例談運用生物科學(xué)史提升學(xué)生綜合素質(zhì)的實踐研究

呂國裕

摘? ?要：以人教版（2019年）光合作用原理和應(yīng)用科學(xué)史為例，例談運用生物科學(xué)史創(chuàng)設(shè)情境，利用生物科學(xué)史培養(yǎng)學(xué)生發(fā)展的核心素養(yǎng)，實踐生物科學(xué)史提升學(xué)生綜合素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：生物科學(xué)史;核心素養(yǎng);綜合素質(zhì)

綜合素質(zhì)是指一個人的知識水平、道德修養(yǎng)、適應(yīng)社會生存和發(fā)展的各種必備能力等多方面的綜合素養(yǎng)。綜合素質(zhì)的提升要落實到每一節(jié)課的教育教學(xué)活動中，學(xué)生核心素養(yǎng)是學(xué)生綜合素質(zhì)的重要組成部分。在生物課堂教學(xué)中，運用生物科學(xué)史教學(xué)，可以發(fā)展核心素養(yǎng)，從而提高學(xué)生的整體素質(zhì)。下面以人教版（2019年）光合作用原理科學(xué)史為例，例談運用生物科學(xué)史提升學(xué)生綜合素質(zhì)的實踐。

1? 運用生物科學(xué)史創(chuàng)設(shè)適宜的教學(xué)情境

情境教學(xué)是核心素養(yǎng)實施、綜合素質(zhì)提升的有效教學(xué)模式。生物學(xué)科的教學(xué)情境分為學(xué)習(xí)和生活情境、實驗探究情境和生物科學(xué)史情境[ 1 ]。生物科學(xué)史情境可以為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實的問題情境，為學(xué)生解決真實問題而引發(fā)思考，了解其相關(guān)的科學(xué)知識，解釋其科學(xué)現(xiàn)象，學(xué)習(xí)其蘊含的科學(xué)精神及科學(xué)家的科學(xué)態(tài)度，開啟學(xué)習(xí)科學(xué)本質(zhì)的旅程。

我校有一塊用于學(xué)生實踐的生物園地，種植各種蔬菜，教師帶領(lǐng)學(xué)生到菜園參觀，實地考查蔬菜生長狀況，引發(fā)學(xué)生思考：如何生產(chǎn)出綠色環(huán)保、有機(jī)、高產(chǎn)蔬菜？請利用光合作用的探索歷程所學(xué)知識解決問題。

分析：學(xué)生回顧初中生物所學(xué)光合作用的概念及反應(yīng)式，了解光合作用的反應(yīng)物、產(chǎn)物以及反應(yīng)的條件，但不了解光合作用發(fā)現(xiàn)的全部科學(xué)史及其詳細(xì)過程。期盼解決光合作用如何將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能？釋放的氧氣中的氧元素的來源是水還是二氧化碳？ 影響光合作用因素有哪些等系列問題。

2? 利用生物科學(xué)史培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)

學(xué)生參觀生物園地回到班級后，以研究性小組為單位利用網(wǎng)絡(luò)查找文獻(xiàn)，收集光合作用相關(guān)科學(xué)史資料，整理資料做成PPT，學(xué)生代表上臺講解光合作用科學(xué)史。這有利于培養(yǎng)學(xué)生查找文獻(xiàn)、獲取信息能力，比教師直接給出資料進(jìn)行分析好。除了教材中提供的光合作用發(fā)現(xiàn)歷程素材外，著重介紹補充如下資料。

資料1：希爾反應(yīng)。

學(xué)生代表多媒體展示希爾反應(yīng)資料。在光照條件下，綠色植物的葉綠體裂解水，釋放氧氣并還原電子受體的反應(yīng)。

學(xué)生質(zhì)疑：希爾的實驗說明水的光解釋放氧氣，氧氣中的氧元素全部來源于水嗎？

學(xué)生代表陳述：當(dāng)時許多科學(xué)家對水的光解產(chǎn)生的氧氣中氧元素的來源說法不一，有些人認(rèn)為來源于水，有些認(rèn)為來源于二氧化碳。

