在高考复习中突出科学本质的教育******——以“光合作用”为例

□王 荐

（无锡市第一女子中学，江苏无锡 214002）

科学本质是生物学教育的重要内容之一，在新颁布的高中生物学课程标准中有专门的论述。目前主流观点认为科学本质教育要显性化，笔者承担了相关课题研究，在高考复习中也积极突出科学本质教育，收到了实效。现以“光合作用”一节为例，说明在高考复习中如何突出科学本质教育。

一、分析本节承载的科学本质教育内容

对科学本质的内涵解读有不同的流派学说，但一般认为科学本质由“科学知识、科学方法、科学探索、科学事业”等组成，Lederman提出了科学本质的模型，根据他的模型，可将“光合作用”科学本质内容列于表1。[1]

表1

续表

续表

二、突出科学本质的教学策略

科学的学习是一个学生动态探究、自我建构与反思的过程，因此教师必须设计多种突出科学本质的教学活动来帮助学生理解科学本质。

（一）设计探究活动

光合作用会受到外界各种因素的影响，现提供以下材料设计一项探究实验，思考实验的自变量、因变量、无关变量是什么？它们如何分别设置、检测和控制？

器材：打孔器，注射器，40W台灯，烧杯，1%NaHCO3溶液，磷酸缓冲液，菠菜叶等。

学生小组讨论，完成以下学习任务单。

提出问题:影响光合作用强度的外界因素有：__________________________________

做出假设:__________________________

设计并进行实验：__________________

实验现象及分析：__________________

实验结果：_________________________

进一步探究：______________________

在学生交流了实验设计方案后，提出更高的要求：能否同时研究光照和二氧化碳浓度对光合作用的影响？能否研究不同光谱对光合作用的影响？

学生经过讨论得出优化方案：不同的光谱对光合作用的影响，只要置换灯泡即可实现。如果同时研究光照和二氧化碳浓度对光合作用的影响，只要先固定其中一个变量，再改变另外一个变量进行测定即可。在此基础上，学生设计出了实验记录表格。

__________________________________________________叶片上浮时间/s烧杯（编号）___NaHCO3溶液（浓度梯度） 弱光 中光 强光

在此过程中，教师要引导学生围绕自己的问题与假设进行实验设计，鼓励学生充分利用实验的研究功能，自主实践研究，在探究过程中，教师主动介入讨论，帮助他们理解科学是探究实验的结果，科学知识来自实验事实，有连续的观察也有跳跃的推论，整个过程不是一个连续的认识序列。

（二）剖析典型例题

例题：卡尔文及其同事因光合作用的研究成果获得了1961年的诺贝尔化学奖。卡尔文将小球藻装在一个密闭容器中，通过一个通气管向玻璃容器中通入CO2，通气管上有一个开关，可控制CO2的供应，容器周围有光源，通过控制电源开关可控制光照的有无。请回答下列问题：

(1)实验材料小球藻属于_____（填“原核”或“真核”）生物。

(2)卡尔文通过停止______来探究光反应和暗反应的联系，他的实验结果是图1中的 。

图1

(3)卡尔文通过停止_____来探究光合作用过程中固定CO2的化合物，这时他发现C5的含量快速升高，由此得出固定CO2的物质是C5。

(4)卡尔文向密闭容器中通入14CO2，当反应进行到第5 s时，14C出现在一种C5和一种C6中；将反应时间缩短到0.5 s时，14C出现在一种C3中。上述实验中卡尔文是通过控制_____来探究CO2中碳原子的转移路径的，采用的技术方法有______等。

(5)卡尔文将不同反应条件下的小球藻放入70℃的蒸馏水中，这样做是为了使细胞中的______失活，此时，细胞中的化合物就保持在热处理之前的状态。

解析 (1)小球藻属于真核生物。(2)在光照下，光反应进行，其产生的ATP和[H]参与暗反应中C3的还原，因此，通过停止光照可以探究光反应和暗反应的联系。当停止光照后，光反应停止，ATP和[H]的合成停止，则C3的还原减少，C3浓度增大，C5浓度减小，停止光照一段时间后，C3和C5浓度基本保持不变。(3)在暗反应中，CO2与C5结合形成C3，当停止CO2的供应后，CO2的固定受到影响，故会导致C5含量升高。(4)由题中叙述可知，实验中卡尔文是通过控制反应时间来探究CO2中碳原子的转移路径的，该实验中他采用了放射性同位素标记法。(5)酶是生物体内催化化学反应的催化剂，大多数酶的化学本质是蛋白质，在高温下酶的结构被破坏，导致细胞中的化学反应不能进行，化合物的含量不再发生变化。

答案 （1）真核 （2）光照 （a）（3）CO2的供应 （4）反应时间 同位素标记法 （5）酶

将科学史引入课堂教学是科学本质教学的应然之举，它能使学生经历科学家面对问题时的思考和实验探究的历程，有助于学生领悟解决问题的方法，了解科学家的研究艺术、理解知识由来并协助他们更好地了解科学的本质。此题典型的凸显了卡尔文研究的创造性：小球藻容易培养；单细胞，容易瞬间固定，容易发现暗反应每步产生的物质；用14C标记CO2，半衰期长，研究时间充分；采用色谱分析法和放射自显影技术等。

