基于科學(xué)史發(fā)展科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的教學(xué)設(shè)計(jì)

姜平

摘要在“光合作用將光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能”（第2課時(shí)）教學(xué)中，創(chuàng)設(shè)情境，精選科學(xué)史并合理重組，精心設(shè)問(wèn)，逐步探究，從而生成知識(shí)，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，提升生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 光合作用 科學(xué)思維 科學(xué)探究

中圖分類(lèi)號(hào)G633. 91文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

1教材分析

“光合作用將光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能”是2019年版浙科版高中生物學(xué)《必修1·分子與細(xì)胞》第三章“細(xì)胞的代謝”第五節(jié)的內(nèi)容，共3個(gè)課時(shí)。本節(jié)課為第2課時(shí)，主要內(nèi)容包括光合作用光反應(yīng)和碳反應(yīng)的過(guò)程，教材中相關(guān)內(nèi)容的介紹非常簡(jiǎn)潔，均是結(jié)論性語(yǔ)句，即直接呈現(xiàn)科學(xué)家研究的最終結(jié)果，缺乏對(duì)科學(xué)家研究過(guò)程的介紹，不利于學(xué)生理解知識(shí)的生成。而光合作用的過(guò)程歷經(jīng)多位科學(xué)家數(shù)百年的研究逐漸揭曉，這些科學(xué)探究史是知識(shí)如何生成的客觀載體，也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的良好素材。教師精選科學(xué)史，合理重組，讓學(xué)生在體驗(yàn)科學(xué)家的探究歷程中逐步生成知識(shí)，在分析與思考中發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2教學(xué)目標(biāo)

①通過(guò)分析科學(xué)史、小組討論和觀看動(dòng)畫(huà)，闡明光反應(yīng)的物質(zhì)變化和能量變化，初步形成物質(zhì)和能量觀，提高推理的科學(xué)思維能力，提高分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果的科學(xué)探究能力，感悟科學(xué)家勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神。

②通過(guò)分析科學(xué)史、小組討論和閱讀教材，闡明碳反應(yīng)的物質(zhì)變化和能量變化，進(jìn)一步形成物質(zhì)和能量觀，初步形成穩(wěn)態(tài)與平衡觀，提高推理和歸納以及構(gòu)建模型的科學(xué)思維能力。

③通過(guò)小組合作構(gòu)建光合作用過(guò)程的概念模型，闡明光合作用的完整過(guò)程，說(shuō)明光反應(yīng)與碳反應(yīng)的區(qū)別和聯(lián)系，提高構(gòu)建模型的科學(xué)思維能力。

④通過(guò)創(chuàng)設(shè)超級(jí)雜交稻的情境，提升用生物學(xué)規(guī)律解釋生產(chǎn)實(shí)踐中問(wèn)題的社會(huì)責(zé)任感。

3教學(xué)過(guò)程

3.1視頻導(dǎo)入，創(chuàng)設(shè)情境

教師播放“第三代雜交稻有兩個(gè)‘超級(jí)’”視頻，創(chuàng)設(shè)情境：第三代雜交稻的兩個(gè)超級(jí)之處是超大稻穗和顆粒更大更飽滿，所以超高產(chǎn)。水稻的超高產(chǎn)是以獲取高生物學(xué)產(chǎn)量為前提，而作物生物學(xué)產(chǎn)量的90%～ 95%來(lái)自光合產(chǎn)物。雜交水稻如何進(jìn)行光合作用，制造光合產(chǎn)物呢？

3.2重組科學(xué)史，逐步深入探究光反應(yīng)

教師精選和重組科學(xué)史，引導(dǎo)學(xué)生分3步探究光反應(yīng)中的物質(zhì)變化和能量變化。

3.2.1探究1——光合作用產(chǎn)生O2的來(lái)源

教師展示光合作用的總反應(yīng)式。學(xué)生利用頭腦風(fēng)暴法，探究“光合作用的產(chǎn)物之一——氧氣的來(lái)源”的思路。學(xué)生首先聯(lián)想到同位素示蹤法，提出思路①：用18O分別標(biāo)記H2O和CO2，進(jìn)行光合作用，檢測(cè)哪一組能產(chǎn)生18O2。教師展示資料：1941年，美國(guó)科學(xué)家魯賓和卡門(mén)利用18O標(biāo)記的CO2和H2O進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果如圖1所示。并提出問(wèn)題：該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是什么？依據(jù)是什么？

學(xué)生提出思路②：分別提供有H2O無(wú)CO2或無(wú)H2O有CO2的條件，進(jìn)行光合作用，檢測(cè)哪一組能產(chǎn)生O2。教師展示資料：1937年，英國(guó)植物學(xué)家希爾發(fā)現(xiàn)，在離體葉綠體的懸浮液中，懸浮液中有H2O無(wú)CO2，加入鐵鹽（含F(xiàn)e3+），給予光照，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有O2產(chǎn)生，F(xiàn)e3+被還原成Fe2+。并提出問(wèn)題：水裂解的產(chǎn)物是什么？

