關(guān)于“光合作用的發(fā)現(xiàn)”中科學(xué)史的教學(xué)探索

1 設(shè)計(jì)思路

《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》中明確指出應(yīng)該注重生物科學(xué)史的學(xué)習(xí)。而本節(jié)教學(xué)內(nèi)容概述了科學(xué)史中光合作用的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，是對(duì)初中所學(xué)光合作用的基礎(chǔ)知識(shí)的進(jìn)一步深化，更深刻地闡明了光合作用發(fā)現(xiàn)過(guò)程中的幾個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。本節(jié)的教學(xué)目標(biāo)不僅是透徹理解光合作用的實(shí)質(zhì)，更重要的是通過(guò)光合作用的發(fā)現(xiàn)史讓學(xué)生體驗(yàn)和認(rèn)識(shí)科學(xué)研究的過(guò)程，認(rèn)識(shí)科學(xué)家實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的巧妙之處，使學(xué)生初步學(xué)會(huì)科學(xué)探究的過(guò)程和方法，逐步形成科學(xué)探究的科學(xué)素養(yǎng)，變被動(dòng)學(xué)為主動(dòng)探究，使學(xué)生構(gòu)建自身的知識(shí)體系成為可能。

高中階段學(xué)生在學(xué)習(xí)了細(xì)胞、酶、ATP、呼吸作用等知識(shí)后，開(kāi)始了難度較大的“光合作用”的學(xué)習(xí)，光合作用發(fā)現(xiàn)史的學(xué)習(xí)為下一節(jié)課深刻理解光合作用原料、產(chǎn)物、具體過(guò)程等埋下伏筆，科學(xué)發(fā)現(xiàn)史的每個(gè)實(shí)驗(yàn)一環(huán)扣一環(huán)，彼此間有著緊密的聯(lián)系，在教學(xué)過(guò)程中采取啟發(fā)式教學(xué)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，引導(dǎo)學(xué)生換位思考，如果你是科學(xué)家應(yīng)該如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)繼續(xù)探究前人探究歷程中遇到的問(wèn)題，學(xué)會(huì)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已有的知識(shí)主動(dòng)的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，讓學(xué)生站在科學(xué)家的角度思考問(wèn)題并講解實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)的掌握和遷移。

2 教學(xué)手段

多媒體輔助教學(xué)設(shè)備，探究實(shí)驗(yàn)

3 教學(xué)過(guò)程

3.1 新課導(dǎo)入

創(chuàng)設(shè)情境：（指向窗外）看！美麗的自然界中有那么多的綠色植物，如果沒(méi)有它們，地球上大多數(shù)的生物包括我們?nèi)祟?lèi)能不能正常地存活？這是什么作用？提問(wèn)：什么是光合作用？科學(xué)家是怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探索發(fā)現(xiàn)光合作用的呢？今天我們就一起來(lái)回眸歷史，揭開(kāi)光合作用之謎。

眾所周知，一顆種子播種在土壤中，在適宜的條件下便可萌發(fā)生長(zhǎng)。有的可長(zhǎng)成高達(dá)數(shù)十米的參天大樹(shù)；有的在其最適合生長(zhǎng)的季節(jié)里具有驚人的生長(zhǎng)速度。如玉米在拔節(jié)期每天大約可長(zhǎng)高8厘米。那么，植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是從哪里來(lái)的？出示圖片，早在公元前2世紀(jì)，古希臘的哲學(xué)家亞里士多德認(rèn)為，植物生長(zhǎng)發(fā)育所需要的物質(zhì)全部來(lái)自土壤，這句話對(duì)嗎?你能用實(shí)驗(yàn)證明嗎？引出海爾蒙特的實(shí)驗(yàn)。

3.2 新知學(xué)習(xí)

運(yùn)用多媒體展示海爾蒙特的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果，（“柳樹(shù)之謎”的漫畫(huà)），分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出問(wèn)題：①樹(shù)重量的增加是不是來(lái)自于土壤？②實(shí)驗(yàn)結(jié)果土壤減少了，減少的是什么物質(zhì)？他認(rèn)為構(gòu)成植物體的物質(zhì)來(lái)自水，而土壤只供給極少量的物質(zhì)。③木桶上還要加蓋，目的是什么？結(jié)論完全正確嗎？忽略了什么因素的作用？

總結(jié)：這個(gè)結(jié)論首先提出了水參與植物體有機(jī)物質(zhì)合成的觀點(diǎn)，但是沒(méi)有考慮到植物能否從空氣中得到什么。

【板書(shū)】

1.1648年 海爾蒙特實(shí)驗(yàn) 結(jié)論：水分是建造植物體的唯一原料

課件演示普里斯特利實(shí)驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象，組織學(xué)生分小組進(jìn)行討論：①該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了什么？②該實(shí)驗(yàn)是否證明了二氧化碳和氧氣變化？③后來(lái)科學(xué)家重復(fù)他的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有時(shí)候成功，有時(shí)候失敗，失敗的最可能原因是什么？④如果你是科學(xué)家，你將如何進(jìn)一步完善這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)？

