在高考復(fù)習(xí)中突出科學(xué)本質(zhì)的教育******
——以“光合作用”為例

□王 薦

（無錫市第一女子中學(xué)，江蘇無錫 214002）

科學(xué)本質(zhì)是生物學(xué)教育的重要內(nèi)容之一，在新頒布的高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中有專門的論述。目前主流觀點(diǎn)認(rèn)為科學(xué)本質(zhì)教育要顯性化，筆者承擔(dān)了相關(guān)課題研究，在高考復(fù)習(xí)中也積極突出科學(xué)本質(zhì)教育，收到了實(shí)效。現(xiàn)以“光合作用”一節(jié)為例，說明在高考復(fù)習(xí)中如何突出科學(xué)本質(zhì)教育。

一、分析本節(jié)承載的科學(xué)本質(zhì)教育內(nèi)容

對(duì)科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵解讀有不同的流派學(xué)說，但一般認(rèn)為科學(xué)本質(zhì)由“科學(xué)知識(shí)、科學(xué)方法、科學(xué)探索、科學(xué)事業(yè)”等組成，Lederman提出了科學(xué)本質(zhì)的模型，根據(jù)他的模型，可將“光合作用”科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容列于表1。[1]

表1

續(xù)表

續(xù)表

二、突出科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)策略

科學(xué)的學(xué)習(xí)是一個(gè)學(xué)生動(dòng)態(tài)探究、自我建構(gòu)與反思的過程，因此教師必須設(shè)計(jì)多種突出科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)活動(dòng)來幫助學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)。

（一）設(shè)計(jì)探究活動(dòng)

光合作用會(huì)受到外界各種因素的影響，現(xiàn)提供以下材料設(shè)計(jì)一項(xiàng)探究實(shí)驗(yàn)，思考實(shí)驗(yàn)的自變量、因變量、無關(guān)變量是什么？它們?nèi)绾畏謩e設(shè)置、檢測和控制？

器材：打孔器，注射器，40W臺(tái)燈，燒杯，1%NaHCO3溶液，磷酸緩沖液，菠菜葉等。

學(xué)生小組討論，完成以下學(xué)習(xí)任務(wù)單。

提出問題:影響光合作用強(qiáng)度的外界因素有：__________________________________

做出假設(shè):__________________________

設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：__________________

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析：__________________

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：_________________________

進(jìn)一步探究：______________________

在學(xué)生交流了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案后，提出更高的要求：能否同時(shí)研究光照和二氧化碳濃度對(duì)光合作用的影響？能否研究不同光譜對(duì)光合作用的影響？

學(xué)生經(jīng)過討論得出優(yōu)化方案：不同的光譜對(duì)光合作用的影響，只要置換燈泡即可實(shí)現(xiàn)。如果同時(shí)研究光照和二氧化碳濃度對(duì)光合作用的影響，只要先固定其中一個(gè)變量，再改變另外一個(gè)變量進(jìn)行測定即可。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生設(shè)計(jì)出了實(shí)驗(yàn)記錄表格。

__________________________________________________葉片上浮時(shí)間/s燒杯（編號(hào)）___NaHCO3溶液（濃度梯度） 弱光 中光 強(qiáng)光

在此過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生圍繞自己的問題與假設(shè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，鼓勵(lì)學(xué)生充分利用實(shí)驗(yàn)的研究功能，自主實(shí)踐研究，在探究過程中，教師主動(dòng)介入討論，幫助他們理解科學(xué)是探究實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，科學(xué)知識(shí)來自實(shí)驗(yàn)事實(shí)，有連續(xù)的觀察也有跳躍的推論，整個(gè)過程不是一個(gè)連續(xù)的認(rèn)識(shí)序列。

（二）剖析典型例題

例題：卡爾文及其同事因光合作用的研究成果獲得了1961年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。卡爾文將小球藻裝在一個(gè)密閉容器中，通過一個(gè)通氣管向玻璃容器中通入CO2，通氣管上有一個(gè)開關(guān)，可控制CO2的供應(yīng)，容器周圍有光源，通過控制電源開關(guān)可控制光照的有無。請(qǐng)回答下列問題：

(1)實(shí)驗(yàn)材料小球藻屬于_____（填“原核”或“真核”）生物。

(2)卡爾文通過停止______來探究光反應(yīng)和暗反應(yīng)的聯(lián)系，他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是圖1中的 。

圖1

(3)卡爾文通過停止_____來探究光合作用過程中固定CO2的化合物，這時(shí)他發(fā)現(xiàn)C5的含量快速升高，由此得出固定CO2的物質(zhì)是C5。

(4)卡爾文向密閉容器中通入14CO2，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到第5 s時(shí)，14C出現(xiàn)在一種C5和一種C6中；將反應(yīng)時(shí)間縮短到0.5 s時(shí)，14C出現(xiàn)在一種C3中。上述實(shí)驗(yàn)中卡爾文是通過控制_____來探究CO2中碳原子的轉(zhuǎn)移路徑的，采用的技術(shù)方法有______等。

