基于論證式教學(xué)策略的生物科學(xué)史教學(xué)案例設(shè)計
——以“光反應(yīng)和碳反應(yīng)的探究歷程”為例

葉云祥

（云和縣教育發(fā)展中心 浙江麗水 323000）

1 問題的提出

1958年，英國哲學(xué)家圖爾敏在《論證的運用》中提出了經(jīng)典的圖爾敏論證模型。20世紀(jì)90年代開始，“知識推理”和“論證”被引入課堂，論證式教學(xué)由此誕生。作為新時期科學(xué)教育的重點，論證教學(xué)可以幫助學(xué)生嘗試著經(jīng)歷類似科學(xué)家的辯駁過程，提高教學(xué)方式的多樣性和高效性。在高中生物學(xué)教學(xué)中，科學(xué)史是論證式教學(xué)的重要載體，科學(xué)史對學(xué)生知識掌握以及能力培養(yǎng)有重要價值，能夠幫助學(xué)生理解知識蘊藏的科學(xué)思維與科學(xué)研究方法，實現(xiàn)知識與能力的雙向發(fā)展。

下文以“光反應(yīng)和碳反應(yīng)的探究歷程”相關(guān)科學(xué)史為主線，構(gòu)建論證式教學(xué)模型，并探究論證式教學(xué)模式如何在課堂教學(xué)中激發(fā)學(xué)生對光合作用內(nèi)在機制的主動探究與理性思考，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

2 科學(xué)發(fā)展史論證式教學(xué)的前期準(zhǔn)備

概念的構(gòu)建過程往往就是探究的過程。學(xué)生無法通過直接的實驗探究獲得有些概念，需要教師提供更多可靠的事實性材料，兼顧結(jié)論和過程方法，引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)概念。

2.1 科學(xué)發(fā)展史精選原則

基于論證式教學(xué)策略的科學(xué)發(fā)展史研究，需秉承以下3個原則，準(zhǔn)確、全面繼而精選相關(guān)科學(xué)史內(nèi)容。

①關(guān)注發(fā)展歷程原則。教師要明確重要的不是使所有學(xué)生都能得出標(biāo)準(zhǔn)答案，而是學(xué)生都能從一個科學(xué)史實出發(fā)，體會科學(xué)家不斷質(zhì)疑、推理、論證、重構(gòu)的過程。

②循序漸進原則。教師重在引導(dǎo)學(xué)生對科學(xué)史作出理性的評價與分析。

③價值優(yōu)先原則?？茖W(xué)史能給學(xué)生多方面啟迪，而并非只是單純地呈現(xiàn)歷史事件。

2.2 建構(gòu)論證式教學(xué)模型

論證式教學(xué)策略實質(zhì)就是將科學(xué)論證引入到課堂教學(xué)中，使學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)家類似的論證實踐活動，讓學(xué)生在資料分析中得出主張，在質(zhì)疑和反駁中探究問題?！皥D爾敏模型”是目前論證式教學(xué)中研究者常用的模型，下文參考“圖爾敏模型”來進行論證教學(xué)。

該模型包括資料、主張、根據(jù)、支援、限制條件、反駁六個要素（圖1）。資料、主張和根據(jù)是論證模型的核心成分，是圖爾敏模型的基本模式，可組成一個簡單的論證，在圖1中以虛線框突出顯示。在基本模式上增加擴展要素——支援、限制條件、反駁，就形成了涵括六要素的完整模式。

圖1 圖爾敏論證模型

根據(jù)以上模型，本研究將基于論證式教學(xué)策略的生物科學(xué)史教學(xué)的一般流程設(shè)計為三個階段：

①創(chuàng)設(shè)情境。教師創(chuàng)設(shè)情境，以生物學(xué)中的某一現(xiàn)象或者問題導(dǎo)入，引導(dǎo)學(xué)生體驗科學(xué)家的探索過程，促進學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題。

