基于科學(xué)思維發(fā)展的“光合作用過程”的論證式教學(xué)

王 麗

(江蘇省蘇州工業(yè)園區(qū)星海實(shí)驗(yàn)中學(xué) 蘇州 215000)

論證式教學(xué)是當(dāng)前國際科學(xué)教育及其研究領(lǐng)域所關(guān)注的一個(gè)新方向，成為國內(nèi)外科學(xué)教育研究的熱點(diǎn)之一。它通過將論證活動(dòng)引入課堂，讓學(xué)生經(jīng)歷類似科學(xué)家的評價(jià)資料、提出主張、為主張進(jìn)行辯駁等過程，從而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方式。教學(xué)中采用論證式教學(xué)，圍繞某一論題利用科學(xué)的方法收集證據(jù)，運(yùn)用一定的論證方式解釋、評價(jià)自己及他人證據(jù)和觀點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)性，促進(jìn)思維的共享和交鋒，最終達(dá)成可接受的結(jié)論[1]。

1 教材分析和設(shè)計(jì)思路

“光合作用”是人教版高中生物學(xué)教材必修1第5章第4節(jié)的內(nèi)容，包括綠葉中色素的提取和分離實(shí)驗(yàn)、光合作用的發(fā)現(xiàn)史以及光合作用的過程等主要內(nèi)容。是學(xué)習(xí)了細(xì)胞呼吸概念后，又一體現(xiàn)物質(zhì)和能量觀的大概念。因此是本章乃至本模塊的教學(xué)重點(diǎn)。但對O2如何釋放、在哪里釋放，CO2如何利用、何時(shí)利用，教材均沒有詳細(xì)的介紹其探究過程。在教學(xué)過程中，教師常采用讀書指導(dǎo)法，讓學(xué)生閱讀教材內(nèi)容并識(shí)記光合作用過程圖解。這在一定程度上有利于學(xué)生記憶，但學(xué)生缺乏對光合作用過程的主動(dòng)探究以及對知識(shí)體系的主動(dòng)建構(gòu)過程，導(dǎo)致機(jī)械式記憶光合作用過程，不能應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際的生活問題，不利于學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。

因此，筆者嘗試開展基于科學(xué)思維發(fā)展的“光合作用過程”的論證式教學(xué)。通過光合作用的概念學(xué)習(xí)，可以嘗試自主構(gòu)建光合作用的反應(yīng)式。基于該反應(yīng)式，提供一系列科學(xué)史資料，教師提出環(huán)環(huán)相扣的問題，引導(dǎo)學(xué)生分析解決問題，逐步完善光合作用過程。學(xué)生參與了光合作用過程的探究歷程，激發(fā)了深層次思考，對光合作用過程的復(fù)雜機(jī)制有了深刻理解，提高了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，旨在發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

2 教學(xué)目標(biāo)

基于課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求和學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并圍繞培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的要求，制訂了如下教學(xué)目標(biāo)：

(1) 通過對光反應(yīng)和暗反應(yīng)進(jìn)行初探，掌握光合作用基本過程。

(2) 通過對光反應(yīng)和暗反應(yīng)的再探究，發(fā)展科學(xué)思維和科學(xué)探究的能力。

(3) 通過模型建構(gòu)活動(dòng)，深化所學(xué)知識(shí)，初步形成歸納與概括能力，進(jìn)一步提升學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。

3 教學(xué)過程

3.1 光反應(yīng)階段初探 教師提供以下資料，引導(dǎo)學(xué)生分析問題：

資料一： 將葉綠體破壞后離心，得到類囊體懸浮液、葉綠體基質(zhì)，分別加入試管中(圖1)。然后將①號(hào)和②號(hào)置于光下，③號(hào)和④號(hào)置于黑暗中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)： 四支試管中只有①號(hào)有氣泡產(chǎn)生，收集的氣體可使帶火星的衛(wèi)生香復(fù)燃。若向4支試管中都加入氧化劑2， 6-二氯酚靛酚(一種藍(lán)色染料，會(huì)被[H]還原成無色)，發(fā)現(xiàn)①號(hào)褪色。此外，1954年，美國科學(xué)家阿農(nóng)等在對葉綠體進(jìn)行光照時(shí)還發(fā)現(xiàn)： 當(dāng)供給磷酸、ADP時(shí)，會(huì)有ATP產(chǎn)生。若用同樣方法處理四支試管，只有①號(hào)有ATP產(chǎn)生。