(5)卡爾文將不同反應(yīng)條件下的小球藻放入70℃的蒸餾水中，這樣做是為了使細(xì)胞中的______失活，此時(shí)，細(xì)胞中的化合物就保持在熱處理之前的狀態(tài)。

解析 (1)小球藻屬于真核生物。(2)在光照下，光反應(yīng)進(jìn)行，其產(chǎn)生的ATP和[H]參與暗反應(yīng)中C3的還原，因此，通過停止光照可以探究光反應(yīng)和暗反應(yīng)的聯(lián)系。當(dāng)停止光照后，光反應(yīng)停止，ATP和[H]的合成停止，則C3的還原減少，C3濃度增大，C5濃度減小，停止光照一段時(shí)間后，C3和C5濃度基本保持不變。(3)在暗反應(yīng)中，CO2與C5結(jié)合形成C3，當(dāng)停止CO2的供應(yīng)后，CO2的固定受到影響，故會(huì)導(dǎo)致C5含量升高。(4)由題中敘述可知，實(shí)驗(yàn)中卡爾文是通過控制反應(yīng)時(shí)間來探究CO2中碳原子的轉(zhuǎn)移路徑的，該實(shí)驗(yàn)中他采用了放射性同位素標(biāo)記法。(5)酶是生物體內(nèi)催化化學(xué)反應(yīng)的催化劑，大多數(shù)酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，在高溫下酶的結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致細(xì)胞中的化學(xué)反應(yīng)不能進(jìn)行，化合物的含量不再發(fā)生變化。

答案 （1）真核 （2）光照 （a）（3）CO2的供應(yīng) （4）反應(yīng)時(shí)間 同位素標(biāo)記法 （5）酶

將科學(xué)史引入課堂教學(xué)是科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的應(yīng)然之舉，它能使學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)家面對(duì)問題時(shí)的思考和實(shí)驗(yàn)探究的歷程，有助于學(xué)生領(lǐng)悟解決問題的方法，了解科學(xué)家的研究藝術(shù)、理解知識(shí)由來并協(xié)助他們更好地了解科學(xué)的本質(zhì)。此題典型的凸顯了卡爾文研究的創(chuàng)造性：小球藻容易培養(yǎng)；單細(xì)胞，容易瞬間固定，容易發(fā)現(xiàn)暗反應(yīng)每步產(chǎn)生的物質(zhì)；用14C標(biāo)記CO2，半衰期長，研究時(shí)間充分；采用色譜分析法和放射自顯影技術(shù)等。

（三）開展科學(xué)閱讀

在生物學(xué)教學(xué)中我們始終引導(dǎo)學(xué)生開展科學(xué)閱讀活動(dòng)，高考復(fù)習(xí)期間同樣如此。我們?cè)诟呖紡?fù)習(xí)期間及時(shí)為學(xué)生提供最新生物學(xué)進(jìn)展新聞報(bào)道，張貼在教室，并通過班級(jí)QQ群和微信群傳送，重要內(nèi)容則復(fù)印后分發(fā)，要求學(xué)生認(rèn)真閱讀。光合作用我們選擇了姚敦義主編的《生命科學(xué)史》一書中光合作用一節(jié)內(nèi)容（5頁）[2]，要求學(xué)生閱讀并思考以下問題：荷蘭微生物學(xué)家尼爾發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的光合作用，對(duì)人類認(rèn)識(shí)植物光合作用有何幫助？這種思考方式叫什么？有何特點(diǎn)？希爾實(shí)驗(yàn)的重要性何在？希爾反應(yīng)對(duì)人類認(rèn)識(shí)光合作用場所有何幫助？在研究暗反應(yīng)酶促反應(yīng)過程中，同位素示蹤技術(shù)和紙層析技術(shù)起了什么作用？小球藻用于暗反應(yīng)研究有何優(yōu)點(diǎn)？卡爾文是如何發(fā)現(xiàn)二氧化碳固定細(xì)節(jié)的？他為何沒有發(fā)現(xiàn)C4途徑？當(dāng)前科學(xué)家主要研究光合作用的熱點(diǎn)問題是什么？怎樣從生物學(xué)能的角度來理解光合作用和呼吸作用？這些問題能引導(dǎo)學(xué)生從歷史的角度進(jìn)一步思考光合作用發(fā)現(xiàn)史的曲折，理解科學(xué)知識(shí)的暫時(shí)性與發(fā)展性，領(lǐng)略科學(xué)家的研究藝術(shù)和思維方式。例如卡爾文利用縮短光照時(shí)間，發(fā)現(xiàn)了14C首先出現(xiàn)在3-磷酸甘油酸（3-PGA）上，隨著時(shí)間延長，14C則在C3、C4、C5、C6中均能見到，這樣他確定了光合作用最初的產(chǎn)物是3-PGA，那么是什么物質(zhì)接收14CO2呢？按照一般邏輯，最可能是一種二碳分子，但經(jīng)長期實(shí)驗(yàn)搜索，并未發(fā)現(xiàn)二碳分子存在，卻發(fā)現(xiàn)反應(yīng)物中普遍存在1,5-二磷酸核酮糖的五碳糖?？栁拇竽懖孪耄欠袷撬邮誄O2成為六碳的中間產(chǎn)物，再分解為3-PGA的呢？卡爾文后來用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了猜想，為人類了解光合作用的關(guān)鍵一步做出了突出貢獻(xiàn)。但可惜的是，在面對(duì)暗反應(yīng)最初產(chǎn)物有四碳酸時(shí)，卡爾文主觀地認(rèn)為只有C3一條途徑，放棄了對(duì)C4途徑的研究，使得人類對(duì)C4途徑的認(rèn)識(shí)晚到1966年才證實(shí)。