教師：如果你是當(dāng)時的科學(xué)家，你將怎樣設(shè)計實驗證明氧元素的來源？如何根據(jù)實驗結(jié)果說明氧元素的來源？

學(xué)生思考討論并回答：運用同位素示蹤法，可以用18O對水和二氧化碳進(jìn)行標(biāo)記，得到H218O和C18O2，實驗分為兩組，第一組提供H218O和C16O2，第二組提供H216O和C18O2。若第一組放出的是18O2，第二組放出的是16O2，說明氧元素只來源于H2O;若第一組放出的是16O2，第二組放出的是18O2，說明氧元素只來源于CO2[ 2 ]。

學(xué)生設(shè)計實驗并動手操作：根據(jù)討論結(jié)果，選擇實驗器具，設(shè)計實驗，動手驗證。沒有條件的學(xué)校，可以設(shè)計相應(yīng)的模擬動畫。

分析：通過分析科學(xué)史資料，培養(yǎng)學(xué)生歸納與概括能力，通過讓學(xué)生設(shè)計實驗預(yù)測結(jié)果，培養(yǎng)學(xué)生演繹和推理能力，同時提高了學(xué)生設(shè)計實驗、動手實踐能力。

資料2： 補充希爾實驗。

學(xué)生代表展示資料：希爾發(fā)現(xiàn)，含有葉綠體的提取液，在光和氫受體（能與氫離子結(jié)合）同時存在的條件下，會發(fā)生以下反應(yīng)：2H2O+2A→2H2A+O2，A是人工氫受體，氧化型的青綠色染料被H+還原成無色。在葉綠體提取液中加入這種染料，在有光照、無二氧化碳的條件下發(fā)現(xiàn)原本呈青綠色的提取液變成淡綠色，并且釋放氧氣;在無光照、無二氧化碳的條件下提取液顏色不變，也不釋放氧氣;提供二氧化碳給照過光再轉(zhuǎn)移到黑暗處的葉綠體提取液，發(fā)現(xiàn)有糖合成[ 2 ]。

學(xué)生代表：氧氣的產(chǎn)生和二氧化碳的利用是否都需要光照？

其他學(xué)生：氧氣的產(chǎn)生需要光照而二氧化碳利用不需要。

教師：引入光反應(yīng)和暗反應(yīng)的概念，歸納光反應(yīng)需要的條件。

學(xué)生代表：根據(jù)資料，水光解產(chǎn)生氧氣的同時還產(chǎn)生什么物質(zhì)？

其他學(xué)生討論并回答：還產(chǎn)生H+。

分析：通過提問的方式引導(dǎo)學(xué)生逐步分析資料，培養(yǎng)他們歸納與概括的科學(xué)思維能力。希爾反應(yīng)證明了光合作用的主要場所在葉綠體;植物放出的氧氣是水在光照下被分解和氧化，水的光解與C3的還原可單獨進(jìn)行，分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個階段;在光反應(yīng)階段水起到供氫體和電子供體的雙重作用。

追問：ATP生成一定需要光照嗎？暗反應(yīng)與光反應(yīng)有聯(lián)系嗎？

資料3：阿爾農(nóng)實驗。

學(xué)生代表多媒體展示證據(jù)： 1954年，美國科學(xué)家阿爾農(nóng)以離體的葉綠體為實驗對象，不供應(yīng)二氧化碳，提供光照和ADP和Pi，結(jié)果有ATP生成;但在黑暗條件下則不生成ATP。

分析：通過科學(xué)史，為主張尋找證據(jù)。通過阿爾農(nóng)對照實驗，證明ATP生成需要光照。

追問：用什么方法研究暗反應(yīng)中二氧化碳是如何轉(zhuǎn)變成有機(jī)物的？

學(xué)生：同位素標(biāo)記法。

資料4：卡爾文實驗。

學(xué)生代表多媒體展示卡爾文實驗資料，嘗試構(gòu)建碳循環(huán)途徑模型。利用14CO2、葉綠體提取液、光照進(jìn)行實驗，光照時間極短時，放射性主要在C3中;光照時間延長到30 s時，在C3、C5和糖類中都能檢測到放射性。

學(xué)生：構(gòu)建碳循環(huán)模型。

14CO2→C3→C3、C5和糖類。

質(zhì)疑：構(gòu)建的模型沒有體現(xiàn)碳循環(huán)？碳循環(huán)模型是否科學(xué)完美？

資料5：補充卡爾文實驗。

學(xué)生代表多媒體展示科學(xué)史補充資料，完善碳循環(huán)途徑模型。卡爾文和同事發(fā)現(xiàn)在光照和二氧化碳供應(yīng)穩(wěn)定，C3和C5的濃度保持相對穩(wěn)定;若光照不變，二氧化碳停止供給，則C3濃度降低、C5濃度升高;若二氧化碳濃度不變，停止光照，則C3濃度升高、C5濃度降低。

