重構科學史以突破“光合作用過程原理”教學難點

朱素娟 朱曉燕

（1.福建省建甌第一中學 福建南平 353100）

（2.福建省南平市教師進修學院 福建南平 354200）

“光合作用過程原理”是新人教版高中生物《必修1·分子與細胞》第五章第四節“光合作用與能量轉化”第二課時的內容。光合作用是地球上最重要的化學反應，光合作用的概念及其應用是本模塊重點內容。

新版高中生物教材從生活實際出發，創設真實情境，有助于學生自主構建重要概念。教材圖文結合，將光反應與暗反應密切聯系，展現了在物質變化中伴隨著能量變化，有助于學生理解和記憶。利用科學史為光合作用原理提供支撐，新版高中生物教材弱化關于光合作用研究歷史的時間線索，通過正文敘述和2個“思考·討論”形式，對光合作用關鍵實驗進行分析，實現用事實為概念建構搭橋，在概念建構過程中進行科學思維的訓練，有助于提升學生的物質與能量觀、結構與功能觀、穩態與平衡觀。

在初中階段，學生對光合作用的反應物、生成物及意義已經有初步了解，但光反應和暗反應的具體過程比較陌生抽象，涉及較多分子機理（如NADPH、C3、C5等）深層次知識，還需要結合化學和物理學科知識，對高一的學生有一定的難度。因此，教師依據課程標準要求和學業水平要求確定教學目標，對光合作用科學史進行重構，通過創設真情境、聚焦大概念、任務驅動法，引導學生從結果出發尋找證據，使學生增強證據意識，進而突破“光合作用過程原理”教學難點。學生通過自主構建光合作用概念模型，能從結構與功能相適應的角度理解光合作用發生的場所和過程，能從物質和能量觀的視角，闡明光合作用過程中物質變化與能量轉化的過程，說明光合作用的原理和意義；能夠利用光合作用的原理，為農業生產應用提出有價值的建議。

1 創設真情境，領悟光合作用原理與生產實踐的關系

真情境下指向現實問題解決的深度學習，能增強現實感、使命感和意義感，促進學生對知識的理解與遷移，有利于學生對學科重要概念的建構。

進行“光合作用過程原理”課堂教學時，教師首先讓學生觀看他們的實踐型生物課程——“玉米種植”的視頻，視頻中涵蓋學生整地、播種、澆水、松土、施肥、治蟲、除草、間苗、采摘等從玉米種植到收獲的100天生長歷程。學生的情緒被充分調動起來。教師順勢創設真情境解決真問題，提出本節課核心任務一：“玉米種植過密時為什么要進行間苗？有什么理論依據？”教師以此激發學生興趣引入光合作用原理的學習。在光合作用原理學習之后，圍繞視頻提出本節課核心任務二：“能否舉例說明農業生產中還有哪些栽培措施可以影響作物的生理活動，促進作物的生長發育，達到增加產量等目的？”教師通過任務驅動，使學生始終處于積極的學習狀態，能主動利用學習資源進行自主學習，并能解釋影響光合作用過程中物質變化與能量轉化的環境因素，為農業生產應用提出有價值的建議，如合理密植、施農家肥、間作套種、大棚種植需適當通風等措施。

“玉米種植”視頻再現學生真實的勞動場景，從真實勞動體驗中凝煉問題情境作為學生學習認知的背景，促進學生將生物學的概念、原理同現實生活中的問題、現象、經驗聯系在一起，在關注、思考和決策的過程中鞏固和應用知識，充分發揮學生的主體性。學生在問題和興趣的驅動下主動思考，積極探索，培養科學的思維習慣，自主建構生物學科重要概念——光合作用原理，并能夠利用光合作用的原理為農業生產應用提出有價值的建議。

2 重構科學史，還原科學探究歷程，幫助學生深入理解光合作用的過程和實質

科學史是研究生物學知識發生發展的歷史，其中包含了科學家研究過程及其過程中所持有的觀點和態度、生物學理論和方法的形成演變等。科學史蘊含著科學家的思維過程及科學探究過程，有助于培養學生的邏輯思維，形成科學探究的思路，掌握科學探究的基本方法。

光合作用是地球上最重要的化學反應。光能是如何發揮作用？O2來源于哪里?O2產生過程中能量是如何產生和傳遞的？CO2是如何轉化為糖類?影響光合作用效率的因素有哪些？筆者通過重構科學史，創設問題情境，驅動學生主動學習，促進學生從結果出發，尋找證據，幫助學生理解科學的實質、體會科學家思考和解決問題的方法，培養學生的科學論證思想。

2.1 探究光反應中氧氣的來源

教師提供英國植物學家希爾關于光合作用的實驗，并提出問題：Fe3+轉化為Fe2+說明希爾實驗中產生了什么性質的物質？希爾實驗是否說明水的光解與糖類的合成不是同一個化學反應？希爾實驗能否說明植物光合作用產生的氧氣中的氧元素全部都來自水？教師從光合作用的產物——氧氣出發，引導學生分析該實驗的材料、條件、處理措施及結果，提出自己的猜想并加以論證，從而說明：希爾實驗產生還原性物質，水的光解與糖類的合成不是同一個反應，光合作用產物氧氣與水有關。教師引發學生猜想光合作用產物氧氣可能來自水，從而使學生思考直接觀察測定推論可用的方法。