②分析資料、提出主張、修正主張。在這一階段，教師注重引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)史素材當(dāng)中提取并形成自己的主張并修正。主張指一個觀點或斷言，教師提供的科學(xué)史即為資料，是提出主張所依據(jù)的最基本的事實，是主張的出發(fā)點。

③尋找論據(jù)、質(zhì)疑辯駁、完善主張。本階段中，教師注重學(xué)生的相互討論，引導(dǎo)學(xué)生敢于質(zhì)疑、提出質(zhì)疑是關(guān)鍵。科學(xué)論證是科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)對知識或觀點產(chǎn)生的詮釋及說服他人接受該知識或觀點的過程。各持己見的雙方于活動中基于贊同或反對的角度提出主張、使用證據(jù)為自己的觀點辯護和證偽。如何尋找論據(jù)再反駁，從而支撐自己的觀點是高水平科學(xué)思維的體現(xiàn)。在科學(xué)史教學(xué)中，科學(xué)規(guī)律、自然現(xiàn)象等都可以作為論據(jù)進行反駁和再反駁。最終，學(xué)生可以在質(zhì)疑和辯駁過程中，不斷完善主張。

3 教學(xué)案例設(shè)計

3.1 教學(xué)分析

“光合作用的探究歷程”是浙科版《必修1·分子與細胞》第三章第五節(jié)“光合作用”的內(nèi)容。光反應(yīng)和碳反應(yīng)的探究歷程涉及多個經(jīng)典科學(xué)實驗，蘊含了科學(xué)家豐富的創(chuàng)造性思維和實證思想，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神、科學(xué)思維和科學(xué)探究方法的經(jīng)典素材，能夠為今后學(xué)生科學(xué)實驗探究奠定良好的基礎(chǔ)，也為學(xué)習(xí)光合作用的原理和過程模型的構(gòu)建做好鋪墊。

高一學(xué)生已具備與光合作用有關(guān)的生活經(jīng)驗，在之前的學(xué)習(xí)中已掌握酶、ATP、細胞呼吸、葉綠體的結(jié)構(gòu)與功能等背景知識。同時，學(xué)生剛學(xué)習(xí)過細胞學(xué)說的建立史、酶的發(fā)現(xiàn)史等科學(xué)史，對科學(xué)史和科學(xué)探究過程有了一定的認(rèn)識。學(xué)生也已具備一定提取信息、分析和解決問題的能力。實施論證式教學(xué)是可行的。

3.2 教學(xué)目標(biāo)

①通過對葉綠體結(jié)構(gòu)、光合作用原理的學(xué)習(xí)，形成一定的結(jié)構(gòu)與功能觀；通過建立“光反應(yīng)”與“碳反應(yīng)”的聯(lián)系，形成物質(zhì)與能量觀。

②通過科學(xué)史揭示光合作用的歷程，經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、提出主張、尋找論據(jù)、質(zhì)疑辯駁、完善主張的科學(xué)家探究歷程，培養(yǎng)科學(xué)思維。

③通過對科學(xué)家實驗思路的解讀以及科學(xué)實驗方法的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)科學(xué)探究的能力。

④通過對光合作用解決實際生產(chǎn)生活問題的學(xué)習(xí)，認(rèn)識到生物科學(xué)的價值，關(guān)心科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會生活，形成保護環(huán)境意識。

3.3 教學(xué)重難點

教學(xué)重點：了解科學(xué)研究的基本方法；構(gòu)建光反應(yīng)與碳反應(yīng)模型。

教學(xué)難點：進入科學(xué)家角色，對光合作用發(fā)現(xiàn)過程中的經(jīng)典實驗進行分析，領(lǐng)會實驗設(shè)計思想和方法。