3.2.2探究2——H2O裂解產(chǎn)生的H+去向

教師展示資料：1954年，美國(guó)科學(xué)家阿爾農(nóng)在無(wú)CO2條件下，給離體的葉綠體照光時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)向反應(yīng)體系中加入ADP、Pi和NADP+時(shí)，會(huì)生成ATP和NADPH。他后來(lái)還發(fā)現(xiàn)這一過(guò)程總是與水的裂解相伴隨。并要求學(xué)生寫(xiě)出產(chǎn)生ATP和NADPH的反應(yīng)式。學(xué)生派代表展示書(shū)寫(xiě)結(jié)果，由其他學(xué)生評(píng)價(jià)。

3.2.3探究3——合成ATP的能量的來(lái)源

教師展示資料：1963年，賈格道夫等科學(xué)家在黑暗條件下利用離體的葉綠體類(lèi)囊體進(jìn)行了如圖2所示的實(shí)驗(yàn)，一段時(shí)間后有ATP產(chǎn)生。

教師提出問(wèn)題：第三個(gè)錐形瓶中類(lèi)囊體內(nèi)什么物質(zhì)的濃度比類(lèi)囊體外高？在學(xué)生回答出“H+”后，教師組織學(xué)生圍繞三個(gè)問(wèn)題進(jìn)行小組討論：①黑暗中類(lèi)囊體合成ATP的能量從哪里來(lái)？②在黑暗中進(jìn)行的目的是什么？③猜想自然光照下合成ATP的原因是什么？在學(xué)生討論、分析后，教師展示化學(xué)滲透假說(shuō)：1961年，米切爾提出光照引起水的裂解，釋放的H+留在類(lèi)囊體腔中。類(lèi)囊體膜內(nèi)側(cè)的H+濃度高于外側(cè)，當(dāng)H+順濃度梯度返回膜外側(cè)時(shí)，ATP合成酶催化ADP和Pi合成ATP。并提出問(wèn)題：米切爾和賈格道夫?yàn)锳TP的形成機(jī)制均作出了巨大貢獻(xiàn)，誰(shuí)最終獲得了諾貝爾獎(jiǎng)？

因探究3難度較大，教師先通過(guò)設(shè)問(wèn)“類(lèi)囊體內(nèi)什么物質(zhì)的濃度比類(lèi)囊體外高”，給學(xué)生后續(xù)討論提供“腳手架”，再通過(guò)層層遞進(jìn)的3個(gè)問(wèn)題的討論來(lái)突破難點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生推理出自然光照下合成ATP的原因，初步形成物質(zhì)與能量觀，提高推理的科學(xué)思維能力。然后，再展示化學(xué)滲透假說(shuō)，印證學(xué)生的推理，讓學(xué)生感悟科學(xué)家的研究歷程——先提出假說(shuō)，再設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證假說(shuō)。學(xué)生思考“諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C給了哪位科學(xué)家”，感悟科學(xué)家勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神。

3.2.4小結(jié)光反應(yīng)，過(guò)渡到碳反應(yīng)

教師播放自制的光反應(yīng)動(dòng)畫(huà)過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)光反應(yīng)，使學(xué)生明確：在類(lèi)囊體膜上發(fā)生的水的裂解、ATP的形成和NADPH的形成這三個(gè)重要的反應(yīng)都需要光直接參加，稱(chēng)為光反應(yīng)。

教師展示資料：阿爾農(nóng)在黑暗條件下給離體葉綠體提供CO2、ATP和NADPH，葉綠體就能將CO2轉(zhuǎn)變?yōu)樘?，同時(shí)ATP和NADPH的含量急劇減少。并提出問(wèn)題：該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明ATP和NADPH被用于什么過(guò)程？

3.3結(jié)合科學(xué)史和教材，由簡(jiǎn)入深探究碳反應(yīng)

教師引導(dǎo)學(xué)生分析科學(xué)史，生成卡爾文循環(huán)的簡(jiǎn)圖，再分析教材，深入理解卡爾文循環(huán)。

3.3.1探究4——糖是如何逐步生成的？

教師展示資料：卡爾文給小球藻提供14CO2和充足的光照，每隔一定時(shí)間取出部分小球藻并立即殺死，將小球藻中的標(biāo)記化合物提取出來(lái)并分離，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。并提出問(wèn)題：CO2轉(zhuǎn)化成的第一個(gè)產(chǎn)物是什么？接著形成了什么產(chǎn)物？

