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摘 要 以“光合作用的探究历程”教学为例，讨论将养学生理性思维，落实核心素养于课堂教学的具体策略。通过对光合作用发现史经典实验的分析，进行思维训练，培养学生理性思维方式，使核心素养培育方向渗透于课堂教学实践。
关键词 科学 核心素养 理性思维 生物学教学
中图分类号 G633.91 文献标志码 B
“光合作用探究历程”是人教版高中生物《必修1·分子与细胞》第五章第四节“能量之源—光和光合作用”第二课时的内容。学生通过初中阶段的学习，对海尔蒙特实验、普利斯特利实验、英格豪斯实验、萨克斯实验等有了初步的认识，对光合作用场所、条件、原理等也有一定的认知基础。学生有进行科学探究实验的实践基础，对科学探究方法有初步认识，已掌握科学探究的一些基本的方法。这部分内容的学习是建立于初中学习基础上的知识的进一步深化。
科学发现史历程实际上揭示了人们对于未知领域探究的思维方法，是培养学生理性思维的良好资源。生物学科核心素养中，包含能够“针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及结果的交流与讨论”；“崇尚并形成科学思维的习惯；能够运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维等方法探讨生命现象及规律”等内容。
高中学生学习动机相对稳定，对事物的认知开始从现象到本质逐步深入，具有一定的分析、归纳的深层思维能力。引导学生解析“光合作用探究历程”经典实验蕴含的生物学科思想方法，既能为学生学习光合作用原理奠定基础，同时又能培养生物核心素养，促进学生逻辑思维的发展。
1 引导分析，感悟科学实证
教师引导学生回顾光合作用发现史过程的经典实验，激励学生要实事求是、勇于探索，认同科学探究往往需要一个曲折的发展历程。教师指导学生阅读“梅耶的科学研究”小资料，并提出问题：“植物通过光合作用将光能转换成化学能储存，那么贮存到什么物质中呢？”
科学结论建立在证据和逻辑推理的基础上，因此，教学的重点并非单纯的只关注科学结论，而是通过学习过程锻炼学生的思维能力。教师可利用问题串，引导学生积极思考。如分析萨克斯实验时，针对实验设计设置问题：
① 实验中的自变量、因变量、无关变量分别是什么？
② 为什么要对绿叶进行暗处理？这样做的理由是什么？
③ 对同一片叶子进行一半曝光、一半遮光处理，体现了科学研究中的哪些原则？④ 实验可以得出的结论是什么？
对实验的分析深化了对科学研究一般方法的理解与应用。在此过程中，教师引导学生认同对真理的追求应该表现为基于事实、合乎逻辑的推理形式。
2 任务驱动，探究科学过程
真正意义上的科学发展必须是一种尊重理性和崇尚理性的发展，科学结论必须具有说服力的论据，且通过符合逻辑的推理得到而非依靠表象获得。
通过初中的学习，学生知道光合作用释放O2。那么，光合作用释放的O2来源于哪呢？这是高中学习要探索的新知。历史上，鲁宾和卡门对这个问题的探究用了同位素标记法。要能真正理解同位素标记法的原理，需要联系化学知识。教师引导学生进行学科间知识渗透和迁移运用，引导学生思考化学学习中区别同一元素的方法。如区分氕、氘、氚通常采用的方法是什么？同位素有哪些特点，同位素为什么可以追踪物质的运行和变化规律？在此基础上，教师介绍同位素标记法在生物学研究中的应用，提出问题：要如何利用同位素法进行实验设计以探究光合作用释放的O2到底是来自H2O，还是CO2呢？用什么元素的同位素？分别标记什么物质？可能出现什么实验现象？鼓励学生进行小组交流讨论，尝试进行实验设计。