圖1 資料一實(shí)驗(yàn)圖

教師提出以下問題：

(1) ①號(hào)試管產(chǎn)生什么氣體？①號(hào)和②號(hào)試管對照，說明什么？①號(hào)和③號(hào)試管對照，說明什么？

(2) ①號(hào)試管褪色說明可能有什么物質(zhì)生成？①號(hào)和②號(hào)試管對照，說明什么？①號(hào)和③號(hào)試管對照，說明什么？

對于學(xué)校而言，“互聯(lián)網(wǎng)+”為傳統(tǒng)教學(xué)模式、管理模式進(jìn)行優(yōu)化與創(chuàng)新，且通過高標(biāo)準(zhǔn)信息交流模式為信息提供了更可靠的便利性特點(diǎn)[2]，從而使學(xué)校網(wǎng)絡(luò)的信息交流趨于快速化和便攜化，促進(jìn)了校園的建設(shè)與發(fā)展。

(3) ①號(hào)和②號(hào)試管對照，說明ATP的產(chǎn)生場所在哪里？①號(hào)和③號(hào)試管對照，說明ATP的產(chǎn)生條件是？

通過教師的引導(dǎo)分析，初步得出結(jié)論： 光照條件下，在葉綠體類囊體薄膜上可生成O2、 [H]、 ATP。因該過程需要光照，因此稱為光合作用的光反應(yīng)階段。通過光反應(yīng)階段，光能轉(zhuǎn)化為ATP中活躍的化學(xué)能。

3.2 光反應(yīng)階段再探究 通過資料一的分析，光合作用光反應(yīng)階段釋放了O2。那么，光合作用釋放的O2來自水還是CO2？(為了發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，光合作用的發(fā)現(xiàn)史部分暫不學(xué)習(xí)。)教師引導(dǎo)學(xué)生思考： 如果采用小球藻作為實(shí)驗(yàn)材料，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究光合作用光反應(yīng)階段釋放的O2來源呢？(考慮到該環(huán)節(jié)難度較大，教師引導(dǎo)學(xué)生回憶科學(xué)家是如何研究分泌蛋白的合成和分泌過程的？如果采用同樣的方法，該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)幾組？理由是什么？)各小組討論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并分享。隨后教師展示美國科學(xué)家魯賓和卡門的實(shí)驗(yàn)方案。

當(dāng)學(xué)生的科學(xué)思維方法與科學(xué)家產(chǎn)生共鳴時(shí)，極大地促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促使學(xué)生進(jìn)行認(rèn)知結(jié)構(gòu)的同化和順應(yīng)。

通過學(xué)生的討論分析、教師的引導(dǎo)，學(xué)生進(jìn)一步得出結(jié)論： 光合作用光反應(yīng)階段釋放的氧氣來自水的光解，并且推知，光反應(yīng)階段產(chǎn)生的[H]也來自水的光解。

3.3 暗反應(yīng)階段初探 教師引導(dǎo)學(xué)生對資料一繼續(xù)進(jìn)行探究，圖1實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)： ①②③④試管提供CO2、 ATP、[H]，只有②④兩試管中有糖產(chǎn)生；②④試管不提供ATP、 [H]，兩試管均無糖產(chǎn)生。

