以光合作用科學(xué)史為載體滲透科學(xué)本質(zhì)教育

游燕玲 饒小珍

(福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 福州 350108)

科學(xué)本質(zhì)教育能幫助學(xué)生形成正確的科學(xué)觀念，區(qū)分生活中的科學(xué)和偽科學(xué)。生物科學(xué)史能夠引導(dǎo)學(xué)生探本溯源，理解科學(xué)本質(zhì)，把握科學(xué)研究的思路和方法，學(xué)習(xí)科學(xué)家獻身科研的精神。本文嘗試將光合作用研究歷史和科學(xué)本質(zhì)教育有機地結(jié)合起來，以培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。

1 光合作用科學(xué)史蘊含的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵

1.1 以史為例，深刻理解科學(xué)知識的形成是一個不斷修正的過程 科學(xué)知識受時代的局限影響，是人們在特定階段根據(jù)已有的經(jīng)驗對自然現(xiàn)象或者問題做出的合理解釋?？茖W(xué)知識的產(chǎn)生是螺旋式上升的，它是相對真理不斷趨近絕對真理的過程，科學(xué)知識需要不斷地被修正、完善，所以科學(xué)知識具有暫定性和發(fā)展性[1]。

例如，亞里士多德最初認為植物體營養(yǎng)物質(zhì)完全來自土壤。1648年海爾蒙特根據(jù)柳苗實驗認為植物體的物質(zhì)主要來自水，否定了亞里士多德的觀點，但是他忽略了空氣對植株體內(nèi)物質(zhì)形成所起的作用[2]。1771年普利斯特利通過鐘罩實驗發(fā)現(xiàn)植物能夠更新或恢復(fù)空氣。但其他人進行相同的實驗時卻得到相反的結(jié)果，普利斯特利認為這是由于植物在密閉環(huán)境中生長不良導(dǎo)致的，真正的原因是他沒有考慮到光照因素的影響。這種截然不同的實驗結(jié)果引起荷蘭醫(yī)生英格豪斯的注意，1779年英格豪斯做了500多次的實驗，最終發(fā)現(xiàn)只有植物的綠色部分在光照的作用下才能更新空氣，并且指出普利斯特利的實驗不能重復(fù)的主要原因是光照不足，從而發(fā)展了普利斯特利的觀點。1845年梅耶根據(jù)能量守恒定律提出植物體通過光合作用把光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能儲存起來。梅耶的發(fā)現(xiàn)為后人表達光合作用反應(yīng)式奠定了基礎(chǔ)，但是他的觀點并沒有立即得到認可。1864年薩克斯的實驗證明了光合作用的產(chǎn)物還包括淀粉，并且證明了葉綠素在光合作用中發(fā)揮作用。1883年恩格曼利用水綿作為實驗材料，發(fā)現(xiàn)植物光合作用的放氧部位是葉綠體，并且通過三棱鏡實驗發(fā)現(xiàn)好氧細菌主要集中在紅光和藍光區(qū)域。最終科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了光合作用的原料、產(chǎn)物、場所和條件。至此，柳樹生長之謎才得以揭曉，但是科學(xué)家仍在探究光合作用更深層次的分子機理。

從古希臘開始，歷經(jīng)幾百年，科學(xué)家研究光合作用不斷取得新的進展，但是人們?nèi)匀辉诓煌５靥剿鞴夂献饔玫膴W秘，不斷修正、完善光合作用的相關(guān)理論，這說明科學(xué)認識是無止境的。

1.2 以史為據(jù)，全面體驗科學(xué)探索是基于觀察、實驗和推論的歷程 科學(xué)是探究客觀世界的思維方式，任何科學(xué)的理性過程都必須建立在證據(jù)之上，因此科學(xué)探索不是主觀臆想。生物學(xué)是以生物結(jié)構(gòu)和功能為研究對象的一門學(xué)科，其探索過程通常需要實驗支持，在實驗的基礎(chǔ)上，依靠觀察和推論等手段來進行。

例如，普利斯特利將燃燒的蠟燭放在密閉的玻璃鐘罩內(nèi)，觀察發(fā)現(xiàn)蠟燭不久就熄滅了；在另一組將一盆薄荷苗和一支燃燒的蠟燭放在密閉的玻璃鐘罩內(nèi)，蠟燭不容易熄滅。幾天后，普利斯特利利用凸透鏡將太陽光聚焦在蠟燭芯上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)放有薄荷苗的蠟燭重新燃燒，因此他認為植物能夠純化空氣。普利斯特利又做了另外一個實驗，他在密閉的玻璃鐘罩內(nèi)單獨放入小鼠，小鼠很快死亡；而在另外一個密閉的玻璃鐘罩內(nèi)放入小鼠和薄荷苗，小鼠正常存活。普利斯特利在實驗過程中，通過對現(xiàn)象的觀察，從而得出推論： 植物可以更新空氣。但是推論也是需要通過實驗進行驗證的。

