基于科学史和探究的“光合作用的过程”教学设计

刘 冲

（浙江省宁波中学 浙江宁波 315100）

1 教材分析

“光合作用的过程”是浙科版高中生物学教材《必修1·分子与细胞》第三章第五节的主要内容。本节的教学重难点是光反应、碳反应的物质和能量变化。本节内容抽象、过程复杂，以往的教学通常以教师讲授为主，但这种平铺直叙的教学方式往往穿透力不够，学生对知识的理解容易停留在表面，因此笔者尝试以科学史为素材进行探究式教学。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）提出要注重生物科学史的学习。生物科学史对于培养学生的学科核心素养有着独特的、不可替代的价值。它不仅能激发学生探索生命奥秘的兴趣和热情，而且能让学生从中学习和领会科学家的思维方法和工作方法，培养科学态度和科学精神。

光合作用的研究史堪称生物科学史中的经典，科学家在科学研究中提出问题的角度、思考问题的方式和解决问题的方法都是进行课堂探究教学的很好素材。笔者基于《课程标准》和学情，对光合作用科学史进行了符合学生认知规律的处理，并利用科学史创设探究情境，层层推进提出科学家遇到的一系列问题，学生的思维跟随科学家一起参与到探索过程中，促进学生通过探究性学习逐步构建光合作用概念。学生通过亲历科学探究的过程，体会科学家们富有创意的思维过程和巧妙的实验方法，感悟科学探索的艰辛和乐趣，培养创造性思维，发展科学探究能力。

2 教学目标

①通过一系列探究活动，能运用物质与能量观，阐明光反应和碳反应的过程，形成光合作用概念，并能以图示的形式表达。

②通过阅读科学史，分析科学家遇到的问题，能提出假说和实验设想，分析结果并得出结论，掌握科学探究的基本思路和方法；通过小组合作学习、构建模型，培养合作交流能力、建模能力。

③能认识到光合作用的重要性，树立爱护植物的环保意识。

3 教学过程

3.1 设疑激趣，导入新课

教师创设情境，导入新课：诺贝尔委员会称光合作用是“地球上最重要的化学反应”。光合作用为什么会获得如此高的评价？光合作用为生物提供了什么物质？这些物质是怎样生成的？以此导入本节课。

设计意图：教师以诺贝尔委员会对光合作用的高度评价为切入点，展开教学，激发学生的好奇心和求知欲，接着利用问题串引发学生的探究欲望，引出本节课的主题。

3.2 阅读分析科学史，构建光反应概念

3.2.1 分析鲁宾和卡门的实验，探究O2中O的来源

教师引导学生回顾初中学过的光合作用反应式，提出问题：O2中的O来自于H2O还是CO2，还是两者兼有？学生会想到用O的同位素分别标记CO2和H2O来进行区分。教师展示鲁宾和卡门的实验思路，引导学生提出预期结果，然后再展示实验结果。学生分析后，得出结论，具体如下：

（1）实验思路：将小球藻培养在含不同比例的18O标记的碳酸氢钾（提供CO2）和H2O的溶液中。一段时间后，检测小球藻释放的O2中18O的比例。

（2）预期结果：O2中18O的比例，若与H2O中18O的比例相同，则O2中的O都来自于H2O；若与碳酸氢钾中的18O比例相同，则O2都来自于CO2；若介于二者之间，则O2来自于H2O和CO2。

（3）实验结果见表1。

表1 鲁宾和卡门的实验结果

（4）实验结论：O2中的O都来自于H2O。

设计意图：由于篇幅限制，教材对该实验介绍得比较简要，但这也容易造成一些误解。例如，很多学生误认为需要检测O2中有无放射性来判断O的来源。教师需指出18O是稳定同位素，没有放射性，科学家是通过相对原子质量的差异来区分18O和16O的。笔者通过查阅鲁宾和卡门的原始论文，以求尽量还原科学发现的本真过程，使学生养成尊重事实和证据的科学思维习惯，崇尚严谨和务实的求知态度。

3.2.2 问题导向，探究光反应的其他过程

教师鼓励学生根据所得结论提出问题，接着提供相关科学史，引导学生分析讨论得出光反应的其他过程，具体见表2。

表2 光反应的推理过程

设计意图：学生通过经历提出问题、分析资料、得出推论的历程，发展推理能力，培养实证意识。相比于单纯记忆细枝末节的知识，学生通过科学探究能更好地理解知识，更容易发展出不断发现和获取新知识的能力。

