劉本舉 （首都師范大學附屬中學 北京 100048）

“光合作用”是普通高中生物學課程《分子與細胞》模塊的重要內(nèi)容，在生物學核心素養(yǎng)培育中具有不可替代的地位和作用。該內(nèi)容蘊含有豐富的科學史素材，可較好地將核心素養(yǎng)中“生命觀念、科學思維、科學探究”等落實到課堂教學中。

按照現(xiàn)代認知心理學的知識分類體系，光合作用的主要內(nèi)容屬于“陳述性知識”中的“事實性知識”，可歸納到“生理過程類”的事實性知識［1］。筆者學習了幾個版本的高中《生物學》教材，發(fā)現(xiàn)自20世紀90年代以來，幾經(jīng)修訂，關于“光合作用”的編寫只有插圖及語言表述的變化，基本知識體系幾乎沒有改變，知識內(nèi)容過于簡單。隨著科學技術的發(fā)展，光合作用的研究亦更加深入。筆者認為，在高中教學中完全有條件引導學生更加深入地學習“光合作用”，其思維容量也應有所提升，才能更加符合課程標準的要求，在學科核心素養(yǎng)的培育上更有效。

本文對光合作用相關科學史素材進行了分析、篩選、重組，將相關科學史實驗的內(nèi)容設計為適合學生進行探究性思考的小課題，引導學生進行“基于資料和問題的探究性學習”，增強了教學內(nèi)容的探究性［2］，增加了課堂的思維容量，在提升學生分析、推理、思辨、論證等能力方面取得了較好效果。

1 光合作用的科學史實驗及選擇

1771年，英國科學家普利斯特利（J.J.Priestley）通過將植物和小鼠一同放入密閉玻璃罩內(nèi)的實驗，發(fā)現(xiàn)植物可“凈化”空氣。

19世紀末，德國化學家馮·貝爾（A.von Baeyer）提出“甲醛說”，認為CO2在光作用下分解為CO和O2，CO被還原為甲醛，再聚合為糖。

1923年，德國化學家桑伯格（T.Thunberg）從氧化還原的角度認識光合作用，提出光合作用可被認為是H2O和CO2間的氫轉(zhuǎn)移。

1881年，德國科學家恩格爾曼（T.Engelmann）利用水綿和好氧性細菌進行實驗，確定了光合作用的場所是葉綠體；證明了光合作用主要吸收紅光和藍紫光。

1937年，英國科學家希爾（R.Hill）利用離體葉綠體進行實驗，在不提供CO2、只提供草酸鐵作為電子受體的條件下，葉綠體不合成有機物，但可釋放氧氣。

20世紀50年代中期，科學家發(fā)現(xiàn)葉綠體中具有NADP+，在光照下可接受電子和H+，生成NADPH。

1941年，美國科學家魯賓（S.Ruben）和卡門（M.Kamen）用18O標記氧氣，證明了光合作用釋放的氧氣來自參與反應的水。

1954年，美國科學家阿爾農(nóng)（D.Arnon）發(fā)現(xiàn)，在光照下，葉綠體可合成ATP。1957年他發(fā)現(xiàn)這一過程總是與水的光解相伴隨。

1961年，英國科學家米切爾（P.Mitchell）按照其對細菌的質(zhì)子跨膜運輸?shù)睦斫?，提出化學滲透學說，認為H+在類囊體膜內(nèi)、外的電化學勢能為ATP合成提供了能量。

1966年，美國科學家雅根多夫（A.Jagendorf）利用改變?nèi)~綠體類囊體膜內(nèi)、外pH值的方法，為米切爾的化學滲透學說提供了實驗證據(jù)。

1964年起，卡爾文（M.Calvin）利用同位素標記和雙向紙層析技術，發(fā)現(xiàn)了暗反應過程的“卡爾文循環(huán)”。

光合作用科學史實驗篩選如表1。

表1 光合作用科學史實驗的篩選

2 教學建議

對于光合作用的學習，應避免簡單梳理反應過程，以記憶為主線的教學方式。這種方式看似條理清晰，但幾乎沒有學生的思考，不利于能力的培養(yǎng)，更談不上學科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。如果能充分挖掘相關科學史實驗素材，設計成為學生探究性學習活動，引導學生通過分析、推理、論證解決一系列問題，就能在知識的學習過程中滲透生物學核心素養(yǎng)的培育，能力的提升亦是必然。