师生共同归纳分析鲁宾和卡门实验原理，教师利用课件展示1939鲁宾和卡门利用同位素标记法的实验，引导学生得出结论：光合作用释放的氧气来自于水。教师进一步提出问题：如何尝试设计用H的同位素来追踪光合作用中的氢原子的转移途径？以此问题引發学生思考，进行思维训练，让学生感悟科学实验设计的严谨与巧妙，同时也可检测学生是否理解了同位素标记法。
教师用课件进一步展示：卡尔文利用同位素标记14C探明CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径。以此引入卡尔文循环概念，并提出问题：光合作用的有机物是怎样合成的？学生自主阅读教材，与小组同学交流学习收获，培养信息获取能力与表达交流能力。
至此，学生对光合作用生理过程有了实质的理解。这些理解均建立于科学实验所得出的结论，在学习过程中，学生依靠思维能力对感性材料进行一系列抽象、概括、分析和综合，形成概念、判断，通过推理的认识过程培养科学思维习惯，尊重理性和崇尚理性，以归纳与概括、演绎与推理、批判性思维等方法探讨生命现象及规律，寻找事物的本质、规律及内部联系，体现了生物学习中对于核心素养的培养。
3 巩固深化，形成科学认知
教师要求学生注意：
① 普里斯特利实验设计的不足之处，即实验还需要增设无光环境下的对照实验，与学生讨论改进建议；
② 萨克斯实验得出的结论是光合作用产生淀粉；
③ 恩格尔曼实验证明氧气由叶绿体释放出来，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所；
④ 鲁宾和卡门用同位素分别标记CO2和H2O，供绿色植物利用，分析各自放出的氧，证明合作用释放的氧气全部来自H2O。
4 教学反思
4.1 重视初高中衔接，体现学习延续性
本节课的引入重视学生初中光合作用发现史的学习，帮助学生回忆初中光合作用发现过程中的几个重要经典实验。学生在初中知识的基础上展开学习，提高了学习效益，避免了重复学习对教学时间的浪费。
4.2 分析科学发现史，进行逻辑思维训练
科学经典实验蕴含了丰富的生物科学方法教育资源。科学发现过程就是人们探究未知事物，获得新认知的思维过程。实验中体现的科学思维方法，可以有效地提高学生提出假设、设计实验的能力，能帮助学生深刻理解知识、理解科学的本质。教师设计问题串，引导学生带着问题逐步思考，培养学生逻辑思维能力，促使学生学习能力得到一定程度的提升。因此，在教学过程中花了较大的比重对萨克斯实验，鲁宾和卡门实验进行分析，目的是为了帮助学生归纳科学探究的一般方法与原则。学生借助学习活动和思维策略解决认知冲突，利用归纳、分析、对比等思维方式来建构新的认知结构，提高了科学思维能力，深化了知识理解。
4.3 引发情感体验，促使科学价值观形成
学生通过对本节课的学习，感悟到科学的道路的曲折和艰辛，知道科学知识来之不易，任何一项科学成果的取得和发现都是后人在继承前人经验的基础上，经过不断的探究才获得的。这些体会有助于培养学生实事求是的科学态度和坚忍不拔的科学精神，从而使学生形成尊重科学、崇尚科学和献身科学的价值取向，奠定其将来从事科学研究的基础。
4.4 关注迁移联系，帮助知识理解
本节课涉及到一些物理与化学知识，需要教师补充物理、化学基础知识，才能帮助学生理解同位素标记法。因此，教师充分研究学生的知识基础，关注学科间的衔接，才能保证课堂教学活动顺利有效开展；同时，也帮助学生理解科学发展进程中各学科的共同发展、彼此促进。
4.5 落实教学评价，促进概念深化
概念的获得是一个知识内化的过程，需要有巩固强化的环节，通过师生互动或是设置思考题，可以帮助学生梳理已掌握的知识，建立良好的知识网络体系。
本节课中体现了建构主义教学“基于问题解决来建构知识，通过问题解决来学习”的基本思路。同时，利用了教材中科学史的潜在教育功能，引导学生尝试像科学家那样去设计实验、去理性思考，旨在进一步培养学生进行探究性学习的能力，激发学生的创新思维。
参考文献：
[1] 徐勇.生物学科核心素养培育探析[J].中学教学参考，2016（7）：115.
