科学思维方法在生物学科学史教学中的应用

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》中指出：发展科学思维是基于生物学事实和证据，运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法，探讨、阐释现象及规律，审视或论证生物学社会议题。生物科学史是生物学的发展历史，也是生物学中的重要观点、思想和方法，是发展学生科学思维的良好素材。科学史材料可用于归纳概括形成概念，也可引导演绎推理发展思维，亦可指导建模与修正模型，更是批判性思维、创造性思维形成的原材料。

新人教版高中生物学必修1“分子与细胞”中“光合作用原理和应用”部分新增三则科学史材料。本文通过灵活运用教材中新增科学史素材，适当拓展科学史证，以科学史为载体引导学生运用“分析论证”“演绎推理”“归纳概括”和“模型建模”等科学思维方法构建光反应和暗反应过程，最终形成光合作用原理整体模型，有效培养学生的科学思维能力。

一、教学设计背景

（一）教材分析

“光合作用的原理和应用”是人教版高中生物学必修1“分子与细胞”第5章第4节的内容，通过呈现科学家的经典实验，阐述人类对光合作用的认识过程，引領学生探索光合作用中光反应过程和暗反应过程的物质和能量变化，构建光合作用过程模型。该节内容既是对上一节叶绿体结构理解的加深，又为学习光合作用原理应用于生产实践奠定了基础。

（二）学情分析

学生在义务教育阶段学习了光合作用的研究历史和基本过程，且在本模块前一阶段的学习中学习了酶、ATP和呼吸作用，学习了色素和叶绿体结构，有利于理解更为复杂的光合作用的光反应阶段和暗反应过程。

二、教学目标

（1）通过对希尔的实验、鲁宾和卡门的实验相关科学史资料的分析论证，构建出光反应过程中的物质和能量变化，培养分析与论证的科学思维。

（2）通过对卡尔文循环的相关科学史资料的演绎推断，利用假说演绎法构建出暗反应过程中物质和能量变化，学会应用演绎与推理的思维思考问题。

（3）通过阿尔农的实验寻找光反应和暗反应的联系，归纳整合形成完整的光合作用过程模型，掌握分析与推理、归纳与总结的科学思维方法。

三、教学过程

（一）猜想与论证——构建光反应过程

1.提出问题

学生在初中阶段已学习了光合作用的过程。教师引导学生回忆光合作用的场所、原料和产物，并写出光合作用过程总反应式：CO2+H2O→O2+（CH2O）。教师提出问题：请学生用箭头标出反应式中O2的氧原子可能的来源。

2.做出猜想

学生对反应式中O2的氧原子来源作出以下三种猜想。猜想1：O2中的氧原子全部来源于CO2;猜想2：O2中的氧原子来源于H2O和CO2;猜想3：O2中的氧原子全部来源于H2O。

3.史料论证

教师给出科学史材料1：19世纪末科学界认为光合作用中CO2分子中的碳原子和氧原子被分开，氧气被释放，C和H2O结合成甲醛，甲醛分子缩合成糖;后来人们发现甲醛对植物有毒害作用，且不能转变为糖。学生通过分析科学史材料1否定猜想1“O2中的氧原子全部来源于CO2”。

教师接着给出科学资料2：1937年英国植物学家希尔发现，仅给离体叶绿体的悬浮液供给H2O，不供给CO2，给予光照，叶绿体就能释放O2。学生通过分析科学史资料2得出O2中的氧原子来源于H2O。

教师提出问题：希尔的实验能够证明O2中的氧原子全部来源于水吗？有没有更好的实验方法证明氧气来源H2O还是CO2？

学生经小组讨论后得出希尔的实验不能证明氧原子全部来源于水，并提出利用同位素标记法追踪氧原子的变化，学生分析实验的自变量为18O标记H2O或CO2，因变量为测定植物释放的O2是否含有同位素18O，设计两组实验。学生设计实验后教师给出课本上科学史资料3：鲁宾和卡门的同位素标记实验的过程和实验结果。学生分析科学史资料3证实猜想3“O2中的氧原子全部来源于H2O”是正确的，从而构建出光反应中水的光解过程：H2O→O2+H+。

4.完善过程

教师补充科学史材料4：1954年，美国科学家阿尔农在离体的叶绿体体系中加入ADP、Pi和氧化型辅酶II（NADP+），给予光照，体系中除生成O2外，有ATP和还原型辅酶II（NADPH）产生。教师让学生找出该过程中加入的反应物和产物之间的关系，尝试写出简单的反应式。学生分析资料构建出光反应中三个反应式：H2O→O2+H+;H++NADP+→NADPH;ADP+Pi+光能→ATP。教师引导学生结合光反应的物质变化分析该过程中的能量变化。学生得出光反应过程中光能转变为NADPH和ATP中的化学能。教师提出问题：该过程需要的条件是什么？结合之前所学知识，推断光反应的场所，学生思考得出光反应的场所为类囊体薄膜。

（设计意图：在探寻光反应过程中氧气中氧原子的来源时，让学生依据已知光合作用总反应式作出猜想，再在科学史中寻找证据证实猜想，在论证猜想的过程中引导学生先设计探究实验，再给出科学史验证学生想法，以此培养学生猜想与论证的科学思维。）

