基于论证式教学策略的生物科学史教学案例设计——以“光反应和碳反应的探究历程”为例

叶云祥

（云和县教育发展中心 浙江丽水 323000）

1 问题的提出

1958年，英国哲学家图尔敏在《论证的运用》中提出了经典的图尔敏论证模型。20世纪90年代开始，“知识推理”和“论证”被引入课堂，论证式教学由此诞生。作为新时期科学教育的重点，论证教学可以帮助学生尝试着经历类似科学家的辩驳过程，提高教学方式的多样性和高效性。在高中生物学教学中，科学史是论证式教学的重要载体，科学史对学生知识掌握以及能力培养有重要价值，能够帮助学生理解知识蕴藏的科学思维与科学研究方法，实现知识与能力的双向发展。

下文以“光反应和碳反应的探究历程”相关科学史为主线，构建论证式教学模型，并探究论证式教学模式如何在课堂教学中激发学生对光合作用内在机制的主动探究与理性思考，发展学生的科学思维。

2 科学发展史论证式教学的前期准备

概念的构建过程往往就是探究的过程。学生无法通过直接的实验探究获得有些概念，需要教师提供更多可靠的事实性材料，兼顾结论和过程方法，引导学生自主建构概念。

2.1 科学发展史精选原则

基于论证式教学策略的科学发展史研究，需秉承以下3个原则，准确、全面继而精选相关科学史内容。

①关注发展历程原则。教师要明确重要的不是使所有学生都能得出标准答案，而是学生都能从一个科学史实出发，体会科学家不断质疑、推理、论证、重构的过程。

②循序渐进原则。教师重在引导学生对科学史作出理性的评价与分析。

③价值优先原则。科学史能给学生多方面启迪，而并非只是单纯地呈现历史事件。

2.2 建构论证式教学模型

论证式教学策略实质就是将科学论证引入到课堂教学中，使学生经历科学家类似的论证实践活动，让学生在资料分析中得出主张，在质疑和反驳中探究问题。“图尔敏模型”是目前论证式教学中研究者常用的模型，下文参考“图尔敏模型”来进行论证教学。

该模型包括资料、主张、根据、支援、限制条件、反驳六个要素（图1）。资料、主张和根据是论证模型的核心成分，是图尔敏模型的基本模式，可组成一个简单的论证，在图1中以虚线框突出显示。在基本模式上增加扩展要素——支援、限制条件、反驳，就形成了涵括六要素的完整模式。

图1 图尔敏论证模型

根据以上模型，本研究将基于论证式教学策略的生物科学史教学的一般流程设计为三个阶段：

①创设情境。教师创设情境，以生物学中的某一现象或者问题导入，引导学生体验科学家的探索过程，促进学生发现和提出问题。

②分析资料、提出主张、修正主张。在这一阶段，教师注重引导学生从科学史素材当中提取并形成自己的主张并修正。主张指一个观点或断言，教师提供的科学史即为资料，是提出主张所依据的最基本的事实，是主张的出发点。

③寻找论据、质疑辩驳、完善主张。本阶段中，教师注重学生的相互讨论，引导学生敢于质疑、提出质疑是关键。科学论证是科学领域内对知识或观点产生的诠释及说服他人接受该知识或观点的过程。各持己见的双方于活动中基于赞同或反对的角度提出主张、使用证据为自己的观点辩护和证伪。如何寻找论据再反驳，从而支撑自己的观点是高水平科学思维的体现。在科学史教学中，科学规律、自然现象等都可以作为论据进行反驳和再反驳。最终，学生可以在质疑和辩驳过程中，不断完善主张。

3 教学案例设计

3.1 教学分析

“光合作用的探究历程”是浙科版《必修1·分子与细胞》第三章第五节“光合作用”的内容。光反应和碳反应的探究历程涉及多个经典科学实验，蕴含了科学家丰富的创造性思维和实证思想，是培养学生科学精神、科学思维和科学探究方法的经典素材，能够为今后学生科学实验探究奠定良好的基础，也为学习光合作用的原理和过程模型的构建做好铺垫。

高一学生已具备与光合作用有关的生活经验，在之前的学习中已掌握酶、ATP、细胞呼吸、叶绿体的结构与功能等背景知识。同时，学生刚学习过细胞学说的建立史、酶的发现史等科学史，对科学史和科学探究过程有了一定的认识。学生也已具备一定提取信息、分析和解决问题的能力。实施论证式教学是可行的。

3.2 教学目标

①通过对叶绿体结构、光合作用原理的学习，形成一定的结构与功能观；通过建立“光反应”与“碳反应”的联系，形成物质与能量观。

②通过科学史揭示光合作用的历程，经历发现问题、提出主张、寻找论据、质疑辩驳、完善主张的科学家探究历程，培养科学思维。

③通过对科学家实验思路的解读以及科学实验方法的学习，培养科学探究的能力。

④通过对光合作用解决实际生产生活问题的学习，认识到生物科学的价值，关心科学技术的发展和社会生活，形成保护环境意识。

3.3 教学重难点

教学重点：了解科学研究的基本方法；构建光反应与碳反应模型。

教学难点：进入科学家角色，对光合作用发现过程中的经典实验进行分析，领会实验设计思想和方法。

3.4 设计思路

3.4.1 光反应和碳反应的发现的过程

（1）创设情境。

教师展示：绿叶海天牛的图片，并提问：绿叶海天牛为什么呈现绿色？光合作用一定要在光下进行吗？

（2）分析资料、提出主张、修正主张。

教师提供资料：1771年，英国科学家普利斯特利证实：植物可以更新因蜡烛燃烧或小白鼠呼吸而变得污浊的空气。1779年，英格豪斯发现，只有在光照下“植物更新空气”才能成功。在教师引导下，学生小组合作，分析资料、提出主张：光照是进行光合作用的条件。