教師提供魯賓和卡門開展的光合作用實驗，引導學生思考：魯賓和卡門實驗用了什么科學方法？此方法有什么好處？該實驗自變量是什么？其他變量應如何處理？該實驗能得出什么結論？

2.2 探究光反應中光能的轉化

教師進一步提出問題：葉綠體吸收的光能能否轉變如ATP其他形式的能量，被細胞直接利用呢？并提供資料，并提出問題：1954年，美國生化學家阿爾農用離體的葉綠體做實驗，同樣不提供二氧化碳。在給葉綠體照光時發現，當向反應體系中供給ADP、Pi和NADP＋（氧化型輔酶Ⅱ）時，會有ATP和NADPH（還原型輔酶Ⅱ）產生。實驗結果說明光能可以轉變為化學能儲存在直接能源物質ATP中，氫受體是什么？嘗試用示意圖表示ATP的合成與希爾反應的關系。

學生依據教師所提供的資料，構建光反應過程，并在葉綠體結構示意圖上標注光反應的場所、條件、物質變化及能量轉化。

2.3 探究暗反應中CO2轉化為糖類的途徑

教師提供資料：20世紀40年代，美國科學家卡爾文將培養出來的多組小球藻置于密閉容器中，將14CO2注入容器，給予充足的光照，每隔一段時間（如3 s、5 s、30 s），將小球藻浸入熱乙醇溶液中，殺死并提取小球藻研磨液，分離并鑒定其中全部含14C的標記物。根據被14C標記的化合物出現時間的先后，推測生化過程。卡爾文向反應體系中充入一定量的14CO2，光照30 s后檢測產物，檢測到了多種帶14C標記的化合物。將光照時間逐漸縮短至幾分之一秒時發現，90%的放射性出現在一種三碳化合物（C3）中。在5 s的光照后，卡爾文等同時檢測到了含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖（C6）。

教師指導學生關注：光照時間為30 s時，檢測到了多種帶標記的化合物，說明反應時間太長。當光照時間逐漸縮短至1 s以內會發現，90%的放射性出現在一種三碳化合物（C3）中，可以據此推斷暗反應中第一個出現的產物。在光照5 s后，卡爾文等同時檢測到了含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖（C6）。根據這一實驗結果，師生共同總結CO2轉化為糖類的途徑。

2.4 探究光反應的產物ATP和NADPH的作用

教師提供資料：卡爾文及其同事通過改變實驗條件，發現五碳化合物（C5）呈規律性變化：當停止CO2供應時，C3的濃度快速降低，C5的濃度快速升高；停止光照時，C3的濃度快速升高，C5的濃度快速降低。并引導學生分析實驗現象推斷光反應的產物ATP和NADPH是用于CO2轉變成C3過程，還是用于C3轉變成C5和C6過程。

教師促進學生理解科學發展離不開技術的支持，探索光反應和暗反應時都依靠了同位素標記法，并通過卡爾文花了近10年時間研究CO2的去向，引導學生置身于科學歷史的氛圍中體悟科學家鍥而不舍、堅持不懈的精神！

2.5 比較光反應與暗反應在物質變化和能量轉化之間的聯系

教師展示光合作用過程中物質變化的示意圖，引導學生嘗試說明光反應與暗反應在物質變化和能量轉化之間的聯系。并引導學生總結歸納：光反應和暗反應緊密聯系，能量轉化和物質變化密不可分，能量只可轉換，物質尚可再循環。光反應階段，光能被葉綠體內類囊體膜上的色素捕獲后，將水分解為O2和H+，形成ATP和NADPH，于是光能轉化成ATP和NADPH中的化學能；ATP和NADPH驅動在葉綠體基質中進行的暗反應，將CO2轉化為儲存化學能的糖類。光合作用產生的有機物不僅供植物體自身利用，還養活所有的異養生物，光能驅動光合作用進而驅動生命世界的運轉。

教師通過重構科學史，引導學會尊重事實和證據，進行學習小結，如圖1、圖2、圖3所示。

圖2 光反應階段光能轉化為化學能的論證過程

圖3 暗反應階段CO2轉化為C3再轉化為糖類的論證過程

3 運用思維可視化手段，促進學生對光合作用的整體認識，完善光合作用概念體系

思維是抽象的概念，思維可視化有利于呈現知識間的聯系，促進知識深入理解。思維可視化的技術手段較多，如概念圖、思維導圖、表格等。通過光合作用原理部分科學史資料的分析與論證，學生對光合作用有了整體的認知。為了能將思維可視化，增強知識的可視性，教師要求學生補充光合作用的概念圖（圖4），以進行學習檢測。

圖4 光合作用概念圖

對光合作用深度剖析后，教師利用概念圖，將零碎的知識片段連接成知識網絡，注重光合作用的內涵與外延，引導學生感悟生命系統中結構與功能相適應、物質與能量相伴隨、穩態與平衡相吻合的生命觀念，促進學生思維的發展。

4 教學反思

本節課采用基于科學史的探究性學習，通過重構科學史，關注學生思維進階發展，將科學探究中的問題以多種方式逐步呈現，不斷引發學生的認知沖突，激發學生的探究熱情，使學生領悟科學思想，自主構建光合作用的概念，形成科學習慣，從而突破“光合作用過程原理”教學難點，提高了學生的思維能力，提升了學生的生物學學科核心素養。