（二）演绎与推理——构建暗反应过程

1.提出问题

教师引导学生思考：光合作用中CO2是如何变为有机物（CH2O）的？有什么办法可以知道CO2中的碳原子经历了哪些阶段转化为有机物（CH2O）中的碳呢？学生思考得出通过同位素标记法追踪C原子的转化路径。

教师给出科学史资料5：美国科学家卡尔文用小球藻进行实验，供给14C标记14CO2，每隔一段时间取样检测放射性，0.5秒时，14C标记物首先出现在C3上，5秒时出现在糖类（CH2O）和C5上。学生分析资料写出暗反应的两个反应过程：CO2→C3和C3→C5+（CH2O）。教师提出问题：CO2如何形成C3的呢？

2.做出假设

学生思考后作出假设：CO2和二碳化合物（C2）反应形成C3。教师接着给出科学史资料6：卡尔文起初以为是一种二碳化合物（C2）与CO2反应生成C3，但在细胞中始终没有找到相应的C2。后来卡尔文发现，正常情况下C3与C5的相对浓度为2∶1。学生分析资料，否定之前假设，作出新的假设：CO2与C5反应生成C3。

3.演绎推理

假设是否正确，教师引导学生进行演绎推理，根据假设内容CO2与C5反应生成C3，推断如果光照正常的情况下，停止CO2的供应，C3和C5的含量如何变化。学生分析推断出短时间内C3减少，C5增加。

4.史料验证

教师补充科学史资料7：卡尔文停止小球藻的14CO2的供应，光照正常，测定出C3的含量短时间内减少，C5的含量短時间内增加。学生发现卡尔文的实验结果与其演绎推理的结果一致，证实假说正确。学生构建出暗反应过程的两个反应式：CO2+C5→2C3;C3→C5+（CH2O）。

（设计意图：构建暗反应过程中，教师重新组织三则科学史资料的信息，引导学生依次提出问题、作出假设、演绎推理、实验验证，利用科学史实验结果作为演绎推理的实验验证。通过假说演绎法逐步构建暗反应过程，培养了演绎推理的科学思维能力。）

（三）分析与推理——构建光反应和暗反应联系

教师补充科学史资料8：卡尔文发现在CO2供应正常的情况下，停止光照，发现C3的浓度短时间内升高，C5的浓度短时间内降低。教师提出问题：通过资料分析光照影响CO2+C5→2C3或C3→C5+（CH2O）中的哪个过程。学生分析C3和C5的含量变化得出光照影响C3→C5+（CH2O）过程。教师接着追问：光照如何影响该过程？

教师补充科学史资料9：科学家阿尔农发现，离体的叶绿体给予光照，不供给CO2，既积累NADPH也积累ATP;撤去光照，供给CO2，NADPH和ATP被消耗，并有（CH2O）产生。学生根据资料分析得出光照影响C3→C5+（CH2O）过程的原因是光反应为该过程提供了NADPH和ATP。根据光反应与暗反应的联系引导学生构建暗反应过程中的能量变化，学生分析得出暗反应过程中NADPH和ATP中的化学能转变为有机物中的化学能。

教师提出问题：根据阿尔农的实验思考暗反应所需要的条件和场所。学生分析资料得出，暗反应在叶绿体基质中进行，需要酶、CO2、NADPH和ATP等的参与。

（设计意图：先分析光反应影响暗反应的哪个过程，再分析光反应如何影响暗反应的该过程，逐步突破光反应与暗反应之间通过ATP和NADPH的转化相互联系，引导学生在构建过程中理清顺序、逐步推断，培养分析与推理的科学思维能力。）

（四）模型与建模——构建光合作用过程模型

通过光反应和暗反应的联系将上述构建的光反应和暗反应过程连接整合，构建出完整的光合作用原理过程图，形成光合作用过程知识体系（如图1）。

（设计意图：由局部到整体逐步构建完整的光合作用物质变化和能量转化模型，便于学生探寻光合作用的实质和意义，从而能较好地归纳概括形成光合作用的原理，明确光合作用是一个有机整体，形成局部和整体观，锻炼了学生模型与建模的能力，培养了学生归纳与概括的科学思维习惯。）

四、教学反思

探寻光反应过程中氧气中氧原子的来源时，让学生依据已知知识作出猜想，再在科学史中寻找证据论证猜想，其中希尔实验的科学史作为史证材料，鲁宾和卡门实验的科学史作为学生设计实验中的实验结果呈现;构建暗反应过程中，教师重新组织卡尔文实验和阿尔农实验的科学史，使其成为学生提出问题、作出假设、演绎推理、实验验证的重要依据，通过假说演绎法逐步构建暗反应过程。光合作用光反应和暗反应的探究科学史，既有丰富的知识内容，又有科学思维渗透，更有科学精神的体现，将叙事性的科学史呈现方式转变为与学生共同探究的方式，让学生应用猜想论证、演绎推理、实验设计等科学思维参与课堂，不断构建模型，进一步修正和完善模型，培养了学生的科学思维能力。

（作者单位：广东省佛山市顺德区罗定邦中学）

编辑：曾彦慧

作者简介：苏静（1985—），女，研究生，中学生物学一级教师。