以光合作用科學史為載體滲透科學本質教育

游燕玲 饒小珍

(福建師范大學生命科學學院 福州 350108)

科學本質教育能幫助學生形成正確的科學觀念，區分生活中的科學和偽科學。生物科學史能夠引導學生探本溯源，理解科學本質，把握科學研究的思路和方法，學習科學家獻身科研的精神。本文嘗試將光合作用研究歷史和科學本質教育有機地結合起來，以培養學生的生物學核心素養。

1 光合作用科學史蘊含的科學本質內涵

1.1 以史為例，深刻理解科學知識的形成是一個不斷修正的過程 科學知識受時代的局限影響，是人們在特定階段根據已有的經驗對自然現象或者問題做出的合理解釋。科學知識的產生是螺旋式上升的，它是相對真理不斷趨近絕對真理的過程，科學知識需要不斷地被修正、完善，所以科學知識具有暫定性和發展性[1]。

例如，亞里士多德最初認為植物體營養物質完全來自土壤。1648年海爾蒙特根據柳苗實驗認為植物體的物質主要來自水，否定了亞里士多德的觀點，但是他忽略了空氣對植株體內物質形成所起的作用[2]。1771年普利斯特利通過鐘罩實驗發現植物能夠更新或恢復空氣。但其他人進行相同的實驗時卻得到相反的結果，普利斯特利認為這是由于植物在密閉環境中生長不良導致的，真正的原因是他沒有考慮到光照因素的影響。這種截然不同的實驗結果引起荷蘭醫生英格豪斯的注意，1779年英格豪斯做了500多次的實驗，最終發現只有植物的綠色部分在光照的作用下才能更新空氣，并且指出普利斯特利的實驗不能重復的主要原因是光照不足，從而發展了普利斯特利的觀點。1845年梅耶根據能量守恒定律提出植物體通過光合作用把光能轉變成化學能儲存起來。梅耶的發現為后人表達光合作用反應式奠定了基礎，但是他的觀點并沒有立即得到認可。1864年薩克斯的實驗證明了光合作用的產物還包括淀粉，并且證明了葉綠素在光合作用中發揮作用。1883年恩格曼利用水綿作為實驗材料，發現植物光合作用的放氧部位是葉綠體，并且通過三棱鏡實驗發現好氧細菌主要集中在紅光和藍光區域。最終科學家發現了光合作用的原料、產物、場所和條件。至此，柳樹生長之謎才得以揭曉，但是科學家仍在探究光合作用更深層次的分子機理。

從古希臘開始，歷經幾百年，科學家研究光合作用不斷取得新的進展，但是人們仍然在不停地探索光合作用的奧秘，不斷修正、完善光合作用的相關理論，這說明科學認識是無止境的。

1.2 以史為據，全面體驗科學探索是基于觀察、實驗和推論的歷程 科學是探究客觀世界的思維方式，任何科學的理性過程都必須建立在證據之上，因此科學探索不是主觀臆想。生物學是以生物結構和功能為研究對象的一門學科，其探索過程通常需要實驗支持，在實驗的基礎上，依靠觀察和推論等手段來進行。

例如，普利斯特利將燃燒的蠟燭放在密閉的玻璃鐘罩內，觀察發現蠟燭不久就熄滅了；在另一組將一盆薄荷苗和一支燃燒的蠟燭放在密閉的玻璃鐘罩內，蠟燭不容易熄滅。幾天后，普利斯特利利用凸透鏡將太陽光聚焦在蠟燭芯上，結果發現放有薄荷苗的蠟燭重新燃燒，因此他認為植物能夠純化空氣。普利斯特利又做了另外一個實驗，他在密閉的玻璃鐘罩內單獨放入小鼠，小鼠很快死亡；而在另外一個密閉的玻璃鐘罩內放入小鼠和薄荷苗，小鼠正常存活。普利斯特利在實驗過程中，通過對現象的觀察，從而得出推論： 植物可以更新空氣。但是推論也是需要通過實驗進行驗證的。

因此，科學探索就是實驗、觀察、推論不斷反復的過程。在實驗過程中，有一些是可以通過觀察現象直接驗證的，而有一些是在觀察的基礎上進行推論的。

1.3 以史為鏡，切身了解科學工作需要科學家的想象力和創造性 科學知識不是純粹客觀的，知識的產生的所有階段都需要人們想象力和創造性的參與，包括提出假說、設計實驗、結果分析等。

例如，科學研究發現水綿的葉綠體呈帶狀螺旋形，好氧細菌分布在有氧的環境中。1883年德國科學家恩格爾曼根據當時已知水綿葉綠體的特點和好氧細菌分布的習性，創造性地采用水綿和好氧細菌的臨時裝片進行實驗，從而能夠更好地觀察光合作用發生的場所以及確定氧氣釋放的部位。他創設沒有空氣的黑暗條件來排除外界環境因素的干擾。為了形成對照實驗，他發揮自己的想象和創造性，利用極細的光束照射水綿，從而創造出水綿上有光照和無光照兩個部位，最終發現葉綠體被光照到的部位是好氧細菌的聚集地。為了保證實驗的嚴謹性，他將臨時裝片完全曝光，葉綠體所有光照的部位均有好氧細菌的分布，又一次證明了實驗結論。這個實驗巧妙地證明了氧氣是在葉綠體產生的。恩格爾曼證明葉綠體是植物體光合作用的放氧部位后，他的研究并沒有就此終止。緊接著他又做了一個實驗，他將水綿臨時裝片用透過三棱鏡的光進行照射，結果發現紅光和藍光照射的葉綠體分布大量的好氧細菌，從而可以確定葉綠體主要吸收紅光和藍光來進行光合作用，釋放氧氣。