[2] 蒋桂林.基于高中生核心素养培养的生物学科素养的思考[J].中学生物学，2015（10）：9-10.
关键词 科学 核心素养 理性思维 生物学教学
中图分类号 G633.91 文献标志码 B
“光合作用探究历程”是人教版高中生物《必修1·分子与细胞》第五章第四节“能量之源—光和光合作用”第二课时的内容。学生通过初中阶段的学习，对海尔蒙特实验、普利斯特利实验、英格豪斯实验、萨克斯实验等有了初步的认识，对光合作用场所、条件、原理等也有一定的认知基础。学生有进行科学探究实验的实践基础，对科学探究方法有初步认识，已掌握科学探究的一些基本的方法。这部分内容的学习是建立于初中学习基础上的知识的进一步深化。
科学发现史历程实际上揭示了人们对于未知领域探究的思维方法，是培养学生理性思维的良好资源。生物学科核心素养中，包含能够“针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及结果的交流与讨论”；“崇尚并形成科学思维的习惯；能够运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维等方法探讨生命现象及规律”等内容。
高中学生学习动机相对稳定，对事物的认知开始从现象到本质逐步深入，具有一定的分析、归纳的深层思维能力。引导学生解析“光合作用探究历程”经典实验蕴含的生物学科思想方法，既能为学生学习光合作用原理奠定基础，同时又能培养生物核心素养，促进学生逻辑思维的发展。
1 引导分析，感悟科学实证
教师引导学生回顾光合作用发现史过程的经典实验，激励学生要实事求是、勇于探索，认同科学探究往往需要一个曲折的发展历程。教师指导学生阅读“梅耶的科学研究”小资料，并提出问题：“植物通过光合作用将光能转换成化学能储存，那么贮存到什么物质中呢？”
科学结论建立在证据和逻辑推理的基础上，因此，教学的重点并非单纯的只关注科学结论，而是通过学习过程锻炼学生的思维能力。教师可利用问题串，引导学生积极思考。如分析萨克斯实验时，针对实验设计设置问题：
① 实验中的自变量、因变量、无关变量分别是什么？
② 为什么要对绿叶进行暗处理？这样做的理由是什么？
③ 对同一片叶子进行一半曝光、一半遮光处理，体现了科学研究中的哪些原则？④ 实验可以得出的结论是什么？
对实验的分析深化了对科学研究一般方法的理解与应用。在此过程中，教师引导学生认同对真理的追求应该表现为基于事实、合乎逻辑的推理形式。
2 任务驱动，探究科学过程
真正意义上的科学发展必须是一种尊重理性和崇尚理性的发展，科学结论必须具有说服力的论据，且通过符合逻辑的推理得到而非依靠表象获得。
通过初中的学习，学生知道光合作用释放O2。那么，光合作用释放的O2来源于哪呢？这是高中学习要探索的新知。历史上，鲁宾和卡门对这个问题的探究用了同位素标记法。要能真正理解同位素标记法的原理，需要联系化学知识。教师引导学生进行学科间知识渗透和迁移运用，引导学生思考化学学习中区别同一元素的方法。如区分氕、氘、氚通常采用的方法是什么？同位素有哪些特点，同位素为什么可以追踪物质的运行和变化规律？在此基础上，教师介绍同位素标记法在生物学研究中的应用，提出问题：要如何利用同位素法进行实验设计以探究光合作用释放的O2到底是来自H2O，还是CO2呢？用什么元素的同位素？分别标记什么物质？可能出现什么实验现象？鼓励学生进行小组交流讨论，尝试进行实验设计。
师生共同归纳分析鲁宾和卡门实验原理，教师利用课件展示1939鲁宾和卡门利用同位素标记法的实验，引导学生得出结论：光合作用释放的氧气来自于水。教师进一步提出问题：如何尝试设计用H的同位素来追踪光合作用中的氢原子的转移途径？以此问题引發学生思考，进行思维训练，让学生感悟科学实验设计的严谨与巧妙，同时也可检测学生是否理解了同位素标记法。
