高中生物教學中學生科學思維的培養(yǎng)

盛國躍 程永

【摘 要】科學思維是我國中學生物學科課程目標的重要組成部分，也是培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)的關鍵?？栁难h(huán)及其發(fā)現歷程富含科學思維，是發(fā)展學生科學思維的良好載體。文章通過卡爾文循環(huán)的發(fā)現歷程培養(yǎng)學生的推理思維和演繹思維，通過卡爾文循環(huán)的概念模型培養(yǎng)學生的建模思維和創(chuàng)造性思維。

【關鍵詞】卡爾文循環(huán);科學思維;演繹;推理;模型

【作者簡介】盛國躍，高級教師;程永，一級教師。

【基金項目】中國教育學會2019年度教育科研規(guī)劃課題“聚焦生物學重要概念的單元整體教學研究與實踐”（201933000905B）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》明確提出，學生應該在學習過程中逐步發(fā)展科學思維，如能夠基于生物學事實和證據運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法，探討、闡釋生命現象及規(guī)律，審視或論證生物學社會議題[1]。科學思維的培育，強調通過科學理論由來、探究與應用等方面的教學，加深學生對科學知識理解的深度和廣度，從而改善學生的科學思維及科學素養(yǎng)[2]。

生物學科是一門實驗學科，是對未知世界的探索和驗證，其中包含大量科學發(fā)現史的內容。每一個科學發(fā)現的過程不僅反映了科學家敏銳的科學嗅覺，而且體現其嚴謹的科學思維和敢于創(chuàng)新的勇氣。卡爾文循環(huán)是浙教版高中生物學必修1中“光合作用”一章的教學重點和難點，是科學探索史上的一顆璀璨明珠。其涉及的代謝反應錯綜復雜，特別是科學家在探索這些代謝反應的過程中涉及的多個經典實驗是發(fā)展學生科學思維的良好載體。

一、卡爾文循環(huán)教學內容隱含的科學思維

從卡爾文循環(huán)的發(fā)現史中不難發(fā)現，其實驗過程隱含多種科學思維。如英國科學家布萊克曼研究光強度和溫度對光合作用的影響實驗，德國科學家瓦爾堡用藻類進行的閃光實驗，體現了科學推理思維;卡爾文發(fā)現碳反應最初產物、二氧化碳最初受體的研究實驗，體現了“假說—演繹”的科學演繹思維;基于實驗過程中得出的零散實證結果，構建卡爾文循環(huán)模型，體現了利用相關證據構建模型的科學建模思維;運用卡爾文循環(huán)模型解釋現代生物科技取得的成果及展望提高光合作用產量的研究方向，體現了科學創(chuàng)新思維。

二、培養(yǎng)學生科學思維的教學策略

基于卡爾文循環(huán)發(fā)現史中大量多層次、循序漸進的實驗，針對高中階段的教學目標，教師可在教學中圍繞碳反應的發(fā)現實驗和探究CO2如何轉化為糖這兩個實驗展開討論，厘清物質的轉化關系，讓學生逐步構建卡爾文循環(huán)模型，并指導學生利用卡爾文循環(huán)模型的原理，解釋為什么改變環(huán)境條件可以提高光合作用產量。在實現知識目標的同時促進學生科學思維核心素養(yǎng)的發(fā)展。

（一）分析碳反應的發(fā)現實驗，培養(yǎng)推理思維

推理是根據已知條件推導出未知結論的思維形態(tài)[3]。在生物學的學習中側重基于證據的推理，其基本過程是從已有經驗和問題情境中識別、轉換，并形成證據，然后利用證據進行推理，得出結論，從而解決問題。碳反應的發(fā)現歷程是基于證據推理的典范，是培養(yǎng)學生推理思維的較好素材。在教學過程中，教師以碳反應的發(fā)現歷程為情境，引導學生識別、篩選證據，轉換、形成證據，應用、評價證據，從而有效地發(fā)展學生的推理思維。

推理的起點在于問題，問題的產生需要有真實的情境。教師在教學中可以先展示關于英國科學家布萊克曼在研究光強度、溫度對光合作用影響時的發(fā)現實驗資料，即在弱光下增加光強度能提高光合速率，但當光強度增加到一定值時，再增加光強度則不再提高光合速率。通過這一情境可以激發(fā)學生產生認知沖突。接下來，教師可以向學生提出問題：光合速率只在一定范圍內與光強度呈正相關的原因是什么？在這一問題的驅動下，教師可以引導學生進行如下推理：①由光反應的過程可知，當光強度低時，光強度限制了光合速率;②光反應的知識不能合理解釋光強度高時的實驗結果;③推測光合作用可能存在一個與光照無關的過程。

