重構(gòu)科學(xué)史以突破“光合作用過程原理”教學(xué)難點(diǎn)

朱素娟 朱曉燕

（1.福建省建甌第一中學(xué) 福建南平 353100）

（2.福建省南平市教師進(jìn)修學(xué)院 福建南平 354200）

“光合作用過程原理”是新人教版高中生物《必修1·分子與細(xì)胞》第五章第四節(jié)“光合作用與能量轉(zhuǎn)化”第二課時(shí)的內(nèi)容。光合作用是地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)，光合作用的概念及其應(yīng)用是本模塊重點(diǎn)內(nèi)容。

新版高中生物教材從生活實(shí)際出發(fā)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，有助于學(xué)生自主構(gòu)建重要概念。教材圖文結(jié)合，將光反應(yīng)與暗反應(yīng)密切聯(lián)系，展現(xiàn)了在物質(zhì)變化中伴隨著能量變化，有助于學(xué)生理解和記憶。利用科學(xué)史為光合作用原理提供支撐，新版高中生物教材弱化關(guān)于光合作用研究歷史的時(shí)間線索，通過正文敘述和2個(gè)“思考·討論”形式，對(duì)光合作用關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)用事實(shí)為概念建構(gòu)搭橋，在概念建構(gòu)過程中進(jìn)行科學(xué)思維的訓(xùn)練，有助于提升學(xué)生的物質(zhì)與能量觀、結(jié)構(gòu)與功能觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀。

在初中階段，學(xué)生對(duì)光合作用的反應(yīng)物、生成物及意義已經(jīng)有初步了解，但光反應(yīng)和暗反應(yīng)的具體過程比較陌生抽象，涉及較多分子機(jī)理（如NADPH、C3、C5等）深層次知識(shí)，還需要結(jié)合化學(xué)和物理學(xué)科知識(shí)，對(duì)高一的學(xué)生有一定的難度。因此，教師依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)要求和學(xué)業(yè)水平要求確定教學(xué)目標(biāo)，對(duì)光合作用科學(xué)史進(jìn)行重構(gòu)，通過創(chuàng)設(shè)真情境、聚焦大概念、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，引導(dǎo)學(xué)生從結(jié)果出發(fā)尋找證據(jù)，使學(xué)生增強(qiáng)證據(jù)意識(shí)，進(jìn)而突破“光合作用過程原理”教學(xué)難點(diǎn)。學(xué)生通過自主構(gòu)建光合作用概念模型，能從結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的角度理解光合作用發(fā)生的場(chǎng)所和過程，能從物質(zhì)和能量觀的視角，闡明光合作用過程中物質(zhì)變化與能量轉(zhuǎn)化的過程，說明光合作用的原理和意義；能夠利用光合作用的原理，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用提出有價(jià)值的建議。

1 創(chuàng)設(shè)真情境，領(lǐng)悟光合作用原理與生產(chǎn)實(shí)踐的關(guān)系

真情境下指向現(xiàn)實(shí)問題解決的深度學(xué)習(xí)，能增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)感、使命感和意義感，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解與遷移，有利于學(xué)生對(duì)學(xué)科重要概念的建構(gòu)。