3.3 分析卡尔文实验，构建碳反应概念

3.3.1 自主设计实验，探究CO2的固定过程

教师引导学生继续分析反应式，提出问题：在叶绿体基质中，CO2是如何转变成糖类的？怎样追踪CO2中C的转移路径？学生会想到同位素示踪法，但提出具体实验思路有较大难度，需教师提供科学史作为探究学习的支架：20世纪40年代，卡尔文在光照下给小球藻悬浮液通入放射性同位素14C标记的CO2。一段时间后杀死小球藻，提取产物并分析。实验发现，光照仅30 s，分离出的放射性代谢产物多达几十种。

教师提出问题：如何确定CO2被固定后最先生成的是哪种物质？学生小组讨论得出：不断缩短光照时间，直到只能分离出一种放射性物质。教师提供资料：当光照缩短到0.5 s时，发现90%的放射性物质是3-磷酸甘油酸（三碳酸）。学生分析得出：CO2被固定后最先生成了三碳酸。

教师追问：固定CO2的是哪种物质？科学家推测可能是一种二碳分子或五碳分子。学生4人为一组进行讨论，提出假说和大致的实验设想。此时，学生的探究热情高涨。经过热烈的讨论后，各小组进行展示。学生提出了2种假说，经讨论均有合理性。学生的思维十分活跃，提出了很多种实验设想。例如，学生提出的设想有：①给植物提供1 mol CO2，检测生成的三碳酸的量是1 mol，还是2 mol；② 突然停止CO2的供应，检测二碳分子和五碳分子的含量变化。教师引导学生从科学性、可行性、成本等方面分析，最终达成一致：第二种方案是最好的。教师指出卡尔文采用的就是第二种方案。当学生的实验设想和科学家的不谋而合时，他们会感到极大的成就感，大大激发了学习积极性。教师接着展示实验结果：突然停止CO2的供应，五碳分子的含量快速升高。学生分析得出：固定CO2的是五碳分子。教师补充，该分子是一种五碳糖，简称RuBP。

设计意图：教师先展示实验的一部分，顺势提出科学家遇到的问题。学生通过小组合作，设计实验解决问题。挑战性问题的引领激发学生的创造性思维。学生自己参与实践，亲历科学发现的快乐，体验知识的发生、发展过程，既加深了对知识的理解，又提升了科学探究能力，还体验了科学的开放性，从而更好地理解科学本质。探究O和C的转移路径时都用到了同位素标记法，可以使学生认识到科学的发展离不开技术的进步。

3.3.2 问题导引，探究碳反应的其他过程

教师引导学生置身于探究情境中，启发学生不断思考并提出问题，以问题为导引，通过分析资料，厘清碳反应其他物质和能量变化，具体见表3。

表3 碳反应的推理过程

学生总结碳反应的物质和能量变化，认识到CO2的固定、三碳酸的还原和RuBP的再生形成了一个循环。教师指出该循环是由卡尔文历经近十年发现的。由此，学生体会到科学探究的艰辛和科学家坚持不懈的科学精神。

设计意图：科学探究是个循环往复的过程，在得到一个结论的同时，往往会产生新的疑问。教师要鼓励学生多追问，培养学生发现问题和提出问题的能力，增强问题意识，使学生在环环相扣的问题的引领下，不断引发认知冲突，培养学生运用科学的思维方法解决问题的习惯，使学生认识到“实证是判断的尺度，逻辑是论辩的准绳”。

3.4 模型辅助，构建光合作用概念

结合探究结论，以白板和贴有磁条的有字卡纸为材料，学生进行小组合作构建光合作用的概念模型（图1）。

图1 光合作用的概念模型

设计意图：学生通过构建概念模型，能将零散的知识系统化、直观化，有助于厘清知识脉络，构建知识体系，实现知识的内化，同时也发展了建模能力。

4 教学反思

本节以构建光反应概念、碳反应概念、光合作用概念为明线，以提出问题、做出假说、设计实验、分析实验、得出结论的科学探究方法为暗线。两条主线并进，通过明线构建知识体系，通过暗线培养科学探究能力，实现概念教学与探究教学的对接。

在教学中，以科学史为线索，以问题为导向，教师逐步呈现科学家在光合作用探究过程中遇到的问题，在环环相扣、层层深入的追问下，补充科学史资料，促使学生一步步推理、自主建构光合作用的概念。学生通过小组合作分析问题、解决问题、构建模型，成为课堂中的积极参与者和主动学习者；通过动手、动脑的学习活动，主动获取知识、理解概念，发展科学探究能力，提升学科核心素养。