2.1 光反應

2.1.1 恩格爾曼的實驗——引出吸收光能的是葉綠體中的色素 通過圖片展示恩格爾曼的實驗及結果，提出問題：實驗1中，用極細光束照射水綿，好氧細菌只在光束處聚集，實驗的結論是什么？實驗2中的細菌為什么聚集在紅光區(qū)和藍紫光區(qū)？能得出什么結論？

學生經(jīng)過分析推理，從實驗1可得出“葉綠體是光合作用的場所”這一結論。實驗2可讓學生認識到光合作用主要吸收紅光和藍紫光。順利引出新問題：葉綠體中吸收光能的物質(zhì)是什么？

2.1.2 葉綠素的熒光現(xiàn)象——引出新問題：光合色素吸收的光能去向何處？

資料1：用圖片展示葉綠素的熒光實驗，光合色素的酒精溶液在透射光下觀察呈綠色，反射光下觀察呈暗紅色。

資料2：位于葉綠體基粒類囊體膜上的光合色素可吸收光能，且主要吸收可見光中的紅光和藍紫光，綠光吸收極少。

資料3：離開葉綠體的光合色素仍可吸收光能，由于失去了相關的結構基礎，所吸收的光能不能被用于合成有機物，只能再釋放。

問題：請根據(jù)上述資料，嘗試解釋熒光現(xiàn)象的原理。

學生經(jīng)過思考一般都能理解，光合色素在透射光下呈綠色的原因是綠光被吸收得最少，所以透過去的綠光就最多；反射光下呈暗紅色的原因是吸收的光能不能被利用，只能再以光能的形式釋放，由于以熱能的形式消耗了部分能量，光的波長略變長，呈暗紅色。

光合色素吸收的光能怎樣用于有機物的合成？教師提供以下資料。

2.1.3 魯賓、卡門實驗及希爾反應——認識光反應的基本過程

資料1：美國科學家魯賓和卡門用含有不同比例重氧水（H218O）和重氧碳酸鹽（KHC18O3+K2C18O3）的溶液（自然界的氧元素中，18O含量為0.2%，故實驗中18O含量為0.2%的水及碳酸鹽即為普通的水及普通碳酸鹽），供給小球藻進行光合作用，分階段測量水中重氧水的比例、碳酸鹽中重氧碳酸鹽的比例、釋放氧氣中重氧所占比例，數(shù)據(jù)如表2。

表2 魯賓、卡門的實驗數(shù)據(jù)

提出問題：①實驗數(shù)據(jù)呈現(xiàn)怎樣的規(guī)律？結果如何解釋？在實驗過程中，反應系統(tǒng)碳酸鹽中重氧碳酸鹽的比例在第1組是逐漸升高的，第2～3組是逐漸降低的，如何解釋？

該數(shù)據(jù)為原始論文數(shù)據(jù)，相對復雜，但認真分析，不難看出規(guī)律：各組釋放的O2中，18O元素所占比例與本組供給的H2O中18O所占比例相同，與該組KHCO3+K2CO3中18O占全部氧元素的比例不同。這個結果很好地說明，光合作用釋放的氧氣來自H2O，而不是來自CO2。反應系統(tǒng)碳酸鹽中重氧碳酸鹽的比例的變化，是因為H2O與碳酸鹽所含重氧比例不同，而H2O參與呼吸作用生成的CO2摻入碳酸鹽所致。閱讀文獻是一種能力，該資料可訓練和提升學生閱讀文獻并分析數(shù)據(jù)的能力。

資料2：1939年，英國科學家希爾將植物破碎后獲得離體的葉綠體，在葉綠體懸液中加入足量草酸鐵等電子受體，不提供CO2，也可在光照條件下放出氧氣。

提出問題：①希爾反應能否說明釋放的氧氣全部來自水？為什么？②沒有CO2也能釋放氧氣，說明了什么問題？ ③如果水中的氧元素以氧氣形式釋放，水分解產(chǎn)生的氫元素去了哪里？（問題③并不需要解答，而是引出下一個問題）