總結(jié)：實(shí)驗(yàn)采用了對(duì)照的方法控制變量，證明植物能“凈化”因燃燒或動(dòng)物呼吸而變得污濁的空氣，使空氣變好，這就是后來(lái)人們才知道的植物在光合作用中釋放出氧氣的緣故。然而他卻把這種現(xiàn)象歸因于植物緩慢的生長(zhǎng)過(guò)程，卻忽略了光在此過(guò)程中的重要作用。這也是有人重復(fù)實(shí)驗(yàn)失敗的原因。

【板書(shū)】2.1771年 普利斯特利實(shí)驗(yàn) 結(jié)論：植物可以更新空氣

（多媒體展示實(shí)驗(yàn)過(guò)程）講解，設(shè)問(wèn)：英根豪斯實(shí)驗(yàn)采用什么實(shí)驗(yàn)方法，得出什么結(jié)論？

【板書(shū)】3.1779年 英格豪斯實(shí)驗(yàn) 結(jié)論：植物只有在光下才能更新空氣提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生：

（1）植物吸收和釋放的究竟是什么氣體？知道1785年由于發(fā)現(xiàn)了空氣的組成，人們才明確綠葉在光下放出的氣體是氧氣，吸收的是二氧化碳。

（2）這一過(guò)程在光下都能成功，那么光能到哪里去了？1845年，德國(guó)科學(xué)家梅耶根據(jù)能量轉(zhuǎn)換和守恒定律明確提出，植物在進(jìn)行光合作用時(shí)，把光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)。

（3）光能以什么形式儲(chǔ)存起來(lái)了呢？植物在吸收水分和二氧化碳，釋放氧氣的光程中，還產(chǎn)生了什么物質(zhì)呢？學(xué)生活動(dòng)：嘗試讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，然后學(xué)生觀看課件中的設(shè)計(jì)方案。

然后放映一段該實(shí)驗(yàn)的錄像，邊講解邊討論：

（1）實(shí)驗(yàn)前為什么要將植物放在暗處幾小時(shí)？

（2）為什么要一半遮光一半曝光？起到什么作用？

（3）為什么要進(jìn)行脫色處理？

（4）該實(shí)驗(yàn)?zāi)艿贸鍪裁唇Y(jié)論？結(jié)論：綠色植物在光下產(chǎn)生了淀粉。

【板書(shū)】4.1864年 薩克斯實(shí)驗(yàn) 結(jié)論：綠色植物在光下產(chǎn)生了淀粉

通過(guò)前面的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)知道光合作用的原料是二氧化碳和水，產(chǎn)物是淀粉和氧氣，那么植物光合作用產(chǎn)生的氧氣是來(lái)自二氧化碳，來(lái)自水，還是來(lái)自兩者？如果是你，你會(huì)怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)？展示學(xué)生的設(shè)計(jì)思路，并請(qǐng)學(xué)生解釋理由。

根據(jù)同位素標(biāo)記法，設(shè)置兩組實(shí)驗(yàn)：

（1）用18O分別標(biāo)記H2O和CO2。

（2）Ⅰ向綠色植物提供H218O和CO2；Ⅱ 向綠色植物提供H2O和C18O2。

討論：為什么要設(shè)置兩組實(shí)驗(yàn)，能否只做一組？為什么？通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以證明光合作用釋放出來(lái)的氧氣全部來(lái)自于水。

【板書(shū)】5.1940年 魯賓和卡門(mén)實(shí)驗(yàn) 結(jié)論：光合作用釋放出來(lái)的氧氣全部來(lái)自于水

光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物是怎樣合成的？和反應(yīng)中哪些原料有關(guān)？你如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明你的假設(shè)？仍然采用同位素標(biāo)記法，用14C標(biāo)記的14CO2供小球藻進(jìn)行光合作用，然后追蹤監(jiān)測(cè)其放射性，探明了CO2中的碳在光合作用中轉(zhuǎn)化的途徑稱為卡爾文循環(huán)。

【板書(shū)】6.1948年 卡爾文實(shí)驗(yàn) 結(jié)論：二氧化碳中的碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物中的碳

3.3訓(xùn)練反饋與拓展延伸

回顧科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出光合作用的原料、產(chǎn)物、場(chǎng)所和條件。

提出：目前對(duì)光合作用更深層次的探索，仍在繼續(xù)進(jìn)行，而建構(gòu)光合作用的知識(shí)是一個(gè)方面，但是更重要的是體驗(yàn)和學(xué)習(xí)科學(xué)家設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的思想和方法。引導(dǎo)學(xué)生思考：科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想及方法，對(duì)你有什么啟發(fā)？

總結(jié)：①設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)②控制單一變量③注意運(yùn)用學(xué)科之間的聯(lián)系與滲透。