核心素養導向下以科學史研究分析開展探究學習的教學設計

付鑫

1 教材分析

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱課標）提出了“核心素養為宗旨”的課程理念，素養教育需要引領學生主動參與探究性學習活動，加深對生物學概念的理解，提升應用知識的能力?！爸参锏墓夂献饔谩笔侨私贪妗侗匦?.分子與細胞》模塊第五章第四節的內容。傳統教學中，光合作用反應歷程的學習往往通過教師利用科學史以講授策略來完成。學生被動地接受，無法體會科學史中科學家對生物化學反應研究的分析過程。課標中指出，生物學包括了人類認識自然現象和規律的特有探究過程，從生活現象入手，提出科學假設，設計研究方法，分析實驗結果，得出科學原理，這一過程在一代代科學家的研究中不斷深入和拓展，形成結論豐富的知識體系。下面以“植物的光合作用”為例，嘗試在課堂實驗和科學史中帶領學生以科學家的研究范式開展探究學習，落實核心素養。

2 教學目標

（1）從結構與功能相適應的角度，闡明光合作用的物質基礎和結構基礎，形成光合作用中物質和能量相互轉化與守恒的觀念。

（2）基于科學史實驗結果，歸納和概括光合作用的反應歷程與ATP合成的機理。

（3）基于科學史材料，提出研究光合作用反應歷程的實驗設計，體會科學研究范式。

（4）闡明光合作用對生物圈的意義，踐行保護植物、植樹造林的社會責任。

3 教學過程

3.1 基于學習進階的課堂引入

教師展示楓樹圖片，引出光合作用情境：光合作用對植物自身乃至整個生態系統有什么作用？學生在初中階段已經學習過光合作用利用C02、H2O生成了糖類并釋放出O2，教師引導學生從物質與能量觀的角度引導學生思考這一現象背后的原理：植物需要通過一定機制將光能轉變為儲存在有機物中的化學能，這一機制依賴于葉肉細胞中的結構（葉綠體）和物質（光合素色）基礎。教師指出光合作用中，吸收光的物質是存在于植物綠色部分的光合色素，引入實驗。

3.2 基于學生實驗與科學史的課堂探究

3.2.1 認識光合作用的物質與結構基礎

（1）對教材實驗進行優化（圖1），縮短實驗時間，明晰實驗現象：

①將濾紙條放置在菠菜葉片上，用按壓棒在濾紙條距離下端的鉛筆線處垂直按壓幾次，使鉛筆線處留下一條綠線。等待濾紙條上的色素線干燥。

②用鑷子將印有色素線的濾紙條傾斜放入層析缸中，注意不要讓濾紙條垂直貼壁。

③層析缸中備有適量CCI4（減少毒性，增強色素分離效果），注意色素線要高于液面。5 min后觀察。

教師引導學生學生思考：在濾紙條上呈現出幾種顏色不同的色素帶？不同的色素為何會出現在濾紙條的不同位置上？

（2）分析科學史材料。通過恩格爾曼的光色散實驗，引導學生分析實驗結果，得出光合色素能夠吸收藍紫光和紅光的結論。

（3）復習葉綠體的結構。教師引導學生觀察圖示：光合色素分布在類囊體薄膜上，因此類囊體是葉綠體的“綠色部分”，具有吸收光能的功能，葉綠體基質等其他成分是葉綠體的“非綠色部分”，不具有吸收光能的功能。

3.2.2 揭示光合作用的原理

教師根據科學史研究進程，遵循科學研究范式，帶領學生模擬科學家的角色，在已有研究成果基礎上，提出深一層的研究問題，設計實驗思路，實現科學成果的演進。

（1）科學研究設計。首先，教師提供背景信息：美國科學家D.I.Arnon在給葉綠體照光時發現，向體系中提供磷酸、ADP等物質，將生成物收集起來;在黑暗條件下，只要加入這些生成物，只為葉綠體提供C02就可以合成更多糖類。引導學生分析實驗現象，從以下幾個方面引導學生對光合作用的歷程進行思考：