在此基础上，教师提供资料2：20世纪初，英国的布莱克曼、德国的瓦伯格等人在研究光强、温度和CO2浓度对光合作用影响时发现，在弱光下增加光强能提高光合速率，但当光强增加到一定值时，再增加光强则不再提高光合速率。这时要提高温度或CO2浓度才能提高光合速率。根据资料，学生通过小组讨论，提出质疑：光合作用可能存在不需要光而依赖的阶段。

（3）寻找论据、质疑辩驳、完善主张。

教师再次提供资料3：布莱克曼和瓦伯格接着用藻类进行“间歇光”实验。在光能量相同的前提下，一种用连续光照（10 min），另一种用间歇光照（5 s光照，5 s黑暗，共20 min），发现后者光合作用总产量远高于前者，且光暗交替处理的频率越高、产物越多。教师引导学生思考：照射相同时间，为什么间歇光组会比连续光照组的产量高出许多？这说明了什么？学生分析材料，讨论后发现：相同时间内，给予5 s黑暗仍能进行光合作用，意味着光合作用有需要光和不需要光两个阶段。而光暗交替处理的频率越高、产物越多，说明失去光照支持时，光合作用不能维持太长的时间。因此，暗反应需要光反应提供某种物质或者能量支持。

3.4.2 光反应和碳反应之间的物质、能量关系

（1）创设情境。

教师提问：光合作用中光反应和暗反应存在着何种物质或能量的联系呢？

（2）分析资料、提出主张、修正主张。

教师提供资料4：1937年，英国剑桥大学的希尔将叶绿体从植物中分离出来，加到具有氢受体的水溶液中，在无CO2的条件下给予光照，发现叶绿体中有O2放出。并引导学生思考：叶绿体释放的O2和CO2有无直接关系？学生分析资料、提出主张：无直接关系，但存在着某种氢受体即能放出O2。

教师提供资料5：许多物质如2，4-二氯酚靓酚、苯醌、NADP+、NAD+等都能作为希尔反应的电子受体，但在高等植物体内，天然存在的受体只有NADP+。1954年，美国科学家阿尔农用离体的叶绿体做实验，同样无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+时，会有ATP和NADPH产生。学生在教师引导下得出结论：该体系最终产生了ATP、NADPH。

（3）寻找论据、质疑辩驳、完善主张。

学生提出质疑：产生的ATP、NADPH有什么作用？据此，教师提供资料6：阿尔农继续用离体叶绿体做实验，发现在黑暗条件下，只要供给CO2、ATP和NADPH，叶绿体就能将CO2转变为糖，ATP和NADPH含量急剧下降。学生依据资料，得出结论：光反应为碳反应提供了ATP和NADPH。

3.4.3 碳反应中的碳同化路径

（1）创设情境。

教师提出问题：光合作用是如何吸收CO2转化为有机物的呢？

（2）分析资料、提出主张、修正主张。

教师提供资料7：卡尔文团队用14C标记了CO2，反应30s后，发现产生了C3、C4、C5、C6、C7等一系列物质具有放射性的物质。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。在光照5s后，卡尔文同时检测到了含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖（C6）。学生通过分析放射性出现的位置，推测出碳同化过程中存在着相对复杂的物质转化。将时间缩短以后，放射性首先出现在了C3中，随后出现在C5和C6当中。据此，学生分析碳同化的路径为：CO2→C3→C5、C6。

（3）寻找论据、质疑辩驳、完善主张。

学生提出质疑：生成的C5和C6会去哪里呢？教师提供资料8：当停止CO2供应时，C3的浓度急速降低，C5的浓度急速升高；停止光照时，C3增加，C5和葡萄糖同步减少。并提问：外界条件改变时，C3、C5和葡萄糖的含量变化说明了什么？学生分析资料，通过质疑和辩驳发现：当停止CO2供应时，C3和C5的浓度变化说明C5能够帮助CO2固定形成C3；停止光照时，C3增加，C5和葡萄糖同步减少，说明C3在光反应提供物质、能量支持下能够还原出C5和葡萄糖。据此，学生完善主张，得出结论：C5+CO2→2C3；2C3→C5+（CH2O）。

3.4.4 构建光反应碳反应模型，得出结论

最后，教师组织课堂活动，为学生提供标注“H2O”“O2”“氢”“NADPH”“ATP”“C3”“C5”“C6”“CH2O”的物质卡片，要求学生合作构建出光合作用过程模型：①根据卡尔文等科学家揭示光合作用的科学历程和结果，推测大致过程。②以小组为单位合作探究，每小组确定一位中心发言人，构建反应过程模型。

4 教学总结

本节课主要运用相关的科学史资料，引导学生提出质疑、论证探究，领略科学家在研究过程中的科学思维和探究精神，体会科学探究的一般过程。课上，教师为学生提供了充足的自主探讨空间，目标不在于得出标准答案，而在于引导学生体会提出质疑、修正主张、得出结论的过程，发展学生在真实情境中发现和提出问题、分析和解决问题的核心素养。