學(xué)生：修改完善模型，如圖1。

光→

分析：通過讓學(xué)生分析資料并回答相關(guān)問題，讓學(xué)生在原來的基礎(chǔ)上修改模型，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和模型與建模能力。

應(yīng)用：運用光合作用原理模型，預(yù)測植物氣孔關(guān)閉會影響植物光合作用強(qiáng)度等生命現(xiàn)象。

資料6：補充光合“午睡”科學(xué)史。

20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)植物在中午進(jìn)行光合作用的速率最低的“午睡”現(xiàn)象。原因是夏季中午溫度較高，為了防止蒸騰作用過強(qiáng)造成水分流失嚴(yán)重，植物氣孔關(guān)閉，進(jìn)入植物葉片內(nèi)的二氧化碳的量減少，其固定速率變慢，C3還原速率也變慢，光合作用強(qiáng)度減弱停滯[ 2 ]。

分析：植物光合作用強(qiáng)度不是隨溫度升高而增強(qiáng)。植物是復(fù)雜的生命系統(tǒng)，在長期進(jìn)化過程中，產(chǎn)生了自我保護(hù)的生存機(jī)制，在溫度較高的中午進(jìn)行“午睡”。學(xué)生利用所學(xué)知識，用批判性眼光理解生命現(xiàn)象。

3? 實踐生物科學(xué)史提升學(xué)生綜合素質(zhì)

學(xué)生學(xué)完了光合作用的原理后，利用工程學(xué)、數(shù)學(xué)、美學(xué)等對科學(xué)史的知識進(jìn)行實踐研究。利用學(xué)校的菜地，研究制作溫室小棚提高蔬菜的產(chǎn)量，生產(chǎn)出綠色有機(jī)蔬菜。

研究性學(xué)習(xí)小組現(xiàn)場勘察后設(shè)計圖紙，網(wǎng)上購買所需材料（燈光、薄膜、竹片或PVC管、鋼鋸、定時澆水器、滴管、黑地膜、二氧化碳產(chǎn)生器、有機(jī)肥等），施工管理，設(shè)計實驗，結(jié)果分析，得出結(jié)論。學(xué)生根據(jù)不同的角度，設(shè)計出不同的對照實驗，得出結(jié)論主要有：紅光和藍(lán)紫光對光合作用強(qiáng)度作用最大;適宜溫度和二氧化碳濃度時光合作用強(qiáng)度最大;有機(jī)肥效果比化肥好，土壤不宜板結(jié);黑地膜能有效除草，減少雜草影響蔬菜的光合作用強(qiáng)度;使用定時澆水器和滴管宜于管理，促進(jìn)蔬菜光合作用速率;使用溫室小棚便于控制蔬菜適宜生長的溫度等。

分析：運用生物科學(xué)史的知識遷移，解決生產(chǎn)生活真實的問題，進(jìn)行STEM實踐教育，增強(qiáng)了社會責(zé)任感，提高了學(xué)生核心素養(yǎng)，從而提高學(xué)生綜合素質(zhì)。

利用科學(xué)史引導(dǎo)學(xué)生對光合作用步步深入理解其發(fā)現(xiàn)過程，關(guān)注物質(zhì)和能量的變化，理解結(jié)構(gòu)與功能觀。同時，通過鼓勵設(shè)計實驗，推測結(jié)果，嘗試構(gòu)建概念模型，應(yīng)用知識解決問題。學(xué)生綜合素質(zhì)的提升關(guān)乎國家的未來，國家整體競爭力的提升需要高素質(zhì)公民。綜合素質(zhì)的提升是一個長期工程，需要各學(xué)科整體貫徹，化整為零，學(xué)科課堂浸潤，滋養(yǎng)學(xué)生的素養(yǎng)。綜合素質(zhì)的提升方法多種、渠道多樣，生物科學(xué)史教學(xué)僅是其中一種嘗試。

參考文獻(xiàn)：

[1]教育部考試中心.中國高考評價體系[S].北京：人民教育出版社，2019.

[2]馮慧婷.運用生物科學(xué)史培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的實踐研究[D].福州：福建師范大學(xué)，2020.