以光合作用科学史为载体渗透科学本质教育

游燕玲 饶小珍

(福建师范大学生命科学学院 福州 350108)

科学本质教育能帮助学生形成正确的科学观念，区分生活中的科学和伪科学。生物科学史能够引导学生探本溯源，理解科学本质，把握科学研究的思路和方法，学习科学家献身科研的精神。本文尝试将光合作用研究历史和科学本质教育有机地结合起来，以培养学生的生物学核心素养。

1 光合作用科学史蕴含的科学本质内涵

1.1 以史为例，深刻理解科学知识的形成是一个不断修正的过程 科学知识受时代的局限影响，是人们在特定阶段根据已有的经验对自然现象或者问题做出的合理解释。科学知识的产生是螺旋式上升的，它是相对真理不断趋近绝对真理的过程，科学知识需要不断地被修正、完善，所以科学知识具有暂定性和发展性[1]。

例如，亚里士多德最初认为植物体营养物质完全来自土壤。1648年海尔蒙特根据柳苗实验认为植物体的物质主要来自水，否定了亚里士多德的观点，但是他忽略了空气对植株体内物质形成所起的作用[2]。1771年普利斯特利通过钟罩实验发现植物能够更新或恢复空气。但其他人进行相同的实验时却得到相反的结果，普利斯特利认为这是由于植物在密闭环境中生长不良导致的，真正的原因是他没有考虑到光照因素的影响。这种截然不同的实验结果引起荷兰医生英格豪斯的注意，1779年英格豪斯做了500多次的实验，最终发现只有植物的绿色部分在光照的作用下才能更新空气，并且指出普利斯特利的实验不能重复的主要原因是光照不足，从而发展了普利斯特利的观点。1845年梅耶根据能量守恒定律提出植物体通过光合作用把光能转变成化学能储存起来。梅耶的发现为后人表达光合作用反应式奠定了基础，但是他的观点并没有立即得到认可。1864年萨克斯的实验证明了光合作用的产物还包括淀粉，并且证明了叶绿素在光合作用中发挥作用。1883年恩格曼利用水绵作为实验材料，发现植物光合作用的放氧部位是叶绿体，并且通过三棱镜实验发现好氧细菌主要集中在红光和蓝光区域。最终科学家发现了光合作用的原料、产物、场所和条件。至此，柳树生长之谜才得以揭晓，但是科学家仍在探究光合作用更深层次的分子机理。

从古希腊开始，历经几百年，科学家研究光合作用不断取得新的进展，但是人们仍然在不停地探索光合作用的奥秘，不断修正、完善光合作用的相关理论，这说明科学认识是无止境的。

1.2 以史为据，全面体验科学探索是基于观察、实验和推论的历程 科学是探究客观世界的思维方式，任何科学的理性过程都必须建立在证据之上，因此科学探索不是主观臆想。生物学是以生物结构和功能为研究对象的一门学科，其探索过程通常需要实验支持，在实验的基础上，依靠观察和推论等手段来进行。

例如，普利斯特利将燃烧的蜡烛放在密闭的玻璃钟罩内，观察发现蜡烛不久就熄灭了；在另一组将一盆薄荷苗和一支燃烧的蜡烛放在密闭的玻璃钟罩内，蜡烛不容易熄灭。几天后，普利斯特利利用凸透镜将太阳光聚焦在蜡烛芯上，结果发现放有薄荷苗的蜡烛重新燃烧，因此他认为植物能够纯化空气。普利斯特利又做了另外一个实验，他在密闭的玻璃钟罩内单独放入小鼠，小鼠很快死亡；而在另外一个密闭的玻璃钟罩内放入小鼠和薄荷苗，小鼠正常存活。普利斯特利在实验过程中，通过对现象的观察，从而得出推论： 植物可以更新空气。但是推论也是需要通过实验进行验证的。

因此，科学探索就是实验、观察、推论不断反复的过程。在实验过程中，有一些是可以通过观察现象直接验证的，而有一些是在观察的基础上进行推论的。

1.3 以史为镜，切身了解科学工作需要科学家的想象力和创造性 科学知识不是纯粹客观的，知识的产生的所有阶段都需要人们想象力和创造性的参与，包括提出假说、设计实验、结果分析等。

例如，科学研究发现水绵的叶绿体呈带状螺旋形，好氧细菌分布在有氧的环境中。1883年德国科学家恩格尔曼根据当时已知水绵叶绿体的特点和好氧细菌分布的习性，创造性地采用水绵和好氧细菌的临时装片进行实验，从而能够更好地观察光合作用发生的场所以及确定氧气释放的部位。他创设没有空气的黑暗条件来排除外界环境因素的干扰。为了形成对照实验，他发挥自己的想象和创造性，利用极细的光束照射水绵，从而创造出水绵上有光照和无光照两个部位，最终发现叶绿体被光照到的部位是好氧细菌的聚集地。为了保证实验的严谨性，他将临时装片完全曝光，叶绿体所有光照的部位均有好氧细菌的分布，又一次证明了实验结论。这个实验巧妙地证明了氧气是在叶绿体产生的。恩格尔曼证明叶绿体是植物体光合作用的放氧部位后，他的研究并没有就此终止。紧接着他又做了一个实验，他将水绵临时装片用透过三棱镜的光进行照射，结果发现红光和蓝光照射的叶绿体分布大量的好氧细菌，从而可以确定叶绿体主要吸收红光和蓝光来进行光合作用，释放氧气。