恩格爾曼的實驗充分地體現在特定階段應善于選材、創造條件，將實驗對象和條件巧妙地結合起來，以此來進行科學的探究。薩克斯的實驗，以及魯賓和卡門巧妙地將放射性同位素標記法應用于科學研究，無一不說明了科學發展的階段需要想象和創造性的參與。

1.4 以史為鑒，深切領會科學、技術、社會的相互關系 科學、技術、社會之間存在雙向互動的關系?？茖W研究是為了更好地認識自然界的客觀規律和事物之間的內在聯系?？茖W為技術提供理論基礎；反過來，技術通過改造自然，使人類更好地認識自然，并推動科學的發展?？茖W、技術共同推動社會的發展和進步，而社會發展的客觀規律又制約著科學、技術的發展。

例如，英格豪斯用帶葉的枝條進行實驗，由于受到技術發展的限制，只發現植物在光照條件下才能更新空氣，不能確定產生氧氣。之后科學家采用化學方法鑒定空氣的成分，最終確定植物光照條件下產生氧氣。魯賓和卡門也通過同位素放射性標記法證明了光合作用產生的氧氣來自水，這都說明技術影響科學的發展。同樣，科學也推動技術的發展。光學原理促進顯微鏡的發明應用，根據同位素示蹤所利用的放射性核素與自然界存在的相應元素與化合物的化學性質相同的原理發明了同位素標記法，從而推動光合作用理論的完善。光合作用機理的深入研究，能夠應用在社會實踐，人們通過控制光照和溫度等因素，來增加農作物產量，有利于解決糧食問題。而科學、技術的發展也要考慮到社會倫理以及發展規律。所以科學、技術、社會三者是不可分割的。

2 以光合作用科學史為載體，開展科學本質教育的策略

2.1 精選材料，強化脈絡 教師應該根據教學目標對科學史進行解讀并進行適當的補充和調整[3]，凸顯主題，保證科學史的邏輯性和完整性，以達到對科學本質的深入理解。因此在光合作用科學史的學習中，教師可以增加亞里士多德的看法和海爾蒙特的柳樹實驗，起到拋磚引玉的作用。在課堂活動中，還可以增加植物學家斯蒂芬·黑爾斯的實驗，發現空氣為植物生長提供營養，以此過渡到普利斯特利的鐘罩實驗；接著展示英格豪斯的實驗來完善普利斯特利的結論；在光合作用過程中，光能究竟去哪兒了？應介紹德國科學家梅耶通過實驗發現光能轉換成化學能儲存在植物中。再列舉薩克斯和恩格爾曼的實驗明確光合作用的產物和場所。那么，氧氣來源于哪里呢？魯賓和卡門的實驗證明了光合作用的氧氣來自水。教師根據邏輯順序將光合作用科學史串聯起來，有助于學生了解光合作用的來龍去脈，促進學生完整地認識光合作用的物質和能量代謝的過程，并且使學生意識到科學研究不是一蹴而就，而是不同階段不同科學家共同努力的結果。

2.2 顯性表達，理解本質 教師在教學過程中，不需要對所有科學家的發現過程面面俱到，應有側重點。有些材料只是輔助教學，可以一筆帶過。而像恩格爾曼、薩克斯的巧妙實驗有助于培養學生的探究能力和科學思維，應著重強調?？茖W本質的體現也是一樣，不需要也不應該面面俱到，應該對這堂課凸顯的科學本質的主要方面進行講解和闡述。例如，光合作用發現史講解的過程中可以主要通過科學知識的動態發展性、科學的可驗證性以及科學和技術的相互作用這幾個方面進行闡釋。很多教師習慣通過課堂活動間接地使學生領會科學本質。萊德曼教授指出，應該顯性的、善于反思的進行科學本質教育。所以教師應該用明確的語言告知學生教學內容主要體現了哪些方面的科學本質，引導學生通過小組討論等方式了解光合作用發現歷程中科學家所遇到的問題、采用的方法以及涉及到的技術，明白科學本質的內涵。

2.3 巧設問題，引導探究 在光合作用發現史設計中，很多教師僅依次向學生呈現普利斯特利、英格豪斯、梅耶等人的發現過程，科學史僅僅是作為一種背景性知識。教師應該使學生沿著科學家探索光合作用的歷程不斷深入，使學生體驗探究過程、研究方法。因此在學習光合作用科學史時，教師可以根據薩克斯的實驗設置一個主題：“驗證植物葉片在光合作用下合成的產物是淀粉”。學生根據已有的知識、小組分工合作設計實驗。各小組間再互相補充，最后與薩克斯的實驗方案進行對比，發現不足之處。教師可以通過問題串的創設，層層引導來培養學生的科學思維。使科學研究的過程邏輯清晰。問題串的設計如下： ①暗處理這一步是否可以省略？為什么？②葉片如何進行遮光處理？③本實驗是否存在對照組？若有，請指出單一變量？④利用酒精處理葉片的目的是什么？⑤如何證明光合作用的產物存在淀粉？

當利用多媒體展示，通過問題的層層遞進，引導學生在閱讀、合作交流的活動中使問題得到圓滿解決后，學生就會深刻地理解科學研究的邏輯性和嚴謹性，更加深入理解科學本質，而不是紙上談兵。