教师用课件进一步展示：卡尔文利用同位素标记14C探明CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径。以此引入卡尔文循环概念，并提出问题：光合作用的有机物是怎样合成的？学生自主阅读教材，与小组同学交流学习收获，培养信息获取能力与表达交流能力。
至此，学生对光合作用生理过程有了实质的理解。这些理解均建立于科学实验所得出的结论，在学习过程中，学生依靠思维能力对感性材料进行一系列抽象、概括、分析和综合，形成概念、判断，通过推理的认识过程培养科学思维习惯，尊重理性和崇尚理性，以归纳与概括、演绎与推理、批判性思维等方法探讨生命现象及规律，寻找事物的本质、规律及内部联系，体现了生物学习中对于核心素养的培养。
3 巩固深化，形成科学认知
教师要求学生注意：
① 普里斯特利实验设计的不足之处，即实验还需要增设无光环境下的对照实验，与学生讨论改进建议；
② 萨克斯实验得出的结论是光合作用产生淀粉；
③ 恩格尔曼实验证明氧气由叶绿体释放出来，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所；
④ 鲁宾和卡门用同位素分别标记CO2和H2O，供绿色植物利用，分析各自放出的氧，证明合作用释放的氧气全部来自H2O。
4 教学反思
4.1 重视初高中衔接，体现学习延续性
本节课的引入重视学生初中光合作用发现史的学习，帮助学生回忆初中光合作用发现过程中的几个重要经典实验。学生在初中知识的基础上展开学习，提高了学习效益，避免了重复学习对教学时间的浪费。
4.2 分析科学发现史，进行逻辑思维训练
科学经典实验蕴含了丰富的生物科学方法教育资源。科学发现过程就是人们探究未知事物，获得新认知的思维过程。实验中体现的科学思维方法，可以有效地提高学生提出假设、设计实验的能力，能帮助学生深刻理解知识、理解科学的本质。教师设计问题串，引导学生带着问题逐步思考，培养学生逻辑思维能力，促使学生学习能力得到一定程度的提升。因此，在教学过程中花了较大的比重对萨克斯实验，鲁宾和卡门实验进行分析，目的是为了帮助学生归纳科学探究的一般方法与原则。学生借助学习活动和思维策略解决认知冲突，利用归纳、分析、对比等思维方式来建构新的认知结构，提高了科学思维能力，深化了知识理解。
4.3 引发情感体验，促使科学价值观形成
学生通过对本节课的学习，感悟到科学的道路的曲折和艰辛，知道科学知识来之不易，任何一项科学成果的取得和发现都是后人在继承前人经验的基础上，经过不断的探究才获得的。这些体会有助于培养学生实事求是的科学态度和坚忍不拔的科学精神，从而使学生形成尊重科学、崇尚科学和献身科学的价值取向，奠定其将来从事科学研究的基础。
4.4 关注迁移联系，帮助知识理解
本节课涉及到一些物理与化学知识，需要教师补充物理、化学基础知识，才能帮助学生理解同位素标记法。因此，教师充分研究学生的知识基础，关注学科间的衔接，才能保证课堂教学活动顺利有效开展；同时，也帮助学生理解科学发展进程中各学科的共同发展、彼此促进。
4.5 落实教学评价，促进概念深化
概念的获得是一个知识内化的过程，需要有巩固强化的环节，通过师生互动或是设置思考题，可以帮助学生梳理已掌握的知识，建立良好的知识网络体系。
本节课中体现了建构主义教学“基于问题解决来建构知识，通过问题解决来学习”的基本思路。同时，利用了教材中科学史的潜在教育功能，引导学生尝试像科学家那样去设计实验、去理性思考，旨在进一步培养学生进行探究性学习的能力，激发学生的创新思维。
参考文献：
[1] 徐勇.生物学科核心素养培育探析[J].中学教学参考，2016（7）：115.
[2] 蒋桂林.基于高中生核心素养培养的生物学科素养的思考[J].中学生物学，2015（10）：9-10.