3.4 設(shè)計思路

3.4.1 光反應(yīng)和碳反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)的過程

（1）創(chuàng)設(shè)情境。

教師展示：綠葉海天牛的圖片，并提問：綠葉海天牛為什么呈現(xiàn)綠色？光合作用一定要在光下進行嗎？

（2）分析資料、提出主張、修正主張。

教師提供資料：1771年，英國科學(xué)家普利斯特利證實：植物可以更新因蠟燭燃燒或小白鼠呼吸而變得污濁的空氣。1779年，英格豪斯發(fā)現(xiàn)，只有在光照下“植物更新空氣”才能成功。在教師引導(dǎo)下，學(xué)生小組合作，分析資料、提出主張：光照是進行光合作用的條件。

在此基礎(chǔ)上，教師提供資料2：20世紀(jì)初，英國的布萊克曼、德國的瓦伯格等人在研究光強、溫度和CO2濃度對光合作用影響時發(fā)現(xiàn)，在弱光下增加光強能提高光合速率，但當(dāng)光強增加到一定值時，再增加光強則不再提高光合速率。這時要提高溫度或CO2濃度才能提高光合速率。根據(jù)資料，學(xué)生通過小組討論，提出質(zhì)疑：光合作用可能存在不需要光而依賴的階段。

（3）尋找論據(jù)、質(zhì)疑辯駁、完善主張。

教師再次提供資料3：布萊克曼和瓦伯格接著用藻類進行“間歇光”實驗。在光能量相同的前提下，一種用連續(xù)光照（10 min），另一種用間歇光照（5 s光照，5 s黑暗，共20 min），發(fā)現(xiàn)后者光合作用總產(chǎn)量遠高于前者，且光暗交替處理的頻率越高、產(chǎn)物越多。教師引導(dǎo)學(xué)生思考：照射相同時間，為什么間歇光組會比連續(xù)光照組的產(chǎn)量高出許多？這說明了什么？學(xué)生分析材料，討論后發(fā)現(xiàn)：相同時間內(nèi)，給予5 s黑暗仍能進行光合作用，意味著光合作用有需要光和不需要光兩個階段。而光暗交替處理的頻率越高、產(chǎn)物越多，說明失去光照支持時，光合作用不能維持太長的時間。因此，暗反應(yīng)需要光反應(yīng)提供某種物質(zhì)或者能量支持。

3.4.2 光反應(yīng)和碳反應(yīng)之間的物質(zhì)、能量關(guān)系

（1）創(chuàng)設(shè)情境。

教師提問：光合作用中光反應(yīng)和暗反應(yīng)存在著何種物質(zhì)或能量的聯(lián)系呢？

（2）分析資料、提出主張、修正主張。

教師提供資料4：1937年，英國劍橋大學(xué)的希爾將葉綠體從植物中分離出來，加到具有氫受體的水溶液中，在無CO2的條件下給予光照，發(fā)現(xiàn)葉綠體中有O2放出。并引導(dǎo)學(xué)生思考：葉綠體釋放的O2和CO2有無直接關(guān)系？學(xué)生分析資料、提出主張：無直接關(guān)系，但存在著某種氫受體即能放出O2。

教師提供資料5：許多物質(zhì)如2，4-二氯酚靚酚、苯醌、NADP+、NAD+等都能作為希爾反應(yīng)的電子受體，但在高等植物體內(nèi)，天然存在的受體只有NADP+。1954年，美國科學(xué)家阿爾農(nóng)用離體的葉綠體做實驗，同樣無二氧化碳在給葉綠體照光時發(fā)現(xiàn)。當(dāng)向反應(yīng)體系中供給ADP、Pi和NADP+時，會有ATP和NADPH產(chǎn)生。學(xué)生在教師引導(dǎo)下得出結(jié)論：該體系最終產(chǎn)生了ATP、NADPH。

