重构科学史以突破“光合作用过程原理”教学难点

朱素娟 朱晓燕

（1.福建省建瓯第一中学 福建南平 353100）

（2.福建省南平市教师进修学院 福建南平 354200）

“光合作用过程原理”是新人教版高中生物《必修1·分子与细胞》第五章第四节“光合作用与能量转化”第二课时的内容。光合作用是地球上最重要的化学反应，光合作用的概念及其应用是本模块重点内容。

新版高中生物教材从生活实际出发，创设真实情境，有助于学生自主构建重要概念。教材图文结合，将光反应与暗反应密切联系，展现了在物质变化中伴随着能量变化，有助于学生理解和记忆。利用科学史为光合作用原理提供支撑，新版高中生物教材弱化关于光合作用研究历史的时间线索，通过正文叙述和2个“思考·讨论”形式，对光合作用关键实验进行分析，实现用事实为概念建构搭桥，在概念建构过程中进行科学思维的训练，有助于提升学生的物质与能量观、结构与功能观、稳态与平衡观。

在初中阶段，学生对光合作用的反应物、生成物及意义已经有初步了解，但光反应和暗反应的具体过程比较陌生抽象，涉及较多分子机理（如NADPH、C3、C5等）深层次知识，还需要结合化学和物理学科知识，对高一的学生有一定的难度。因此，教师依据课程标准要求和学业水平要求确定教学目标，对光合作用科学史进行重构，通过创设真情境、聚焦大概念、任务驱动法，引导学生从结果出发寻找证据，使学生增强证据意识，进而突破“光合作用过程原理”教学难点。学生通过自主构建光合作用概念模型，能从结构与功能相适应的角度理解光合作用发生的场所和过程，能从物质和能量观的视角，阐明光合作用过程中物质变化与能量转化的过程，说明光合作用的原理和意义；能够利用光合作用的原理，为农业生产应用提出有价值的建议。

1 创设真情境，领悟光合作用原理与生产实践的关系

真情境下指向现实问题解决的深度学习，能增强现实感、使命感和意义感，促进学生对知识的理解与迁移，有利于学生对学科重要概念的建构。

进行“光合作用过程原理”课堂教学时，教师首先让学生观看他们的实践型生物课程——“玉米种植”的视频，视频中涵盖学生整地、播种、浇水、松土、施肥、治虫、除草、间苗、采摘等从玉米种植到收获的100天生长历程。学生的情绪被充分调动起来。教师顺势创设真情境解决真问题，提出本节课核心任务一：“玉米种植过密时为什么要进行间苗？有什么理论依据？”教师以此激发学生兴趣引入光合作用原理的学习。在光合作用原理学习之后，围绕视频提出本节课核心任务二：“能否举例说明农业生产中还有哪些栽培措施可以影响作物的生理活动，促进作物的生长发育，达到增加产量等目的？”教师通过任务驱动，使学生始终处于积极的学习状态，能主动利用学习资源进行自主学习，并能解释影响光合作用过程中物质变化与能量转化的环境因素，为农业生产应用提出有价值的建议，如合理密植、施农家肥、间作套种、大棚种植需适当通风等措施。

“玉米种植”视频再现学生真实的劳动场景，从真实劳动体验中凝炼问题情境作为学生学习认知的背景，促进学生将生物学的概念、原理同现实生活中的问题、现象、经验联系在一起，在关注、思考和决策的过程中巩固和应用知识，充分发挥学生的主体性。学生在问题和兴趣的驱动下主动思考，积极探索，培养科学的思维习惯，自主建构生物学科重要概念——光合作用原理，并能够利用光合作用的原理为农业生产应用提出有价值的建议。

2 重构科学史，还原科学探究历程，帮助学生深入理解光合作用的过程和实质

科学史是研究生物学知识发生发展的历史，其中包含了科学家研究过程及其过程中所持有的观点和态度、生物学理论和方法的形成演变等。科学史蕴含着科学家的思维过程及科学探究过程，有助于培养学生的逻辑思维，形成科学探究的思路，掌握科学探究的基本方法。

光合作用是地球上最重要的化学反应。光能是如何发挥作用？O2来源于哪里?O2产生过程中能量是如何产生和传递的？CO2是如何转化为糖类?影响光合作用效率的因素有哪些？笔者通过重构科学史，创设问题情境，驱动学生主动学习，促进学生从结果出发，寻找证据，帮助学生理解科学的实质、体会科学家思考和解决问题的方法，培养学生的科学论证思想。

2.1 探究光反应中氧气的来源

教师提供英国植物学家希尔关于光合作用的实验，并提出问题：Fe3+转化为Fe2+说明希尔实验中产生了什么性质的物质？希尔实验是否说明水的光解与糖类的合成不是同一个化学反应？希尔实验能否说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水？教师从光合作用的产物——氧气出发，引导学生分析该实验的材料、条件、处理措施及结果，提出自己的猜想并加以论证，从而说明：希尔实验产生还原性物质，水的光解与糖类的合成不是同一个反应，光合作用产物氧气与水有关。教师引发学生猜想光合作用产物氧气可能来自水，从而使学生思考直接观察测定推论可用的方法。