有學(xué)生在讀書筆記中寫道：遷移類比是科學(xué)研究中的重要方法，從希爾實(shí)驗(yàn)類比出光合作用過程，同樣，薩頓從細(xì)胞分裂實(shí)驗(yàn)類比出基因和染色體行為存在著明顯的平行關(guān)系，推論出基因就在染色體上。讓人扼腕的是，科學(xué)家也有人性的弱點(diǎn)，巴甫洛夫面對(duì)胰液的激素調(diào)節(jié)，固執(zhí)的認(rèn)為是神經(jīng)調(diào)節(jié)，失去了一個(gè)發(fā)現(xiàn)真理的機(jī)會(huì)，同樣卡爾文由于發(fā)現(xiàn)了C3固定過程，對(duì)C4途徑也是視而不見，失去了再次發(fā)現(xiàn)光合作用奧秘的機(jī)會(huì)。還有同學(xué)寫了一首小詩來表達(dá)對(duì)科學(xué)家高超科研藝術(shù)的敬仰：科學(xué)有奇巧，眾賢顯智慧，光合漸露相，終有水落時(shí)。

（四）引導(dǎo)學(xué)生反思

光合作用內(nèi)容繁多，引導(dǎo)學(xué)生思考如何測定光合作用，涉及半葉法、液滴法、黑白瓶法等實(shí)驗(yàn)方法。半葉法是將葉片一半遮光、一半曝光，分別測定兩半葉的干物質(zhì)重量，進(jìn)而計(jì)算葉片的真正光合速率、呼吸速率和凈光合速率。真正光合速率就是單位面積兩葉片的重量差。液滴法一般是設(shè)置兩個(gè)如圖2所示裝置，在黑暗條件下，甲裝置中紅色液滴左移距離可代表呼吸速率，在光照條件下，乙裝置中液滴右移可代表凈光合速率，真正光合速率=凈光合速率+呼吸速率。

圖2

黑白瓶法則是分別測定黑瓶和白瓶中氧氣（或CO2）的變化量，黑瓶測定的是有氧呼吸量，白瓶測定的是凈光合作用量，在有初始值的情況下，黑瓶中O2減少量是有氧呼吸量，白瓶中O2增加量是凈光合作用量，兩者和為總光合作用量；在沒有初始值情況下，白瓶中測得的現(xiàn)有量-黑瓶中測得的現(xiàn)有量=總光合作用量。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比三個(gè)實(shí)驗(yàn)異同，思考并體悟這三個(gè)方法的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图八枷胧歉叨纫恢碌模际巧婕昂粑?、凈光合、總光合三率的測定，彰顯了“科學(xué)工作依賴于觀察和推論”以及“科學(xué)工作采用基于實(shí)證的范式”等科學(xué)本質(zhì)，對(duì)“科學(xué)是創(chuàng)造性的工作”有了直觀的體會(huì)，學(xué)生對(duì)科研工作者的巧妙構(gòu)思擊節(jié)贊嘆。

三、基于科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)反思

對(duì)于科學(xué)本質(zhì)的教育，教師既要關(guān)注傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)主義、理性主義和邏輯實(shí)證主義科學(xué)本質(zhì)觀，又要關(guān)注現(xiàn)代的證偽主義、歷史主義和建構(gòu)主義科學(xué)本質(zhì)觀，更要關(guān)注新課標(biāo)中對(duì)科學(xué)本質(zhì)觀教育內(nèi)容的敘述，可以看到新課標(biāo)的敘述有對(duì)傳統(tǒng)的繼承，如“科學(xué)工作依賴觀察和推論，科學(xué)工作采用基于實(shí)證的范式，科學(xué)是創(chuàng)造性的工作”，也有對(duì)科學(xué)本質(zhì)教育研究的新認(rèn)識(shí)，像“科學(xué)知識(shí)可能隨著研究的深入而改變，科學(xué)工作中要高度關(guān)注主觀因素的影響、理論和定律賦予科學(xué)解釋的能力，但兩者不盡相同，科學(xué)會(huì)受到社會(huì)和文化的影響”等。教師要全面理解科學(xué)本質(zhì)的涵義，將科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)有機(jī)融為一體（HPS），從大科學(xué)概念的建立入手，精心設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生不僅復(fù)習(xí)知識(shí)本身，而且深刻理解科學(xué)知識(shí)的發(fā)生過程，從而真正領(lǐng)悟科學(xué)的本質(zhì)，提高生物學(xué)的核心素養(yǎng)。