（三）开展科学阅读

在生物学教学中我们始终引导学生开展科学阅读活动，高考复习期间同样如此。我们在高考复习期间及时为学生提供最新生物学进展新闻报道，张贴在教室，并通过班级QQ群和微信群传送，重要内容则复印后分发，要求学生认真阅读。光合作用我们选择了姚敦义主编的《生命科学史》一书中光合作用一节内容（5页）[2]，要求学生阅读并思考以下问题：荷兰微生物学家尼尔发现细菌的光合作用，对人类认识植物光合作用有何帮助？这种思考方式叫什么？有何特点？希尔实验的重要性何在？希尔反应对人类认识光合作用场所有何帮助？在研究暗反应酶促反应过程中，同位素示踪技术和纸层析技术起了什么作用？小球藻用于暗反应研究有何优点？卡尔文是如何发现二氧化碳固定细节的？他为何没有发现C4途径？当前科学家主要研究光合作用的热点问题是什么？怎样从生物学能的角度来理解光合作用和呼吸作用？这些问题能引导学生从历史的角度进一步思考光合作用发现史的曲折，理解科学知识的暂时性与发展性，领略科学家的研究艺术和思维方式。例如卡尔文利用缩短光照时间，发现了14C首先出现在3-磷酸甘油酸（3-PGA）上，随着时间延长，14C则在C3、C4、C5、C6中均能见到，这样他确定了光合作用最初的产物是3-PGA，那么是什么物质接收14CO2呢？按照一般逻辑，最可能是一种二碳分子，但经长期实验搜索，并未发现二碳分子存在，却发现反应物中普遍存在1,5-二磷酸核酮糖的五碳糖。卡尔文大胆猜想，是否是它接收CO2成为六碳的中间产物，再分解为3-PGA的呢？卡尔文后来用实验证实了猜想，为人类了解光合作用的关键一步做出了突出贡献。但可惜的是，在面对暗反应最初产物有四碳酸时，卡尔文主观地认为只有C3一条途径，放弃了对C4途径的研究，使得人类对C4途径的认识晚到1966年才证实。

有学生在读书笔记中写道：迁移类比是科学研究中的重要方法，从希尔实验类比出光合作用过程，同样，萨顿从细胞分裂实验类比出基因和染色体行为存在着明显的平行关系，推论出基因就在染色体上。让人扼腕的是，科学家也有人性的弱点，巴甫洛夫面对胰液的激素调节，固执的认为是神经调节，失去了一个发现真理的机会，同样卡尔文由于发现了C3固定过程，对C4途径也是视而不见，失去了再次发现光合作用奥秘的机会。还有同学写了一首小诗来表达对科学家高超科研艺术的敬仰：科学有奇巧，众贤显智慧，光合渐露相，终有水落时。

（四）引导学生反思

光合作用内容繁多，引导学生思考如何测定光合作用，涉及半叶法、液滴法、黑白瓶法等实验方法。半叶法是将叶片一半遮光、一半曝光，分别测定两半叶的干物质重量，进而计算叶片的真正光合速率、呼吸速率和净光合速率。真正光合速率就是单位面积两叶片的重量差。液滴法一般是设置两个如图2所示装置，在黑暗条件下，甲装置中红色液滴左移距离可代表呼吸速率，在光照条件下，乙装置中液滴右移可代表净光合速率，真正光合速率=净光合速率+呼吸速率。

图2

黑白瓶法则是分别测定黑瓶和白瓶中氧气（或CO2）的变化量，黑瓶测定的是有氧呼吸量，白瓶测定的是净光合作用量，在有初始值的情况下，黑瓶中O2减少量是有氧呼吸量，白瓶中O2增加量是净光合作用量，两者和为总光合作用量；在没有初始值情况下，白瓶中测得的现有量-黑瓶中测得的现有量=总光合作用量。在此基础上，引导学生对比三个实验异同，思考并体悟这三个方法的实验模型及思想是高度一致的，都是涉及呼吸、净光合、总光合三率的测定，彰显了“科学工作依赖于观察和推论”以及“科学工作采用基于实证的范式”等科学本质，对“科学是创造性的工作”有了直观的体会，学生对科研工作者的巧妙构思击节赞叹。

三、基于科学本质的教学反思

对于科学本质的教育，教师既要关注传统的经验主义、理性主义和逻辑实证主义科学本质观，又要关注现代的证伪主义、历史主义和建构主义科学本质观，更要关注新课标中对科学本质观教育内容的叙述，可以看到新课标的叙述有对传统的继承，如“科学工作依赖观察和推论，科学工作采用基于实证的范式，科学是创造性的工作”，也有对科学本质教育研究的新认识，像“科学知识可能随着研究的深入而改变，科学工作中要高度关注主观因素的影响、理论和定律赋予科学解释的能力，但两者不尽相同，科学会受到社会和文化的影响”等。教师要全面理解科学本质的涵义，将科学史、科学哲学和科学社会学有机融为一体（HPS），从大科学概念的建立入手，精心设计教学活动，引导学生不仅复习知识本身，而且深刻理解科学知识的发生过程，从而真正领悟科学的本质，提高生物学的核心素养。