教師展示資料：卡爾文及其同事發(fā)現(xiàn)突然停止CO2供應(yīng)和恢復(fù)CO2供應(yīng)時(shí)C3和C5呈現(xiàn)規(guī)律性變化，結(jié)果如圖3所示。并提出問(wèn)題：CO2與什么物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成第一個(gè)產(chǎn)物？

然后，教師組織小組討論：結(jié)合這兩則資料，用箭頭表示出C在CO2、C3、C5、C6中的轉(zhuǎn)移路徑。

3.3.2合理利用教材，深化碳反應(yīng)

教師指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材有關(guān)碳反應(yīng)的文字和圖示，思考：①C5指什么物質(zhì)？C3包括哪些物質(zhì)？②NADPH和ATP來(lái)自哪里？它們的作用分別是什么？③還原生成的三碳糖的去向是什么？

學(xué)生閱讀課本，在小組討論構(gòu)建的簡(jiǎn)圖基礎(chǔ)上完善碳元素在碳反應(yīng)中的精確轉(zhuǎn)移路徑。針對(duì)“CO2的固定”“三碳酸的還原”和“五碳糖的再生”碳反應(yīng)步驟，教師各設(shè)置一個(gè)問(wèn)題，幫助學(xué)生深化理解完整的卡爾文循環(huán)過(guò)程，滲透物質(zhì)與能量觀：伴隨著物質(zhì)變化，ATP和NADPH中的能量轉(zhuǎn)移到了有機(jī)物中穩(wěn)定的化學(xué)能。因?yàn)檠h(huán)的存在，三碳酸和五碳糖的含量處于動(dòng)態(tài)平衡之中，滲透穩(wěn)態(tài)與平衡觀。

3.4構(gòu)建模型，總結(jié)課堂

教師請(qǐng)學(xué)生利用提供的CO2、H2O、O2、ATP、ADP、Pi、NADP+、NADPH、五碳糖、三碳酸、三碳糖、葡萄糖等物質(zhì)，通過(guò)小組合作的方式在葉綠體模型中構(gòu)建光合作用過(guò)程的概念模型。通過(guò)交流和學(xué)生點(diǎn)評(píng)，學(xué)生最終形成的概念模型如圖4所示。教師引導(dǎo)總結(jié)光合作用的物質(zhì)變化和能量變化，并引發(fā)學(xué)生思考：光反應(yīng)為碳反應(yīng)提供了什么？碳反應(yīng)為光反應(yīng)提供了什么？

3.5回歸情境，理論解釋現(xiàn)象

教師回歸超級(jí)雜交稻情境，提升學(xué)生的社會(huì)責(zé)任素養(yǎng)：研究表明，超級(jí)雜交稻葉綠素含量比普通水稻高22.90%，并且其光能吸收、傳遞及轉(zhuǎn)化為電能的效率較高，將電能轉(zhuǎn)化為活躍化學(xué)能的能力強(qiáng)；Rubisco酶（催化CO2的固定）活性強(qiáng)；葉片光合功能期長(zhǎng)；還具有生育后期光合面積大、葉綠素含量下降慢等特點(diǎn)。并提出問(wèn)題：從以上信息可知，①超級(jí)雜交稻的哪些特點(diǎn)增強(qiáng)了光反應(yīng)？哪些特點(diǎn)增強(qiáng)了碳反應(yīng)？②哪些因素決定了超級(jí)雜交稻的高產(chǎn)特點(diǎn)？最后，教師帶領(lǐng)學(xué)生緬懷科學(xué)家，感悟社會(huì)責(zé)任：2021年5月22日，“雜交水稻之父”袁隆平與世長(zhǎng)辭。袁爺爺雖然走了，但被稱(chēng)為“東方魔稻”的雜交水稻會(huì)一直長(zhǎng)留。

4教學(xué)反思

生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)所涵蓋的生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、社會(huì)責(zé)任四個(gè)方面的基本要求，需要通過(guò)每節(jié)課或每項(xiàng)活動(dòng)來(lái)逐步培養(yǎng)形成。本節(jié)課創(chuàng)設(shè)了超級(jí)雜交稻的情境，精選光合作用過(guò)程研究的科學(xué)史，合理重組，精心設(shè)問(wèn)，逐步探究，促進(jìn)學(xué)生由淺入深地生成知識(shí)，自主構(gòu)建知識(shí)體系，形成物質(zhì)與能量觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀，提高推理和歸納以及構(gòu)建模型的科學(xué)思維能力，提高分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果的科學(xué)探究能力，感悟科學(xué)家勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神，提升用生物學(xué)規(guī)律解釋生產(chǎn)實(shí)踐中問(wèn)題的社會(huì)責(zé)任素養(yǎng)。