進(jìn)行“光合作用過程原理”課堂教學(xué)時(shí)，教師首先讓學(xué)生觀看他們的實(shí)踐型生物課程——“玉米種植”的視頻，視頻中涵蓋學(xué)生整地、播種、澆水、松土、施肥、治蟲、除草、間苗、采摘等從玉米種植到收獲的100天生長(zhǎng)歷程。學(xué)生的情緒被充分調(diào)動(dòng)起來。教師順勢(shì)創(chuàng)設(shè)真情境解決真問題，提出本節(jié)課核心任務(wù)一：“玉米種植過密時(shí)為什么要進(jìn)行間苗？有什么理論依據(jù)？”教師以此激發(fā)學(xué)生興趣引入光合作用原理的學(xué)習(xí)。在光合作用原理學(xué)習(xí)之后，圍繞視頻提出本節(jié)課核心任務(wù)二：“能否舉例說明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中還有哪些栽培措施可以影響作物的生理活動(dòng)，促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，達(dá)到增加產(chǎn)量等目的？”教師通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)，使學(xué)生始終處于積極的學(xué)習(xí)狀態(tài)，能主動(dòng)利用學(xué)習(xí)資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，并能解釋影響光合作用過程中物質(zhì)變化與能量轉(zhuǎn)化的環(huán)境因素，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用提出有價(jià)值的建議，如合理密植、施農(nóng)家肥、間作套種、大棚種植需適當(dāng)通風(fēng)等措施。

“玉米種植”視頻再現(xiàn)學(xué)生真實(shí)的勞動(dòng)場(chǎng)景，從真實(shí)勞動(dòng)體驗(yàn)中凝煉問題情境作為學(xué)生學(xué)習(xí)認(rèn)知的背景，促進(jìn)學(xué)生將生物學(xué)的概念、原理同現(xiàn)實(shí)生活中的問題、現(xiàn)象、經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系在一起，在關(guān)注、思考和決策的過程中鞏固和應(yīng)用知識(shí)，充分發(fā)揮學(xué)生的主體性。學(xué)生在問題和興趣的驅(qū)動(dòng)下主動(dòng)思考，積極探索，培養(yǎng)科學(xué)的思維習(xí)慣，自主建構(gòu)生物學(xué)科重要概念——光合作用原理，并能夠利用光合作用的原理為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用提出有價(jià)值的建議。

2 重構(gòu)科學(xué)史，還原科學(xué)探究歷程，幫助學(xué)生深入理解光合作用的過程和實(shí)質(zhì)

科學(xué)史是研究生物學(xué)知識(shí)發(fā)生發(fā)展的歷史，其中包含了科學(xué)家研究過程及其過程中所持有的觀點(diǎn)和態(tài)度、生物學(xué)理論和方法的形成演變等?？茖W(xué)史蘊(yùn)含著科學(xué)家的思維過程及科學(xué)探究過程，有助于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維，形成科學(xué)探究的思路，掌握科學(xué)探究的基本方法。

光合作用是地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)。光能是如何發(fā)揮作用？O2來源于哪里?O2產(chǎn)生過程中能量是如何產(chǎn)生和傳遞的？CO2是如何轉(zhuǎn)化為糖類?影響光合作用效率的因素有哪些？筆者通過重構(gòu)科學(xué)史，創(chuàng)設(shè)問題情境，驅(qū)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生從結(jié)果出發(fā)，尋找證據(jù)，幫助學(xué)生理解科學(xué)的實(shí)質(zhì)、體會(huì)科學(xué)家思考和解決問題的方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證思想。

2.1 探究光反應(yīng)中氧氣的來源

教師提供英國(guó)植物學(xué)家希爾關(guān)于光合作用的實(shí)驗(yàn)，并提出問題：Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+說明希爾實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了什么性質(zhì)的物質(zhì)？希爾實(shí)驗(yàn)是否說明水的光解與糖類的合成不是同一個(gè)化學(xué)反應(yīng)？希爾實(shí)驗(yàn)?zāi)芊裾f明植物光合作用產(chǎn)生的氧氣中的氧元素全部都來自水？教師從光合作用的產(chǎn)物——氧氣出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生分析該實(shí)驗(yàn)的材料、條件、處理措施及結(jié)果，提出自己的猜想并加以論證，從而說明：希爾實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生還原性物質(zhì)，水的光解與糖類的合成不是同一個(gè)反應(yīng)，光合作用產(chǎn)物氧氣與水有關(guān)。教師引發(fā)學(xué)生猜想光合作用產(chǎn)物氧氣可能來自水，從而使學(xué)生思考直接觀察測(cè)定推論可用的方法。

