生物科學(xué)史的教學(xué)組織與應(yīng)用策略
——以“光合作用的過程”為例

林建春 袁從容

（1.浙江省甌海中學(xué) 浙江溫州 325014）

（2.浙江省溫州市教師教育院 浙江溫州 325035）

科學(xué)史是科學(xué)發(fā)生和發(fā)展的歷史，揭示了科學(xué)理論的發(fā)展是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，具有較高的科學(xué)教育價(jià)值。學(xué)習(xí)生物科學(xué)史能使學(xué)生沿著科學(xué)家探索生物世界的道路，理解科學(xué)的本質(zhì)和科學(xué)研究的思路、方法，學(xué)習(xí)科學(xué)家獻(xiàn)身科學(xué)的精神，促成學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在教學(xué)實(shí)施建議中也強(qiáng)調(diào)教師應(yīng)充分利用科學(xué)史展開教學(xué)。

當(dāng)前生物科學(xué)史教學(xué)存在以下問題：①羅列科學(xué)史，僅幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)研究歷史與動(dòng)態(tài)，而缺乏科學(xué)探究的過程；②所選的科學(xué)史晦澀難懂，與當(dāng)前學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系嚴(yán)重脫軌；③缺少主線聯(lián)系，學(xué)生難以整理出頭緒；④教學(xué)方式單一，僅利用科學(xué)史呈現(xiàn)信息，并期待學(xué)生得出預(yù)設(shè)的結(jié)論。為更好地發(fā)揮科學(xué)史的教學(xué)價(jià)值，下文以“光合作用的過程”為例，提出相關(guān)的教學(xué)組織與應(yīng)用策略，為生物學(xué)教學(xué)提供參考。

1 精選科學(xué)史，構(gòu)建科學(xué)史脈

與光合作用研究有關(guān)的科學(xué)史極多，許多學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了羅列與整理。受課堂教學(xué)時(shí)間限制，教師不可能一一呈現(xiàn)所有的科學(xué)史以供學(xué)生進(jìn)行分析。如何精選科學(xué)史成為了教學(xué)的關(guān)鍵點(diǎn)?！肮夂献饔玫倪^程”一節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)是光反應(yīng)與碳反應(yīng)過程，即解決光合作用是怎么進(jìn)行的問題。圍繞教學(xué)重點(diǎn)，教師可嘗試選取以下科學(xué)史（表1），形成一條科學(xué)史脈，從而幫助學(xué)生有序地構(gòu)建科學(xué)概念。此外，需要注意的是，進(jìn)行科學(xué)史教學(xué)或構(gòu)建科學(xué)史脈時(shí)，教師不一定要按照科學(xué)研究的時(shí)間先后順序展開，而更應(yīng)以邏輯分析為主線。

表1 “光合作用的過程”科學(xué)史教學(xué)分析

2 處理科學(xué)史，優(yōu)化教學(xué)組織

科學(xué)史往往會(huì)涉及科學(xué)家巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评磉^程、精準(zhǔn)的結(jié)果預(yù)測(cè)以及一些專業(yè)性術(shù)語(yǔ)。高中學(xué)生并未接觸過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作且所學(xué)知識(shí)有限，較難理解科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)原理、探究過程，尤其是基礎(chǔ)較為薄弱的學(xué)生。因此，在精選科學(xué)史的基礎(chǔ)上，教師還需對(duì)科學(xué)史進(jìn)行優(yōu)化處理，為進(jìn)一步開展課堂中的科學(xué)探究提供條件。

2.1 圖文并茂，深入理解

以文字形式呈現(xiàn)科學(xué)史，雖然知識(shí)性強(qiáng)，但過多的文字資料不僅增加了學(xué)生閱讀和思考時(shí)間，在一定程度上也限制了學(xué)生思維的深度和探究的熱情。科學(xué)史呈現(xiàn)方式應(yīng)豐富多彩，教師可以靈活結(jié)合聲音、影像、文字等多種形式，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的多元智能，提高教學(xué)的有效性。以卡爾文的小球藻實(shí)驗(yàn)為例，其實(shí)驗(yàn)流程大致為：①供應(yīng)14CO2給小球藻→②取樣并提取光合產(chǎn)物→③分離光合產(chǎn)物→④鑒定光合產(chǎn)物。若教師僅僅以文字形式呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)流程，很難使學(xué)生對(duì)小球藻實(shí)驗(yàn)有一個(gè)直觀、感性的認(rèn)識(shí)。因此，教師可選擇適當(dāng)?shù)氖疽鈭D（圖1），或者尋找相關(guān)視頻，再配以簡(jiǎn)短的文字說明，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解。