因此，科學(xué)探索就是實驗、觀察、推論不斷反復(fù)的過程。在實驗過程中，有一些是可以通過觀察現(xiàn)象直接驗證的，而有一些是在觀察的基礎(chǔ)上進行推論的。

1.3 以史為鏡，切身了解科學(xué)工作需要科學(xué)家的想象力和創(chuàng)造性 科學(xué)知識不是純粹客觀的，知識的產(chǎn)生的所有階段都需要人們想象力和創(chuàng)造性的參與，包括提出假說、設(shè)計實驗、結(jié)果分析等。

例如，科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)水綿的葉綠體呈帶狀螺旋形，好氧細菌分布在有氧的環(huán)境中。1883年德國科學(xué)家恩格爾曼根據(jù)當時已知水綿葉綠體的特點和好氧細菌分布的習(xí)性，創(chuàng)造性地采用水綿和好氧細菌的臨時裝片進行實驗，從而能夠更好地觀察光合作用發(fā)生的場所以及確定氧氣釋放的部位。他創(chuàng)設(shè)沒有空氣的黑暗條件來排除外界環(huán)境因素的干擾。為了形成對照實驗，他發(fā)揮自己的想象和創(chuàng)造性，利用極細的光束照射水綿，從而創(chuàng)造出水綿上有光照和無光照兩個部位，最終發(fā)現(xiàn)葉綠體被光照到的部位是好氧細菌的聚集地。為了保證實驗的嚴謹性，他將臨時裝片完全曝光，葉綠體所有光照的部位均有好氧細菌的分布，又一次證明了實驗結(jié)論。這個實驗巧妙地證明了氧氣是在葉綠體產(chǎn)生的。恩格爾曼證明葉綠體是植物體光合作用的放氧部位后，他的研究并沒有就此終止。緊接著他又做了一個實驗，他將水綿臨時裝片用透過三棱鏡的光進行照射，結(jié)果發(fā)現(xiàn)紅光和藍光照射的葉綠體分布大量的好氧細菌，從而可以確定葉綠體主要吸收紅光和藍光來進行光合作用，釋放氧氣。

恩格爾曼的實驗充分地體現(xiàn)在特定階段應(yīng)善于選材、創(chuàng)造條件，將實驗對象和條件巧妙地結(jié)合起來，以此來進行科學(xué)的探究。薩克斯的實驗，以及魯賓和卡門巧妙地將放射性同位素標記法應(yīng)用于科學(xué)研究，無一不說明了科學(xué)發(fā)展的階段需要想象和創(chuàng)造性的參與。

1.4 以史為鑒，深切領(lǐng)會科學(xué)、技術(shù)、社會的相互關(guān)系 科學(xué)、技術(shù)、社會之間存在雙向互動的關(guān)系?？茖W(xué)研究是為了更好地認識自然界的客觀規(guī)律和事物之間的內(nèi)在聯(lián)系?？茖W(xué)為技術(shù)提供理論基礎(chǔ)；反過來，技術(shù)通過改造自然，使人類更好地認識自然，并推動科學(xué)的發(fā)展?？茖W(xué)、技術(shù)共同推動社會的發(fā)展和進步，而社會發(fā)展的客觀規(guī)律又制約著科學(xué)、技術(shù)的發(fā)展。

例如，英格豪斯用帶葉的枝條進行實驗，由于受到技術(shù)發(fā)展的限制，只發(fā)現(xiàn)植物在光照條件下才能更新空氣，不能確定產(chǎn)生氧氣。之后科學(xué)家采用化學(xué)方法鑒定空氣的成分，最終確定植物光照條件下產(chǎn)生氧氣。魯賓和卡門也通過同位素放射性標記法證明了光合作用產(chǎn)生的氧氣來自水，這都說明技術(shù)影響科學(xué)的發(fā)展。同樣，科學(xué)也推動技術(shù)的發(fā)展。光學(xué)原理促進顯微鏡的發(fā)明應(yīng)用，根據(jù)同位素示蹤所利用的放射性核素與自然界存在的相應(yīng)元素與化合物的化學(xué)性質(zhì)相同的原理發(fā)明了同位素標記法，從而推動光合作用理論的完善。光合作用機理的深入研究，能夠應(yīng)用在社會實踐，人們通過控制光照和溫度等因素，來增加農(nóng)作物產(chǎn)量，有利于解決糧食問題。而科學(xué)、技術(shù)的發(fā)展也要考慮到社會倫理以及發(fā)展規(guī)律。所以科學(xué)、技術(shù)、社會三者是不可分割的。