教師提供魯賓和卡門開展的光合作用實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生思考：魯賓和卡門實(shí)驗(yàn)用了什么科學(xué)方法？此方法有什么好處？該實(shí)驗(yàn)自變量是什么？其他變量應(yīng)如何處理？該實(shí)驗(yàn)?zāi)艿贸鍪裁唇Y(jié)論？

2.2 探究光反應(yīng)中光能的轉(zhuǎn)化

教師進(jìn)一步提出問題：葉綠體吸收的光能能否轉(zhuǎn)變?nèi)鏏TP其他形式的能量，被細(xì)胞直接利用呢？并提供資料，并提出問題：1954年，美國(guó)生化學(xué)家阿爾農(nóng)用離體的葉綠體做實(shí)驗(yàn)，同樣不提供二氧化碳。在給葉綠體照光時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)向反應(yīng)體系中供給ADP、Pi和NADP＋（氧化型輔酶Ⅱ）時(shí)，會(huì)有ATP和NADPH（還原型輔酶Ⅱ）產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明光能可以轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存在直接能源物質(zhì)ATP中，氫受體是什么？嘗試用示意圖表示ATP的合成與希爾反應(yīng)的關(guān)系。

學(xué)生依據(jù)教師所提供的資料，構(gòu)建光反應(yīng)過程，并在葉綠體結(jié)構(gòu)示意圖上標(biāo)注光反應(yīng)的場(chǎng)所、條件、物質(zhì)變化及能量轉(zhuǎn)化。

2.3 探究暗反應(yīng)中CO2轉(zhuǎn)化為糖類的途徑

教師提供資料：20世紀(jì)40年代，美國(guó)科學(xué)家卡爾文將培養(yǎng)出來的多組小球藻置于密閉容器中，將14CO2注入容器，給予充足的光照，每隔一段時(shí)間（如3 s、5 s、30 s），將小球藻浸入熱乙醇溶液中，殺死并提取小球藻研磨液，分離并鑒定其中全部含14C的標(biāo)記物。根據(jù)被14C標(biāo)記的化合物出現(xiàn)時(shí)間的先后，推測(cè)生化過程?？栁南蚍磻?yīng)體系中充入一定量的14CO2，光照30 s后檢測(cè)產(chǎn)物，檢測(cè)到了多種帶14C標(biāo)記的化合物。將光照時(shí)間逐漸縮短至幾分之一秒時(shí)發(fā)現(xiàn)，90%的放射性出現(xiàn)在一種三碳化合物（C3）中。在5 s的光照后，卡爾文等同時(shí)檢測(cè)到了含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖（C6）。

教師指導(dǎo)學(xué)生關(guān)注：光照時(shí)間為30 s時(shí)，檢測(cè)到了多種帶標(biāo)記的化合物，說明反應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)。當(dāng)光照時(shí)間逐漸縮短至1 s以內(nèi)會(huì)發(fā)現(xiàn)，90%的放射性出現(xiàn)在一種三碳化合物（C3）中，可以據(jù)此推斷暗反應(yīng)中第一個(gè)出現(xiàn)的產(chǎn)物。在光照5 s后，卡爾文等同時(shí)檢測(cè)到了含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖（C6）。根據(jù)這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果，師生共同總結(jié)CO2轉(zhuǎn)化為糖類的途徑。

2.4 探究光反應(yīng)的產(chǎn)物ATP和NADPH的作用

教師提供資料：卡爾文及其同事通過改變實(shí)驗(yàn)條件，發(fā)現(xiàn)五碳化合物（C5）呈規(guī)律性變化：當(dāng)停止CO2供應(yīng)時(shí)，C3的濃度快速降低，C5的濃度快速升高；停止光照時(shí)，C3的濃度快速升高，C5的濃度快速降低。并引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象推斷光反應(yīng)的產(chǎn)物ATP和NADPH是用于CO2轉(zhuǎn)變成C3過程，還是用于C3轉(zhuǎn)變成C5和C6過程。

