基于科学思维发展的“光合作用过程”的论证式教学

王 丽

(江苏省苏州工业园区星海实验中学 苏州 215000)

论证式教学是当前国际科学教育及其研究领域所关注的一个新方向，成为国内外科学教育研究的热点之一。它通过将论证活动引入课堂，让学生经历类似科学家的评价资料、提出主张、为主张进行辩驳等过程，从而培养学生科学的思维方式。教学中采用论证式教学，围绕某一论题利用科学的方法收集证据，运用一定的论证方式解释、评价自己及他人证据和观点之间的关联性，促进思维的共享和交锋，最终达成可接受的结论[1]。

1 教材分析和设计思路

“光合作用”是人教版高中生物学教材必修1第5章第4节的内容，包括绿叶中色素的提取和分离实验、光合作用的发现史以及光合作用的过程等主要内容。是学习了细胞呼吸概念后，又一体现物质和能量观的大概念。因此是本章乃至本模块的教学重点。但对O2如何释放、在哪里释放，CO2如何利用、何时利用，教材均没有详细的介绍其探究过程。在教学过程中，教师常采用读书指导法，让学生阅读教材内容并识记光合作用过程图解。这在一定程度上有利于学生记忆，但学生缺乏对光合作用过程的主动探究以及对知识体系的主动建构过程，导致机械式记忆光合作用过程，不能应用所学知识解决实际的生活问题，不利于学生科学思维的发展。

因此，笔者尝试开展基于科学思维发展的“光合作用过程”的论证式教学。通过光合作用的概念学习，可以尝试自主构建光合作用的反应式。基于该反应式，提供一系列科学史资料，教师提出环环相扣的问题，引导学生分析解决问题，逐步完善光合作用过程。学生参与了光合作用过程的探究历程，激发了深层次思考，对光合作用过程的复杂机制有了深刻理解，提高了学生解决实际问题的能力，旨在发展学生的科学思维。

2 教学目标

基于课程标准的内容要求、学业要求和学业质量标准，并围绕培养学生核心素养的要求，制订了如下教学目标：

(1) 通过对光反应和暗反应进行初探，掌握光合作用基本过程。

(2) 通过对光反应和暗反应的再探究，发展科学思维和科学探究的能力。

(3) 通过模型建构活动，深化所学知识，初步形成归纳与概括能力，进一步提升学生的生物学核心素养。

3 教学过程

3.1 光反应阶段初探 教师提供以下资料，引导学生分析问题：

资料一： 将叶绿体破坏后离心，得到类囊体悬浮液、叶绿体基质，分别加入试管中(图1)。然后将①号和②号置于光下，③号和④号置于黑暗中。结果发现： 四支试管中只有①号有气泡产生，收集的气体可使带火星的卫生香复燃。若向4支试管中都加入氧化剂2， 6-二氯酚靛酚(一种蓝色染料，会被[H]还原成无色)，发现①号褪色。此外，1954年，美国科学家阿农等在对叶绿体进行光照时还发现： 当供给磷酸、ADP时，会有ATP产生。若用同样方法处理四支试管，只有①号有ATP产生。

图1 资料一实验图

教师提出以下问题：

(1) ①号试管产生什么气体？①号和②号试管对照，说明什么？①号和③号试管对照，说明什么？

(2) ①号试管褪色说明可能有什么物质生成？①号和②号试管对照，说明什么？①号和③号试管对照，说明什么？

对于学校而言，“互联网+”为传统教学模式、管理模式进行优化与创新，且通过高标准信息交流模式为信息提供了更可靠的便利性特点[2]，从而使学校网络的信息交流趋于快速化和便携化，促进了校园的建设与发展。

(3) ①号和②号试管对照，说明ATP的产生场所在哪里？①号和③号试管对照，说明ATP的产生条件是？

通过教师的引导分析，初步得出结论： 光照条件下，在叶绿体类囊体薄膜上可生成O2、 [H]、 ATP。因该过程需要光照，因此称为光合作用的光反应阶段。通过光反应阶段，光能转化为ATP中活跃的化学能。