科學推理是漸進式的，推理得出的結論需要有新的證據去證實或證偽。為此，教師可以繼續(xù)展示德國科學家瓦爾堡用藻類進行閃光實驗的資料。資料顯示，在光能量相同的前提下，一組實驗用連續(xù)光照射，另一組實驗用中間間隔一定暗期的閃光照射，發(fā)現閃光照射下的光合效率是連續(xù)光照射下的200%～400%。在此基礎上，教師可以繼續(xù)向學生提出問題：為什么在光能量相同的情況下，閃光照射實驗組的光合效率更高？教師可以引導學生模仿前一問題的推理過程，推導出“光合作用包括依賴光的光反應和與光無關的暗反應兩個過程”這一初步結論。

隨著研究的深入，科學家發(fā)現，暗反應在黑暗中反應的時間極短，而在有光的情況下才能連續(xù)不斷地進行。據此，教師可以引導學生推導出“光合作用除光反應外，還存在一個不依賴光但依賴光反應產物的過程”的結論。

（二）研究卡爾文循環(huán)的相關實驗，培養(yǎng)演繹思維

假說是科學理論形成的必要環(huán)節(jié)，其必須經過檢驗才能發(fā)展為科學理論，而假說的檢驗離不開演繹?！凹僬f—演繹”的一般步驟為：觀察現象→提出問題→做出假設→演繹（以假說為前提推理出一種必然性結論，便于反證假說的正確性）→實驗驗證（通過科學實驗檢驗推理的正確性，提升假說的正確性）→得出結論。探索卡爾文循環(huán)中物質變化的系列實驗的演進過程與“假說—演繹”的思想高度吻合，其中CO2最初受體的發(fā)現過程尤為明顯。

在培養(yǎng)學生演繹思維的過程中，教師引導學生提出假說是最關鍵的一步，而假說的提出是基于問題解決的，故在CO2最初受體的教學中，教師可以引導學生提出問題：通過對卡爾文等科學家研究碳反應中物質變化的實驗過程及結果的分析，明確了碳反應中CO2的固定產物，那么其最初受體是什么？學生的認知水平在不斷地試錯、不斷地修正中發(fā)展，其針對問題的“假說—演繹”能力發(fā)展是一個迂回上升的過程。因此，在教學中，教師需引導學生經歷多次“假說—演繹—驗證”的過程。第一輪“假說—演繹—驗證”的具體過程為：①第一次假說，CO2分子在酶的作用下相互固定，3個CO2分子聚合生成一個3-磷酸甘油酸（以下簡稱“三碳酸”）;②演繹推理，若該假說成立，則用14C標記CO2，生成的三碳酸中3個碳原子都有放射性;③實驗驗證，實驗結果表明，最初生成的三碳酸中只有羧基碳帶有放射性（以資料的形式展示給學生），可知該假說不成立。

在提出的初步假說被否定后，教師需及時補充資料，為學生提出新的假說做好鋪墊。此時可向學生展示資料：卡爾文在研究過程中發(fā)現，光照下三碳酸和核酮糖-1，5-雙磷酸（下文簡稱RuBP）很快達到飽和并保持穩(wěn)定。在此基礎上教師可以引導學生進行第二輪“假說—演繹—驗證”，具體過程為：①第二次假說，在光合作用中，CO2受體源源不斷地消耗和產生，受體含量應保持穩(wěn)定，而RuBP含量經常處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此CO2最初受體為RuBP;②演繹推理，若該假說成立，當突然停止供應CO2時，短時間內RuBP將因消耗變小而得到積累，而最初產物三碳酸（PGA）含量將下降;③實驗驗證，展示改變CO2供給濃度的實驗結果（如圖1）;④得出結論，實驗結果與演繹推理的結果一致，說明該假說正確，即CO2最初受體為RuBP。由于這一結論是學生在經歷多次的自我否定和肯定中逐步構建的，因此他們對結論會有更深刻的理解。

卡爾文循環(huán)中的物質變化是教學的重點也是學生學習的難點，教學中以“假說—演繹—驗證”為主線，利用卡爾文設計的相關實驗及結果為演繹推理的依據，讓學生在發(fā)現問題和解決問題中突破思維的瓶頸，順利地發(fā)展了學生的演繹推理思維。

（三）構建卡爾文循環(huán)模型，培養(yǎng)建模思維

生物建模是一種通過建立和研究模型來揭示原型的形態(tài)、特征和本質的方法，它能有效地發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)[4]。生物建模是思維的產物，包括構建、完善、修正、檢驗模型等基本階段，它以觀察和實驗為基礎，以抽象和分析為基本手段?？栁难h(huán)正是科學家在觀察和實驗的基礎上通過抽象和分析的方法得到的產物，學生想要真正理解其內容就必須經歷建模的過程。