教師促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)發(fā)展離不開技術(shù)的支持，探索光反應(yīng)和暗反應(yīng)時(shí)都依靠了同位素標(biāo)記法，并通過卡爾文花了近10年時(shí)間研究CO2的去向，引導(dǎo)學(xué)生置身于科學(xué)歷史的氛圍中體悟科學(xué)家鍥而不舍、堅(jiān)持不懈的精神！

2.5 比較光反應(yīng)與暗反應(yīng)在物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)化之間的聯(lián)系

教師展示光合作用過程中物質(zhì)變化的示意圖，引導(dǎo)學(xué)生嘗試說明光反應(yīng)與暗反應(yīng)在物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)化之間的聯(lián)系。并引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)歸納：光反應(yīng)和暗反應(yīng)緊密聯(lián)系，能量轉(zhuǎn)化和物質(zhì)變化密不可分，能量只可轉(zhuǎn)換，物質(zhì)尚可再循環(huán)。光反應(yīng)階段，光能被葉綠體內(nèi)類囊體膜上的色素捕獲后，將水分解為O2和H+，形成ATP和NADPH，于是光能轉(zhuǎn)化成ATP和NADPH中的化學(xué)能；ATP和NADPH驅(qū)動(dòng)在葉綠體基質(zhì)中進(jìn)行的暗反應(yīng)，將CO2轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)存化學(xué)能的糖類。光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物不僅供植物體自身利用，還養(yǎng)活所有的異養(yǎng)生物，光能驅(qū)動(dòng)光合作用進(jìn)而驅(qū)動(dòng)生命世界的運(yùn)轉(zhuǎn)。

教師通過重構(gòu)科學(xué)史，引導(dǎo)學(xué)會(huì)尊重事實(shí)和證據(jù)，進(jìn)行學(xué)習(xí)小結(jié)，如圖1、圖2、圖3所示。

圖2 光反應(yīng)階段光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的論證過程

圖3 暗反應(yīng)階段CO2轉(zhuǎn)化為C3再轉(zhuǎn)化為糖類的論證過程

3 運(yùn)用思維可視化手段，促進(jìn)學(xué)生對(duì)光合作用的整體認(rèn)識(shí)，完善光合作用概念體系

思維是抽象的概念，思維可視化有利于呈現(xiàn)知識(shí)間的聯(lián)系，促進(jìn)知識(shí)深入理解。思維可視化的技術(shù)手段較多，如概念圖、思維導(dǎo)圖、表格等。通過光合作用原理部分科學(xué)史資料的分析與論證，學(xué)生對(duì)光合作用有了整體的認(rèn)知。為了能將思維可視化，增強(qiáng)知識(shí)的可視性，教師要求學(xué)生補(bǔ)充光合作用的概念圖（圖4），以進(jìn)行學(xué)習(xí)檢測(cè)。

圖4 光合作用概念圖

對(duì)光合作用深度剖析后，教師利用概念圖，將零碎的知識(shí)片段連接成知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，注重光合作用的內(nèi)涵與外延，引導(dǎo)學(xué)生感悟生命系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)、物質(zhì)與能量相伴隨、穩(wěn)態(tài)與平衡相吻合的生命觀念，促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課采用基于科學(xué)史的探究性學(xué)習(xí)，通過重構(gòu)科學(xué)史，關(guān)注學(xué)生思維進(jìn)階發(fā)展，將科學(xué)探究中的問題以多種方式逐步呈現(xiàn)，不斷引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的探究熱情，使學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)思想，自主構(gòu)建光合作用的概念，形成科學(xué)習(xí)慣，從而突破“光合作用過程原理”教學(xué)難點(diǎn)，提高了學(xué)生的思維能力，提升了學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。