3.2 光反应阶段再探究 通过资料一的分析，光合作用光反应阶段释放了O2。那么，光合作用释放的O2来自水还是CO2？(为了发展学生的科学思维，光合作用的发现史部分暂不学习。)教师引导学生思考： 如果采用小球藻作为实验材料，如何设计实验探究光合作用光反应阶段释放的O2来源呢？(考虑到该环节难度较大，教师引导学生回忆科学家是如何研究分泌蛋白的合成和分泌过程的？如果采用同样的方法，该实验设计几组？理由是什么？)各小组讨论设计实验方案并分享。随后教师展示美国科学家鲁宾和卡门的实验方案。

当学生的科学思维方法与科学家产生共鸣时，极大地促进了学生的学习积极性，促使学生进行认知结构的同化和顺应。

通过学生的讨论分析、教师的引导，学生进一步得出结论： 光合作用光反应阶段释放的氧气来自水的光解，并且推知，光反应阶段产生的[H]也来自水的光解。

3.3 暗反应阶段初探 教师引导学生对资料一继续进行探究，图1实验结果发现： ①②③④试管提供CO2、 ATP、[H]，只有②④两试管中有糖产生；②④试管不提供ATP、 [H]，两试管均无糖产生。

教师提出问题： ①号和②号试管对照，说明什么？②号和④号试管对照，说明什么？

3.4 暗反应阶段再探究 通过暗反应阶段初探，学生能够初步构建暗反应模型(图2)。

图2 构建暗反应模型

就该模型，教师提出探究问题： 请以小球藻为实验材料，设计实验追踪CO2中碳元素的转移途径。学生很容易想到利用同位素标记技术进行追踪，但对具体的操作方法还缺乏思维深度，需要教师提供科学史资料搭建支架进行论证： 20世纪40年代，科学家开始用放射性同位素14C做实验研究碳元素的转移途径。美国科学家卡尔文等用小球藻做实验，将小球藻放置在密闭容器中,然后将14C标记的14CO2注入容器,光照下培养相当短的时间之后,将小球藻浸入热的酒精中杀死细胞，使细胞中的酶变性而失效。接着他们提取到溶液里的物质，然后将提取物应用双向纸层析法分离,并通过一定的方法鉴定出这些物质。照光30秒，发现放射性出现在C3、 C5、 C6等多种化合物中。

教师提出问题： 如何确定放射性首先出现在哪个化合物中？

为了启发学生思考，教师适当引导学生从照光时间的角度分析，该环节旨在培养学生的科学思维能力。最后教师提供科学家的实验思路： 卡尔文和他的科研小组通过不断缩短光照时间，发现放射性几乎只出现在一种三碳化合物(C3化合物)中，从而证明最先生成的是C3化合物。在此基础上，学生继续完善暗反应模型(图3)。经过暗反应阶段，CO2首先被C5化合物固定，生成C3化合物，C3化合物最终还原为C5化合物和有机物，C5化合物的再生保证了暗反应阶段的化学反应持续进行下去，因此称该过程为卡尔文循环。

图3 卡尔文循环图解

3.5 构建光合作用过程模型 模型是人们按照特定的科学研究目的，在某种假设条件下，再现原型客体本质特征(如结构特性、功能、过程等)的物质形式或思维形式的类似物。适当采用构建模型的方式，便于学生认识模型所反映的原型性质和规律，逐渐形成科学概念。教师提供给每个小组一块白板、贴有磁性胶条的纸片(写有光合作用场所及所需物质和能量，图4)。引导学生自主构建光合作用的过程模型，旨在培养其整合所学知识的能力，实现对其科学思维能力的培养。

图4 光合作用过程的模型构建

4 教学反思

《普通高中生物学课程标准(2017年版)》提出： 要在生物学课堂应用论证教学的策略培养学生科学思维。通过培养学生的论证技能，可以让学生学会如何提出、支持、评价以及修正观点，运用论据支持自己的观点，为研究问题构建合理的解释。在论证的过程中，学生的思维能力得到提高，而且这种思维能力可以运用到其他任何情境中。尽管我们不清楚学生未来面临的生活和挑战，但是具备科学思维的学生有能力获取知识并解决科学上、社会中的问题。通过科学思维的培养，学生不仅能够在课堂中学到足够的知识和技能，也有能力应对课堂之外的生活。教师要将科学思维的培养融入自己的课堂教学中，为学生的终身学习奠定基础。