教师提供鲁宾和卡门开展的光合作用实验，引导学生思考：鲁宾和卡门实验用了什么科学方法？此方法有什么好处？该实验自变量是什么？其他变量应如何处理？该实验能得出什么结论？

2.2 探究光反应中光能的转化

教师进一步提出问题：叶绿体吸收的光能能否转变如ATP其他形式的能量，被细胞直接利用呢？并提供资料，并提出问题：1954年，美国生化学家阿尔农用离体的叶绿体做实验，同样不提供二氧化碳。在给叶绿体照光时发现，当向反应体系中供给ADP、Pi和NADP＋（氧化型辅酶Ⅱ）时，会有ATP和NADPH（还原型辅酶Ⅱ）产生。实验结果说明光能可以转变为化学能储存在直接能源物质ATP中，氢受体是什么？尝试用示意图表示ATP的合成与希尔反应的关系。

学生依据教师所提供的资料，构建光反应过程，并在叶绿体结构示意图上标注光反应的场所、条件、物质变化及能量转化。

2.3 探究暗反应中CO2转化为糖类的途径

教师提供资料：20世纪40年代，美国科学家卡尔文将培养出来的多组小球藻置于密闭容器中，将14CO2注入容器，给予充足的光照，每隔一段时间（如3 s、5 s、30 s），将小球藻浸入热乙醇溶液中，杀死并提取小球藻研磨液，分离并鉴定其中全部含14C的标记物。根据被14C标记的化合物出现时间的先后，推测生化过程。卡尔文向反应体系中充入一定量的14CO2，光照30 s后检测产物，检测到了多种带14C标记的化合物。将光照时间逐渐缩短至几分之一秒时发现，90%的放射性出现在一种三碳化合物（C3）中。在5 s的光照后，卡尔文等同时检测到了含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖（C6）。

教师指导学生关注：光照时间为30 s时，检测到了多种带标记的化合物，说明反应时间太长。当光照时间逐渐缩短至1 s以内会发现，90%的放射性出现在一种三碳化合物（C3）中，可以据此推断暗反应中第一个出现的产物。在光照5 s后，卡尔文等同时检测到了含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖（C6）。根据这一实验结果，师生共同总结CO2转化为糖类的途径。

2.4 探究光反应的产物ATP和NADPH的作用

教师提供资料：卡尔文及其同事通过改变实验条件，发现五碳化合物（C5）呈规律性变化：当停止CO2供应时，C3的浓度快速降低，C5的浓度快速升高；停止光照时，C3的浓度快速升高，C5的浓度快速降低。并引导学生分析实验现象推断光反应的产物ATP和NADPH是用于CO2转变成C3过程，还是用于C3转变成C5和C6过程。

教师促进学生理解科学发展离不开技术的支持，探索光反应和暗反应时都依靠了同位素标记法，并通过卡尔文花了近10年时间研究CO2的去向，引导学生置身于科学历史的氛围中体悟科学家锲而不舍、坚持不懈的精神！

2.5 比较光反应与暗反应在物质变化和能量转化之间的联系

教师展示光合作用过程中物质变化的示意图，引导学生尝试说明光反应与暗反应在物质变化和能量转化之间的联系。并引导学生总结归纳：光反应和暗反应紧密联系，能量转化和物质变化密不可分，能量只可转换，物质尚可再循环。光反应阶段，光能被叶绿体内类囊体膜上的色素捕获后，将水分解为O2和H+，形成ATP和NADPH，于是光能转化成ATP和NADPH中的化学能；ATP和NADPH驱动在叶绿体基质中进行的暗反应，将CO2转化为储存化学能的糖类。光合作用产生的有机物不仅供植物体自身利用，还养活所有的异养生物，光能驱动光合作用进而驱动生命世界的运转。

教师通过重构科学史，引导学会尊重事实和证据，进行学习小结，如图1、图2、图3所示。

图2 光反应阶段光能转化为化学能的论证过程

图3 暗反应阶段CO2转化为C3再转化为糖类的论证过程

3 运用思维可视化手段，促进学生对光合作用的整体认识，完善光合作用概念体系

思维是抽象的概念，思维可视化有利于呈现知识间的联系，促进知识深入理解。思维可视化的技术手段较多，如概念图、思维导图、表格等。通过光合作用原理部分科学史资料的分析与论证，学生对光合作用有了整体的认知。为了能将思维可视化，增强知识的可视性，教师要求学生补充光合作用的概念图（图4），以进行学习检测。

图4 光合作用概念图

对光合作用深度剖析后，教师利用概念图，将零碎的知识片段连接成知识网络，注重光合作用的内涵与外延，引导学生感悟生命系统中结构与功能相适应、物质与能量相伴随、稳态与平衡相吻合的生命观念，促进学生思维的发展。

4 教学反思

本节课采用基于科学史的探究性学习，通过重构科学史，关注学生思维进阶发展，将科学探究中的问题以多种方式逐步呈现，不断引发学生的认知冲突，激发学生的探究热情，使学生领悟科学思想，自主构建光合作用的概念，形成科学习惯，从而突破“光合作用过程原理”教学难点，提高了学生的思维能力，提升了学生的生物学学科核心素养。