通過如上文所述的推理、演繹過程，學生已經逐漸掌握光合作用以CO2為原料，CO2的最初受體是RuBP，碳反應的最初產物是三碳酸、終產物是糖類等知識。但這些都是零散的事實性知識，教師需引導學生利用事實構建概念，即構建出卡爾文循環(huán)的概念模型。建模的過程是學生將離散的知識結構化的過程，需要以原有的知識為基礎。因此，建模的第一步是引導學生對所學的事實性知識進行梳理，厘清碳反應中的物質變化過程：CO2+RuBP→三碳酸→三碳糖→RuBP。這種梳理是線條式的，而碳反應中的物質變化是循環(huán)的，因此，引導學生構建起循環(huán)模型的框架是一個難點。要突破這一難點就需要教師幫助學生找到與原有知識的統(tǒng)整點?！癆TP-ADP循環(huán)”（如圖2）與碳反應中的物質循環(huán)在模式上有一定的相似性。故教學中教師可引導學生將梳理出來的物質變化與“ATP-ADP循環(huán)”進行類比，構建出卡爾文循環(huán)的初步模型（如圖3）。碳反應中的物質變化是能量轉化的載體，要完善卡爾文循環(huán)模型，就需要探討碳反應中的能量變化。碳反應中有三次能量轉移，第一次和第二次是ATP和NADPH中的活躍化學能通過還原三碳酸轉移到三碳糖中，第三次是ATP中的活躍化學能通過RuBP再生過程轉移到RuBP中。在探討這三次能量轉化的過程中，教師引導學生逐步構建完善的卡爾文循環(huán)模型（如圖4）。任何一個模型都需要經歷驗證的過程，對于學生而言，驗證自己所構建模型的過程也是自我反思的過程。因此，教師還需引導學生將自己所構建的模型與科學家構建的卡爾文循環(huán)模型進行對比，以驗證模型的科學性。

卡爾文循環(huán)是經典的概念模型，學生在對其進行建模的過程中收獲的不僅僅是概念知識，還有建模的方法。學生一旦將建模的方法內化為自己的認知圖式，就能獲得思維和認知水平的躍進。

（四）運用卡爾文循環(huán)模型，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維

創(chuàng)造性思維是指產生新思想的思維活動，它突破常規(guī)和傳統(tǒng)，不拘泥于既有的結論，以新穎、獨特的方式解決新問題。創(chuàng)造性思維以知識和實踐為基礎，以創(chuàng)造性地應用知識解決問題為導向。

創(chuàng)造性思維是社會建構的產物，它不僅存在于個體的內部，也存在于社會生活中。因此，教師在培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維的過程中，需創(chuàng)設一個真實的社會化情境。糧食危機就是一個與卡爾文循環(huán)的應用契合度較高的情景。故教師可展示相關資料，并引導學生提出問題：從卡爾文循環(huán)角度提高農作物產量的途徑有哪些？創(chuàng)造性思維不能脫離實際，否則就是空想，因此教學中教師應給學生一個思維的腳手架，幫助學生思考。如充分利用卡爾文循環(huán)模型梳理碳反應中物質和能量的變化，從而明確解決問題的基本思路和方向;通過提高CO2固定的效率，提高三碳酸還原的速率;等等。

思維的深度和廣度是創(chuàng)造性思維的重要指標。因此，在學生有了思考的方向后，教師還需引導學生結合模型深化問題解決的措施。在此過程中，教師可以引導學生思考卡爾文循環(huán)模型中各個階段的影響因素，如Rubisco酶影響了CO2固定的效率，因而可以通過提高該酶的活性和數量來提高農作物的產量等。

創(chuàng)造性思維是基于當前理論的原理和本質清楚地勾畫和解決問題的思維活動。比如，教師可以以如何提高農作物產量這一問題為載體，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性解決問題的能力，讓學生在運用知識解決生產實踐問題的過程中獲得學習成就感，使學生在深化理解卡爾文循環(huán)模型原理的同時，發(fā)展創(chuàng)造性思維。

三、結語

教育的本質在于學生思維能力的培養(yǎng)，其根本的課程目標以學生思維訓練的需要為核心[5]。高中生物學科的教學價值不僅僅在于讓學生掌握生物事實，更在于培養(yǎng)學生應對未來的能力，即科學思維能力。教師在教學中應充分挖掘教學內容所蘊含的科學思維，將科學思維的培養(yǎng)融入課堂教學中，通過創(chuàng)設真實的情境點燃學生的思維，通過觀察、實驗等方法為學生提供思維的支架，通過聯系生活實際為學生的思維提供原動力。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]魏鳳國，謝妤.基于HPS理念培育科學思維核心素養(yǎng)的教學設計：以“生物膜的流動鑲嵌模型”為例[J].生物學通報，2019（5）：20-22.

[3]黃士平.簡明邏輯學[M].武漢：湖北教育出版社，2005.

[4]鮮璐鍰.建模教學策略在重慶市高中生物教學中的應用研究[D].重慶：西南大學，2020.

[5]史寧中.試論教育的本原[J].教育研究，2009（8）：3-10.

（責任編輯：羅小熒）