①光合作用分為幾個階段？

②光合作用發生在葉綠體中哪個（哪些）場所？

③光合作用各反應的反應物和產物是什么？

教師通過啟發性問題，發動學生進行頭腦風暴，以小組為單位形成一個完整的實驗設計來研究以上問題，并進行交流。

（2）科學實驗分析。學生頭腦風暴產生的實驗設計思路（圖2），與上個世紀希爾所設計的實驗不謀而合。

教師展示完整的希爾實驗：

利用低滲溶液處理植物細胞的葉綠體，令葉綠體吸水漲破，給破損的葉綠體照光并提供Fe3+，發現有02的放出。沒有光照時，沒有相應反應發生。希爾進一步通過離心分離出葉綠體的類囊體薄膜和葉綠體基質兩種成分，給類囊體薄膜照光并提供Fe3+，發現也有02放出。同時，希爾發現將反應過后的類囊體薄膜溶液上清液加到葉綠體基質中，并通入C02，溶液中新合成出了糖類有機物，只通入C02則沒有有機物合成。

教師帶領學生根據自己以及希爾的實驗設計思路，觀察實驗結果，獲取證實假設的證據：哪些證據說明光合反應是分階段進行的？分幾個階段？哪些證據說明不同階段的反應場所？哪些證據說明各反應階段的反應物和產物？

在解決光合作用基本反應階段的問題后，教師引導學生注意希爾實驗中兩次加入了Fe3+，引發學生這一物質在反應中起到的作用。通過化學氧化還原反應的學習，Fe3+作為弱氧化劑可以吸收電子，而光反應中氧氣的釋放來自于水中氧元素的失電子氧化，這正好完成了一次氧化還原反應。教師可提示學生在葉綠體中，NADP+起到希爾反應中Fe3+的角色，形成了具有還原性的NADPH，為暗反應提供。

根據能量守恒原理，光能進入類囊體，引發水的光解后，應該以另外一種能量方式傳遞。教師引導學生回憶已經學習過的能源物質_ArIP：①不穩定;②具有活躍的能量;③能夠作為細胞生理活動的直接能源ATP。

那么，光反應中ATP是如何形成的？這時過渡到賈格道夫的實驗：賈格道夫在黑暗中把葉綠體的類囊體放在pH為4的弱酸性溶液中平衡，讓類囊體膜腔的pH下降至4，然后加進pH=8和含有ADP和Pi的緩沖溶液，這樣瞬間的pH變化使得類囊體膜內外之間產生一個H+梯度，此時竟然發現溶液中有ATP的合成。

教師引導學生根據賈格道夫的實驗，分析得出ATP合成的機制并在圖3中描繪出幾個關鍵問題的答案：類囊體內外兩側哪一側的H+濃度高？H+傾向于向哪一方向流動？離子能否直接透過類囊體膜（磷脂雙分子層）？如果讓H+順利流動，膜上需要一個什么結構？H+從高濃度向低濃度流動時，像瀑布一般能產生很大的勢能，推動了什么物質的合成？

3.3 落實生活實際的總結與延伸

教師總結上一階段的探究結果：光合作用的兩個階段（光反應和暗反應），但是在完全沒有光照的情況下，植物無法產生有機物。這說明暗反應的發生需要光反應產生的物質基礎。從能量轉化的角度上想，具有能量的光照射到類囊體薄膜的色素分子上被吸收。在葉綠體中，吸收的光能實現了轉化，依托于類囊體薄膜上色素分子與蛋白質之間形成的復合物進行電子傳遞，并最終形成ATP和[H]兩種光反應的產物這就解釋了希爾反應中為何需要將類囊體反應溶液加入葉綠體基質中才能合成糖類。

最后，帶領學生從物理學角度認識光合作用中光能向有機物中化學能的轉變過程，這符合能量守恒原理。教師要強調這一能量的轉化過程為生態系統提供了能量的源泉，是包括人在內所有生物能夠獲得能量的根基，因此從社會責任角度加強落實保護樹木、植樹造林的意識，為人類和整個生態圈的穩定貢獻力量。

4 教學反思

本節課通過實驗培養學生的動手能力，改良的學生實驗節奏更加緊湊，服務于學生認識光合作用的物質與結構基礎。教師利用科學史材料引導學生按照科學家的研究范式進行科學探究，促進學生用科學思維探索光合作用的機理，自主構建生命觀念。本教學設計摒棄了傳統課堂講授為主的教學策略，強調學生學習過程的主動參與，讓學生積極參與動手和動腦的活動，加深對生物學概念的理解，培養創新精神。課堂聚焦的核心概念中滲透化學、物理學相關概念，建成物質和能量觀、結構與功能觀，滲透了STEM的理念。

參考文獻：

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