教師提出問題： ①號(hào)和②號(hào)試管對照，說明什么？②號(hào)和④號(hào)試管對照，說明什么？

3.4 暗反應(yīng)階段再探究 通過暗反應(yīng)階段初探，學(xué)生能夠初步構(gòu)建暗反應(yīng)模型(圖2)。

圖2 構(gòu)建暗反應(yīng)模型

就該模型，教師提出探究問題： 請以小球藻為實(shí)驗(yàn)材料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)追蹤C(jī)O2中碳元素的轉(zhuǎn)移途徑。學(xué)生很容易想到利用同位素標(biāo)記技術(shù)進(jìn)行追蹤，但對具體的操作方法還缺乏思維深度，需要教師提供科學(xué)史資料搭建支架進(jìn)行論證： 20世紀(jì)40年代，科學(xué)家開始用放射性同位素14C做實(shí)驗(yàn)研究碳元素的轉(zhuǎn)移途徑。美國科學(xué)家卡爾文等用小球藻做實(shí)驗(yàn)，將小球藻放置在密閉容器中,然后將14C標(biāo)記的14CO2注入容器,光照下培養(yǎng)相當(dāng)短的時(shí)間之后,將小球藻浸入熱的酒精中殺死細(xì)胞，使細(xì)胞中的酶變性而失效。接著他們提取到溶液里的物質(zhì)，然后將提取物應(yīng)用雙向紙層析法分離,并通過一定的方法鑒定出這些物質(zhì)。照光30秒，發(fā)現(xiàn)放射性出現(xiàn)在C3、 C5、 C6等多種化合物中。

教師提出問題： 如何確定放射性首先出現(xiàn)在哪個(gè)化合物中？

為了啟發(fā)學(xué)生思考，教師適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生從照光時(shí)間的角度分析，該環(huán)節(jié)旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。最后教師提供科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)思路： 卡爾文和他的科研小組通過不斷縮短光照時(shí)間，發(fā)現(xiàn)放射性幾乎只出現(xiàn)在一種三碳化合物(C3化合物)中，從而證明最先生成的是C3化合物。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生繼續(xù)完善暗反應(yīng)模型(圖3)。經(jīng)過暗反應(yīng)階段，CO2首先被C5化合物固定，生成C3化合物，C3化合物最終還原為C5化合物和有機(jī)物，C5化合物的再生保證了暗反應(yīng)階段的化學(xué)反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行下去，因此稱該過程為卡爾文循環(huán)。

圖3 卡爾文循環(huán)圖解

3.5 構(gòu)建光合作用過程模型 模型是人們按照特定的科學(xué)研究目的，在某種假設(shè)條件下，再現(xiàn)原型客體本質(zhì)特征(如結(jié)構(gòu)特性、功能、過程等)的物質(zhì)形式或思維形式的類似物。適當(dāng)采用構(gòu)建模型的方式，便于學(xué)生認(rèn)識(shí)模型所反映的原型性質(zhì)和規(guī)律，逐漸形成科學(xué)概念。教師提供給每個(gè)小組一塊白板、貼有磁性膠條的紙片(寫有光合作用場所及所需物質(zhì)和能量，圖4)。引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建光合作用的過程模型，旨在培養(yǎng)其整合所學(xué)知識(shí)的能力，實(shí)現(xiàn)對其科學(xué)思維能力的培養(yǎng)。

圖4 光合作用過程的模型構(gòu)建

4 教學(xué)反思

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》提出： 要在生物學(xué)課堂應(yīng)用論證教學(xué)的策略培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維。通過培養(yǎng)學(xué)生的論證技能，可以讓學(xué)生學(xué)會(huì)如何提出、支持、評價(jià)以及修正觀點(diǎn)，運(yùn)用論據(jù)支持自己的觀點(diǎn)，為研究問題構(gòu)建合理的解釋。在論證的過程中，學(xué)生的思維能力得到提高，而且這種思維能力可以運(yùn)用到其他任何情境中。盡管我們不清楚學(xué)生未來面臨的生活和挑戰(zhàn)，但是具備科學(xué)思維的學(xué)生有能力獲取知識(shí)并解決科學(xué)上、社會(huì)中的問題。通過科學(xué)思維的培養(yǎng)，學(xué)生不僅能夠在課堂中學(xué)到足夠的知識(shí)和技能，也有能力應(yīng)對課堂之外的生活。教師要將科學(xué)思維的培養(yǎng)融入自己的課堂教學(xué)中，為學(xué)生的終身學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。