2.2 合理組織，巧妙遷移

在優(yōu)化科學(xué)史呈現(xiàn)方式的基礎(chǔ)上，教師應(yīng)進(jìn)一步合理組織教學(xué)內(nèi)容，盡可能與學(xué)生已有的知識(shí)相聯(lián)系，從而引發(fā)學(xué)生知識(shí)的正遷移。例如，如進(jìn)行卡爾文循環(huán)教學(xué)時(shí)，盡管實(shí)驗(yàn)流程并不繁瑣（圖1），但能夠真正掌握每一步實(shí)驗(yàn)操作的目的，對(duì)于學(xué)生而言仍具有一定難度。尤其是對(duì)其中兩大關(guān)鍵步驟，學(xué)生難以理解將藻類置于酒精中的原因以及雙向紙層析的目的。教師如果能夠合理地將“光合色素的提取與分離”實(shí)驗(yàn)步驟在此處進(jìn)行正遷移，有利于學(xué)生理解卡爾文小球藻實(shí)驗(yàn)步驟。在“光合色素的提取與分離”實(shí)驗(yàn)原理中提到，光合色素是一類有機(jī)物，因此根據(jù)相似相溶原理采用乙醇進(jìn)行提取，根據(jù)不同色素在層析液中溶解度不同，采用紙層析的方式進(jìn)行分離。同樣，CO2在光合作用中轉(zhuǎn)變成的一系列碳水化合物，也都屬于有機(jī)物，也可以采用乙醇進(jìn)行提取并利用紙層析進(jìn)行分離。表2整理了“光合作用的過程”可能引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)正遷移的例子及相關(guān)教學(xué)策略。

表2 “光合作用的過程”知識(shí)遷移

3 應(yīng)用科學(xué)史，落實(shí)核心素養(yǎng)

3.1 以科學(xué)探究的一般流程開展教學(xué)

科學(xué)探究的一般流程包括：觀察現(xiàn)象→提出問題→做出假設(shè)→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證→得出結(jié)論?？茖W(xué)史教學(xué)也可以以科學(xué)探究的一般流程展開教學(xué)，有利于學(xué)生置身科學(xué)探究情境，參與科學(xué)研究。但需要說明的是，受限于課堂教學(xué)的時(shí)間與場(chǎng)所，以科學(xué)探究的一般流程組織教學(xué)時(shí)，不可能所有的“實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”都由學(xué)生親自動(dòng)手參與，教師可利用相關(guān)的科學(xué)史或資料進(jìn)行替代。以“O2的來源有哪些可能？”為例，依據(jù)科學(xué)探究的一般流程展開教學(xué)（表3），比純粹地用科學(xué)史講解分析，更能激發(fā)學(xué)生的參與感。

表3 以科學(xué)探究的一般流程組織教學(xué)

3.2 安排學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作或進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)

以科學(xué)史為主線進(jìn)行教學(xué)時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)純粹分析科學(xué)史的現(xiàn)象，使得學(xué)生獲取知識(shí)方式較為單一，容易出現(xiàn)思維疲勞。因此，教師可以適當(dāng)?shù)卦诳茖W(xué)史教學(xué)中開展或進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)史探究興趣。

在“光合作用的過程”教學(xué)中，教師可通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)或資料，嘗試開展與希爾反應(yīng)有關(guān)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)或演示實(shí)驗(yàn)。希爾反應(yīng)實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，即將黑暗中制備的離體葉綠體加到含有DCIP（氧化型）、蔗糖和pH 7.3磷酸緩沖液的溶液中并加以光照。水在光照下被分解產(chǎn)生O2等物質(zhì)，并將溶液中的DCIP被還原使得溶液顏色由藍(lán)色變成無色。該實(shí)驗(yàn)完全可以在課堂中開展，通過學(xué)生親自操作或教師演示，幫助學(xué)生在體驗(yàn)科學(xué)探究一般流程的過程中深入理解光反應(yīng)所發(fā)生的物質(zhì)變化。

