了光合作用的深層次知識(shí)，更培養(yǎng)了學(xué)生較為全面的探究能力。

③ 思維探究，模型建構(gòu)。教師引導(dǎo)學(xué)生將光反應(yīng)和暗反應(yīng)結(jié)合起來(lái)，結(jié)合剛才的實(shí)驗(yàn)推理，構(gòu)建出一個(gè)光合作用的反應(yīng)過(guò)程圖。學(xué)生小組合作討論，并展示匯報(bào)，學(xué)生之間加以糾錯(cuò)。

（本教學(xué)片段通過(guò)“頭腦風(fēng)暴”、“暗箱法”、“模型構(gòu)建”等系列有難度深層次的活動(dòng)，旨在培養(yǎng)學(xué)生能夠恰當(dāng)選用并熟練運(yùn)用工具展開(kāi)觀察，基于對(duì)相關(guān)資料的查閱，設(shè)計(jì)并實(shí)施恰當(dāng)可行的方案，運(yùn)用多種方法如實(shí)記錄，并創(chuàng)造性地運(yùn)用不同學(xué)科方法解決問(wèn)題，同時(shí)能夠在團(tuán)隊(duì)中起組織和引領(lǐng)作用，運(yùn)用科學(xué)術(shù)語(yǔ)精確闡明實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并展開(kāi)交流，提升學(xué)生各層次的生物學(xué)核心素養(yǎng)。）

3 光合作用研究的“未來(lái)”

部分興趣小組的學(xué)生將對(duì)收集的近代科學(xué)家對(duì)光合作用的研究、因光合作用的研究獲得諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家的材料進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。例如：1954年阿爾農(nóng)的循環(huán)光合磷酸化的研究；英國(guó)的希爾光反應(yīng)系統(tǒng)的研究；1982年西德生化學(xué)家米舍爾生物膜上的色素復(fù)合體的成功分離；德國(guó)科學(xué)家戴森霍弗、胡貝爾、米歇爾3位科學(xué)家測(cè)定出了光合作用反應(yīng)中心膜蛋白—色素的三維空間結(jié)構(gòu)，揭示出電子和能量的傳遞作用，這一成就在光合作用的研究中邁出了關(guān)鍵一步，他們因此共同獲得了1988年度諾貝爾獎(jiǎng)。2016年5月18日的《自然》雜志，發(fā)布來(lái)自中科院生物物理研究所的研究成果，他們獲得了菠菜光系統(tǒng)II——捕光色素復(fù)合物（LHC-Ⅱ）超級(jí)復(fù)合體的結(jié)構(gòu)，分辨率為3.2 ■。

（設(shè)計(jì)意圖：① 目前在光合作用方面，經(jīng)過(guò)了幾百年的研究，即使取得了不少成果，但仍然許多問(wèn)題尚不清楚，光合作用的研究還有非常多的難題要去攻克，讓學(xué)生知道社會(huì)熱點(diǎn)中的生物學(xué)議題；② 結(jié)合本世紀(jì)以來(lái)，當(dāng)今人類面臨的一些重大問(wèn)題，如糧食、能源、資源、環(huán)境污染等，使學(xué)生能夠負(fù)責(zé)任地參與社會(huì)生活和決策，通過(guò)科學(xué)實(shí)踐，嘗試解決現(xiàn)實(shí)生活中的生物學(xué)問(wèn)題，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感；③ 引導(dǎo)學(xué)生大膽展望光合作用研究的未來(lái)促進(jìn)沉重的課后繼續(xù)學(xué)習(xí)，并學(xué)會(huì)用生物知識(shí)指導(dǎo)、解決生產(chǎn)和實(shí)踐中的具體問(wèn)題。）

本節(jié)課借助300多年的光合作用科學(xué)史研究文化，以生物學(xué)核心素養(yǎng)為支點(diǎn)，搭載光合作用的“過(guò)去-現(xiàn)在-未來(lái)”為主線，設(shè)計(jì)“資料提煉-科學(xué)家扮演-小組合作-模型構(gòu)建-展望未來(lái)”的生物學(xué)核心素養(yǎng)載體主軸，利用40 min的時(shí)間，培養(yǎng)學(xué)生不同層次的核心素養(yǎng)。

當(dāng)然，僅僅40 min的課堂教學(xué)與300多年的科學(xué)史文化進(jìn)行對(duì)話，時(shí)間上會(huì)顯得單薄和粗糙。生物學(xué)教材上有不少這方面的科學(xué)史素材，教師如何利用開(kāi)發(fā)好它們，進(jìn)行新一輪的生物學(xué)核心素養(yǎng)教學(xué)，正是所要研究的重點(diǎn)。