（3）尋找論據(jù)、質(zhì)疑辯駁、完善主張。

學(xué)生提出質(zhì)疑：產(chǎn)生的ATP、NADPH有什么作用？據(jù)此，教師提供資料6：阿爾農(nóng)繼續(xù)用離體葉綠體做實驗，發(fā)現(xiàn)在黑暗條件下，只要供給CO2、ATP和NADPH，葉綠體就能將CO2轉(zhuǎn)變?yōu)樘?，ATP和NADPH含量急劇下降。學(xué)生依據(jù)資料，得出結(jié)論：光反應(yīng)為碳反應(yīng)提供了ATP和NADPH。

3.4.3 碳反應(yīng)中的碳同化路徑

（1）創(chuàng)設(shè)情境。

教師提出問題：光合作用是如何吸收CO2轉(zhuǎn)化為有機物的呢？

（2）分析資料、提出主張、修正主張。

教師提供資料7：卡爾文團隊用14C標(biāo)記了CO2，反應(yīng)30s后，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了C3、C4、C5、C6、C7等一系列物質(zhì)具有放射性的物質(zhì)。將光照時間逐漸縮短至幾分之一秒時發(fā)現(xiàn)，90%的放射性出現(xiàn)在一種三碳化合物（C3）中。在光照5s后，卡爾文同時檢測到了含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖（C6）。學(xué)生通過分析放射性出現(xiàn)的位置，推測出碳同化過程中存在著相對復(fù)雜的物質(zhì)轉(zhuǎn)化。將時間縮短以后，放射性首先出現(xiàn)在了C3中，隨后出現(xiàn)在C5和C6當(dāng)中。據(jù)此，學(xué)生分析碳同化的路徑為：CO2→C3→C5、C6。

（3）尋找論據(jù)、質(zhì)疑辯駁、完善主張。

學(xué)生提出質(zhì)疑：生成的C5和C6會去哪里呢？教師提供資料8：當(dāng)停止CO2供應(yīng)時，C3的濃度急速降低，C5的濃度急速升高；停止光照時，C3增加，C5和葡萄糖同步減少。并提問：外界條件改變時，C3、C5和葡萄糖的含量變化說明了什么？學(xué)生分析資料，通過質(zhì)疑和辯駁發(fā)現(xiàn)：當(dāng)停止CO2供應(yīng)時，C3和C5的濃度變化說明C5能夠幫助CO2固定形成C3；停止光照時，C3增加，C5和葡萄糖同步減少，說明C3在光反應(yīng)提供物質(zhì)、能量支持下能夠還原出C5和葡萄糖。據(jù)此，學(xué)生完善主張，得出結(jié)論：C5+CO2→2C3；2C3→C5+（CH2O）。

3.4.4 構(gòu)建光反應(yīng)碳反應(yīng)模型，得出結(jié)論

最后，教師組織課堂活動，為學(xué)生提供標(biāo)注“H2O”“O2”“氫”“NADPH”“ATP”“C3”“C5”“C6”“CH2O”的物質(zhì)卡片，要求學(xué)生合作構(gòu)建出光合作用過程模型：①根據(jù)卡爾文等科學(xué)家揭示光合作用的科學(xué)歷程和結(jié)果，推測大致過程。②以小組為單位合作探究，每小組確定一位中心發(fā)言人，構(gòu)建反應(yīng)過程模型。

4 教學(xué)總結(jié)

本節(jié)課主要運用相關(guān)的科學(xué)史資料，引導(dǎo)學(xué)生提出質(zhì)疑、論證探究，領(lǐng)略科學(xué)家在研究過程中的科學(xué)思維和探究精神，體會科學(xué)探究的一般過程。課上，教師為學(xué)生提供了充足的自主探討空間，目標(biāo)不在于得出標(biāo)準(zhǔn)答案，而在于引導(dǎo)學(xué)生體會提出質(zhì)疑、修正主張、得出結(jié)論的過程，發(fā)展學(xué)生在真實情境中發(fā)現(xiàn)和提出問題、分析和解決問題的核心素養(yǎng)。