基于科学史发展科学思维和科学探究能力的教学设计
摘要在“光合作用将光能转化成化学能”（第2课时）教学中，创设情境，精选科学史并合理重组，精心设问，逐步探究，从而生成知识，发展学生的科学思维和科学探究能力，提升生物学学科核心素养。
关键词光合作用科学思维科学探究
中图分类号G633.91文献标志码B
“光合作用将光能转化成化学能”是2019年版浙科版高中生物学《必修1·分子与细胞》第三章“细胞的代谢”第五节的内容，共3个课时。本节课为第2课时，主要内容包括光合作用光反应和碳反应的过程，教材中相关内容的介绍非常简洁，均是结论性语句，即直接呈现科学家研究的最终结果，缺乏对科学家研究过程的介绍，不利于學生理解知识的生成。而光合作用的过程历经多位科学家数百年的研究逐渐揭晓，这些科学探究史是知识如何生成的客观载体，也是培养学生科学思维和科学探究能力的良好素材。教师精选科学史，合理重组，让学生在体验科学家的探究历程中逐步生成知识，在分析与思考中发展生物学学科核心素养。
①通过分析科学史、小组讨论和观看动画，阐明光反应的物质变化和能量变化，初步形成物质和能量观，提高推理的科学思维能力，提高分析实验过程与结果的科学探究能力，感悟科学家勇于创新的科学精神。
②通过分析科学史、小组讨论和阅读教材，阐明碳反应的物质变化和能量变化，进一步形成物质和能量观，初步形成稳态与平衡观，提高推理和归纳以及构建模型的科学思维能力。
③通过小组合作构建光合作用过程的概念模型，阐明光合作用的完整过程，说明光反应与碳反应的区别和联系，提高构建模型的科学思维能力。
④通过创设超级杂交稻的情境，提升用生物学规律解释生产实践中问题的社会责任感。
3.1视频导入，创设情境
教师播放“第三代杂交稻有两个‘超级’”视频，创设情境：第三代杂交稻的两个超级之处是超大稻穗和颗粒更大更饱满，所以超高产。水稻的超高产是以获取高生物学产量为前提，而作物生物学产量的90%～95%来自光合产物。杂交水稻如何进行光合作用，制造光合产物呢？
3.2重组科学史，逐步深入探究光反应
教师精选和重组科学史，引导学生分3步探究光反应中的物质变化和能量变化。
3.2.1探究1——光合作用产生O2的来源
教师展示光合作用的总反应式。学生利用头脑风暴法，探究“光合作用的产物之一——氧气的来源”的思路。学生首先联想到同位素示踪法，提出思路①：用18O分别标记H2O和CO2，进行光合作用，检测哪一组能产生18O2。教师展示资料：1941年，美国科学家鲁宾和卡门利用18O标记的CO2和H2O进行实验。实验过程和结果如图1所示。并提出问题：该实验的实验结论是什么？依据是什么？
学生提出思路②：分别提供有H2O无CO2或无H2O有CO2的条件，进行光合作用，检测哪一组能产生O2。教师展示资料：1937年，英国植物学家希尔发现，在离体叶绿体的悬浮液中，悬浮液中有H2O无CO2，加入铁盐（含Fe3+），给予光照，结果发现有O2产生，Fe3+被还原成Fe2+。并提出问题：水裂解的产物是什么？
3.2.2探究2——H2O裂解产生的H+去向
教师展示资料：1954年，美国科学家阿尔农在无CO2条件下，给离体的叶绿体照光时发现，当向反应体系中加入ADP、Pi和NADP+时，会生成ATP和NADPH。他后来还发现这一过程总是与水的裂解相伴随。并要求学生写出产生ATP和NADPH的反应式。学生派代表展示书写结果，由其他学生评价。
3.2.3探究3——合成ATP的能量的来源
教师展示资料：1963年，贾格道夫等科学家在黑暗条件下利用离体的叶绿体类囊体进行了如图2所示的实验，一段时间后有ATP产生。
教师提出问题：第三个锥形瓶中类囊体内什么物质的浓度比类囊体外高？在学生回答出“H+”后，教师组织学生围绕三个问题进行小组讨论：①黑暗中类囊体合成ATP的能量从哪里来？②在黑暗中进行的目的是什么？③猜想自然光照下合成ATP的原因是什么？在学生讨论、分析后，教师展示化学渗透假说：1961年，米切尔提出光照引起水的裂解，释放的H+留在类囊体腔中。类囊体膜内侧的H+浓度高于外侧，当H+顺浓度梯度返回膜外侧时，ATP合成酶催化ADP和Pi合成ATP。并提出问题：米切尔和贾格道夫为ATP的形成机制均作出了巨大贡献，谁最终获得了诺贝尔奖？
因探究3难度较大，教师先通过设问“类囊体内什么物质的浓度比类囊体外高”，给学生后续讨论提供“脚手架”，再通过层层递进的3个问题的讨论来突破难点，引导学生推理出自然光照下合成ATP的原因，初步形成物质与能量观，提高推理的科学思维能力。然后，再展示化学渗透假说，印证学生的推理，让学生感悟科学家的研究历程——先提出假说，再设计实验验证假说。学生思考“诺贝尔奖颁给了哪位科学家”，感悟科学家勇于创新的科学精神。
3.2.4小结