恩格尔曼的实验充分地体现在特定阶段应善于选材、创造条件，将实验对象和条件巧妙地结合起来，以此来进行科学的探究。萨克斯的实验，以及鲁宾和卡门巧妙地将放射性同位素标记法应用于科学研究，无一不说明了科学发展的阶段需要想象和创造性的参与。

1.4 以史为鉴，深切领会科学、技术、社会的相互关系 科学、技术、社会之间存在双向互动的关系。科学研究是为了更好地认识自然界的客观规律和事物之间的内在联系。科学为技术提供理论基础；反过来，技术通过改造自然，使人类更好地认识自然，并推动科学的发展。科学、技术共同推动社会的发展和进步，而社会发展的客观规律又制约着科学、技术的发展。

例如，英格豪斯用带叶的枝条进行实验，由于受到技术发展的限制，只发现植物在光照条件下才能更新空气，不能确定产生氧气。之后科学家采用化学方法鉴定空气的成分，最终确定植物光照条件下产生氧气。鲁宾和卡门也通过同位素放射性标记法证明了光合作用产生的氧气来自水，这都说明技术影响科学的发展。同样，科学也推动技术的发展。光学原理促进显微镜的发明应用，根据同位素示踪所利用的放射性核素与自然界存在的相应元素与化合物的化学性质相同的原理发明了同位素标记法，从而推动光合作用理论的完善。光合作用机理的深入研究，能够应用在社会实践，人们通过控制光照和温度等因素，来增加农作物产量，有利于解决粮食问题。而科学、技术的发展也要考虑到社会伦理以及发展规律。所以科学、技术、社会三者是不可分割的。

2 以光合作用科学史为载体，开展科学本质教育的策略

2.1 精选材料，强化脉络 教师应该根据教学目标对科学史进行解读并进行适当的补充和调整[3]，凸显主题，保证科学史的逻辑性和完整性，以达到对科学本质的深入理解。因此在光合作用科学史的学习中，教师可以增加亚里士多德的看法和海尔蒙特的柳树实验，起到抛砖引玉的作用。在课堂活动中，还可以增加植物学家斯蒂芬·黑尔斯的实验，发现空气为植物生长提供营养，以此过渡到普利斯特利的钟罩实验；接着展示英格豪斯的实验来完善普利斯特利的结论；在光合作用过程中，光能究竟去哪儿了？应介绍德国科学家梅耶通过实验发现光能转换成化学能储存在植物中。再列举萨克斯和恩格尔曼的实验明确光合作用的产物和场所。那么，氧气来源于哪里呢？鲁宾和卡门的实验证明了光合作用的氧气来自水。教师根据逻辑顺序将光合作用科学史串联起来，有助于学生了解光合作用的来龙去脉，促进学生完整地认识光合作用的物质和能量代谢的过程，并且使学生意识到科学研究不是一蹴而就，而是不同阶段不同科学家共同努力的结果。

2.2 显性表达，理解本质 教师在教学过程中，不需要对所有科学家的发现过程面面俱到，应有侧重点。有些材料只是辅助教学，可以一笔带过。而像恩格尔曼、萨克斯的巧妙实验有助于培养学生的探究能力和科学思维，应着重强调。科学本质的体现也是一样，不需要也不应该面面俱到，应该对这堂课凸显的科学本质的主要方面进行讲解和阐述。例如，光合作用发现史讲解的过程中可以主要通过科学知识的动态发展性、科学的可验证性以及科学和技术的相互作用这几个方面进行阐释。很多教师习惯通过课堂活动间接地使学生领会科学本质。莱德曼教授指出，应该显性的、善于反思的进行科学本质教育。所以教师应该用明确的语言告知学生教学内容主要体现了哪些方面的科学本质，引导学生通过小组讨论等方式了解光合作用发现历程中科学家所遇到的问题、采用的方法以及涉及到的技术，明白科学本质的内涵。

2.3 巧设问题，引导探究 在光合作用发现史设计中，很多教师仅依次向学生呈现普利斯特利、英格豪斯、梅耶等人的发现过程，科学史仅仅是作为一种背景性知识。教师应该使学生沿着科学家探索光合作用的历程不断深入，使学生体验探究过程、研究方法。因此在学习光合作用科学史时，教师可以根据萨克斯的实验设置一个主题：“验证植物叶片在光合作用下合成的产物是淀粉”。学生根据已有的知识、小组分工合作设计实验。各小组间再互相补充，最后与萨克斯的实验方案进行对比，发现不足之处。教师可以通过问题串的创设，层层引导来培养学生的科学思维。使科学研究的过程逻辑清晰。问题串的设计如下： ①暗处理这一步是否可以省略？为什么？②叶片如何进行遮光处理？③本实验是否存在对照组？若有，请指出单一变量？④利用酒精处理叶片的目的是什么？⑤如何证明光合作用的产物存在淀粉？

当利用多媒体展示，通过问题的层层递进，引导学生在阅读、合作交流的活动中使问题得到圆满解决后，学生就会深刻地理解科学研究的逻辑性和严谨性，更加深入理解科学本质，而不是纸上谈兵。