3.3 自主構(gòu)建概念圖，形成概念體系

科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)探究的結(jié)果可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一些新的規(guī)律、學(xué)說、理論體系等。在生物學(xué)教學(xué)中進(jìn)行科學(xué)探究的最終結(jié)果應(yīng)能構(gòu)建出一個(gè)模型，如物理模型、數(shù)學(xué)模型和概念模型。傳統(tǒng)教學(xué)中，教師常常會(huì)利用科學(xué)史，通過逐步講解從而分步構(gòu)建概念模型。盡管這樣的教學(xué)模式也充分利用了科學(xué)史，但缺乏學(xué)生自主構(gòu)建概念模型的意識(shí)。

在“光合作用的過程”教學(xué)中，最重要的是引導(dǎo)學(xué)生利用科學(xué)史，自主、逐步構(gòu)建概念模型。以構(gòu)建“光反應(yīng)概念模型”為例，教師可提供相關(guān)問題要求學(xué)生探討：①根據(jù)雅根多夫的類囊體實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)推測(cè)水的裂解發(fā)生在類囊體囊腔還是囊腔外側(cè)？為什么？②結(jié)合有氧呼吸電子傳遞鏈階段，光反應(yīng)中ATP是如何合成？③NADP+與H+、e-結(jié)合形成NADPH，這一步驟發(fā)生在類囊體膜的內(nèi)側(cè)還是外側(cè)？上述3個(gè)問題的探討能夠幫助學(xué)生自主構(gòu)建光反應(yīng)概念模型?？栁难h(huán)以及整個(gè)光合作用的概念模型都可以同樣的方式構(gòu)建（圖2）。

3.4 滲透科學(xué)本質(zhì)與社會(huì)責(zé)任

科學(xué)史教學(xué)被認(rèn)為是幫助學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)的有效途徑之一。教師可根據(jù)教學(xué)實(shí)際將科學(xué)史與教學(xué)內(nèi)容結(jié)合在一起，沿循真實(shí)的科學(xué)探究過程，在凸顯科學(xué)家如何發(fā)現(xiàn)、思考、解決問題的教學(xué)中滲透科學(xué)本質(zhì)。在卡爾文小球藻實(shí)驗(yàn)中，關(guān)于實(shí)驗(yàn)材料的選擇、實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)新體現(xiàn)了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的成功離不開恰當(dāng)?shù)剡x取實(shí)驗(yàn)對(duì)象與方案，學(xué)生可從中體會(huì)“科學(xué)是一項(xiàng)創(chuàng)造性的工作”。通過科學(xué)家對(duì)O2來源問題的探討與不斷深化研究，學(xué)生可明確“科學(xué)知識(shí)可能隨著研究的深入而改變”。通過希爾、雅根多夫的類囊體等實(shí)驗(yàn)，教師可進(jìn)一步滲透“科學(xué)工作依賴觀察和推論”“科學(xué)工作采用基于實(shí)證的范式”等科學(xué)本質(zhì)。在整個(gè)光合作用科學(xué)史探究過程中，教師應(yīng)幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到光合作用過程的發(fā)現(xiàn)是多位科學(xué)家持之以恒、共同努力的結(jié)果。

此外，科學(xué)史上大量的科學(xué)研究案例與科學(xué)家故事，是培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任的良好素材。教學(xué)中，教師可以向?qū)W生展示科學(xué)家不拘泥于傳統(tǒng)理論與觀點(diǎn)、不迷信權(quán)威、積極思考、勇于質(zhì)疑、專注于研究問題等特質(zhì)。例如，自1945年起，卡爾文及其同事用了近10年時(shí)間，消耗了5 t濾紙才研究清楚碳反應(yīng)中有關(guān)物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程。合理利用科學(xué)史組織教學(xué)能以鮮活的研究案例，培養(yǎng)學(xué)生求真態(tài)度、堅(jiān)強(qiáng)毅力以及科學(xué)精神，激發(fā)學(xué)生刻苦鉆研的決心，并樹立起一定的社會(huì)責(zé)任意識(shí)。