2 以光合作用科學(xué)史為載體，開展科學(xué)本質(zhì)教育的策略

2.1 精選材料，強化脈絡(luò) 教師應(yīng)該根據(jù)教學(xué)目標對科學(xué)史進行解讀并進行適當?shù)难a充和調(diào)整[3]，凸顯主題，保證科學(xué)史的邏輯性和完整性，以達到對科學(xué)本質(zhì)的深入理解。因此在光合作用科學(xué)史的學(xué)習(xí)中，教師可以增加亞里士多德的看法和海爾蒙特的柳樹實驗，起到拋磚引玉的作用。在課堂活動中，還可以增加植物學(xué)家斯蒂芬·黑爾斯的實驗，發(fā)現(xiàn)空氣為植物生長提供營養(yǎng)，以此過渡到普利斯特利的鐘罩實驗；接著展示英格豪斯的實驗來完善普利斯特利的結(jié)論；在光合作用過程中，光能究竟去哪兒了？應(yīng)介紹德國科學(xué)家梅耶通過實驗發(fā)現(xiàn)光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲存在植物中。再列舉薩克斯和恩格爾曼的實驗明確光合作用的產(chǎn)物和場所。那么，氧氣來源于哪里呢？魯賓和卡門的實驗證明了光合作用的氧氣來自水。教師根據(jù)邏輯順序?qū)⒐夂献饔每茖W(xué)史串聯(lián)起來，有助于學(xué)生了解光合作用的來龍去脈，促進學(xué)生完整地認識光合作用的物質(zhì)和能量代謝的過程，并且使學(xué)生意識到科學(xué)研究不是一蹴而就，而是不同階段不同科學(xué)家共同努力的結(jié)果。

2.2 顯性表達，理解本質(zhì) 教師在教學(xué)過程中，不需要對所有科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)過程面面俱到，應(yīng)有側(cè)重點。有些材料只是輔助教學(xué)，可以一筆帶過。而像恩格爾曼、薩克斯的巧妙實驗有助于培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)思維，應(yīng)著重強調(diào)?？茖W(xué)本質(zhì)的體現(xiàn)也是一樣，不需要也不應(yīng)該面面俱到，應(yīng)該對這堂課凸顯的科學(xué)本質(zhì)的主要方面進行講解和闡述。例如，光合作用發(fā)現(xiàn)史講解的過程中可以主要通過科學(xué)知識的動態(tài)發(fā)展性、科學(xué)的可驗證性以及科學(xué)和技術(shù)的相互作用這幾個方面進行闡釋。很多教師習(xí)慣通過課堂活動間接地使學(xué)生領(lǐng)會科學(xué)本質(zhì)。萊德曼教授指出，應(yīng)該顯性的、善于反思的進行科學(xué)本質(zhì)教育。所以教師應(yīng)該用明確的語言告知學(xué)生教學(xué)內(nèi)容主要體現(xiàn)了哪些方面的科學(xué)本質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生通過小組討論等方式了解光合作用發(fā)現(xiàn)歷程中科學(xué)家所遇到的問題、采用的方法以及涉及到的技術(shù)，明白科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵。

2.3 巧設(shè)問題，引導(dǎo)探究 在光合作用發(fā)現(xiàn)史設(shè)計中，很多教師僅依次向?qū)W生呈現(xiàn)普利斯特利、英格豪斯、梅耶等人的發(fā)現(xiàn)過程，科學(xué)史僅僅是作為一種背景性知識。教師應(yīng)該使學(xué)生沿著科學(xué)家探索光合作用的歷程不斷深入，使學(xué)生體驗探究過程、研究方法。因此在學(xué)習(xí)光合作用科學(xué)史時，教師可以根據(jù)薩克斯的實驗設(shè)置一個主題：“驗證植物葉片在光合作用下合成的產(chǎn)物是淀粉”。學(xué)生根據(jù)已有的知識、小組分工合作設(shè)計實驗。各小組間再互相補充，最后與薩克斯的實驗方案進行對比，發(fā)現(xiàn)不足之處。教師可以通過問題串的創(chuàng)設(shè)，層層引導(dǎo)來培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。使科學(xué)研究的過程邏輯清晰。問題串的設(shè)計如下： ①暗處理這一步是否可以省略？為什么？②葉片如何進行遮光處理？③本實驗是否存在對照組？若有，請指出單一變量？④利用酒精處理葉片的目的是什么？⑤如何證明光合作用的產(chǎn)物存在淀粉？

當利用多媒體展示，通過問題的層層遞進，引導(dǎo)學(xué)生在閱讀、合作交流的活動中使問題得到圓滿解決后，學(xué)生就會深刻地理解科學(xué)研究的邏輯性和嚴謹性，更加深入理解科學(xué)本質(zhì)，而不是紙上談兵。