學生通過思考和討論一般都可認識到，希爾反應僅說明離體葉綠體在適當條件下可發(fā)生水的光解，產(chǎn)生氧氣。由于該實驗沒有排除葉綠體中其他物質(zhì)的干擾，也并沒有直接觀察到氧元素的轉(zhuǎn)移。但該實驗可說明水的光解并非必須與糖的合成相關聯(lián)，暗示著希爾反應是相對獨立的反應階段。

資料3：20世紀50年代中期，科學家發(fā)現(xiàn)葉綠體中具有天然電子受體NADP+，在光照條件下NADP+可得到電子和H+變成NADPH?？茖W家推測，水被分解后，其中的氫元素被以電子和H+分離的形式傳遞，電子在類囊體膜上經(jīng)過電子傳遞鏈傳遞，H+被釋放到類囊體基質(zhì)中。

提出問題：根據(jù)資料2和資料3，你對反應過程有什么看法？

學生經(jīng)過分析，一般可認識到水分解后，氧氣被釋放，氫的電子被傳遞給NADP+，生成NADPH。教師讓學生分析雅根多夫的類囊體實驗。

2.1.4 雅根多夫的類囊體實驗——分析ATP合成的機制 雅根多夫的實驗背景：這個極富傳奇色彩的故事，可引起學生強烈的興趣，讓學生在故事中感悟科學家思考問題和解決問題的思路，兼顧非智力因素的養(yǎng)成，會取得良好的教學效果（下文是故事梗概，教學過程中可講得更細致、生動）。

1961年之前，科學家認識到，電子沿著線粒體內(nèi)膜上細胞色素酶依次傳遞，傳遞給氧氣后生成水，此過程釋放大量能量。制造ATP的場所在ATPase，是另一種鑲嵌在線粒體內(nèi)膜上的蛋白質(zhì)綜合體。細胞色素酶和ATPase是不同的蛋白質(zhì)，二者在線粒體內(nèi)膜上的分布，物理上是互相隔絕的。能量是如何從細胞色素酶傳送至ATPase上的？

當時的科學家普遍認為，從細胞色素酶到ATPase應該通過一種高能分子鏈接。這種分子是什么？科學家為此展開了尋找這種高能分子的競賽。然而，20年過去，提出的候選分子有十幾種，但都被否定了。米切爾卻另辟蹊徑，在1961年發(fā)表論文時說：既然排除了所有可能，答案就是“這種高能分子不存在”。

按照米切爾的設想：線粒體內(nèi)膜就像是水壩。線粒體內(nèi)膜上的細胞色素酶在傳遞電子過程中，利用高能電子H+送到了膜間隙，這里積累大量H+，形成了一種化學勢能。ATPase就是泄洪道，可控制H+的回流，H+化學勢能的釋放就被用于生產(chǎn)ATP。但米切爾的論文在1961年的能量生物學界未受到認可。

雅根多夫偶爾聽到米切爾與人辯論，當時的感受是米切爾說的都是胡話，因為米切爾不但認為線粒體符合其假說，還認為葉綠體中光合作用制造ATP的機理也是同樣的。

對米切爾強烈的反感促使雅根多夫和他的同事設計了一個實驗：在無光條件下將離體葉綠體類囊體在pH=4的溶液中平衡一段時間后，再轉(zhuǎn)移至pH=8的緩沖液中，當他加入ADP和Pi時，反應體系合成了大量ATP。當時雅根多夫簡直不相信該結果。

問題：①這個實驗中ATP生成的直接驅(qū)動力是什么？②H+在類囊體膜內(nèi)外怎樣形成濃度梯度而獲得化學勢能？由什么能量轉(zhuǎn)化而來？

學生對于故事的喜愛，促使他們對問題深入思考。對實驗進行分析后可得出“ATP合成所需能量來自H+在類囊體膜內(nèi)、外的電化學勢能。教師講解膜內(nèi)外形成H+濃度梯度的2個原因：①水的光解會產(chǎn)生并積累大量H+；②水光解產(chǎn)生的電子在傳遞過程中會推動某蛋白質(zhì)將H+從膜外運進類囊體，促進H+進一步積累，形成了H+在類囊體膜內(nèi)高、膜外低的濃度勢能。至此，基本了解了光反應的基本過程。然后結合圖解（圖1）再進行針對性講解。由于經(jīng)歷了上述思考與探究過程，學生對光反應過程有了比較深入的理解，講解過程是將探究的每個點利用圖解形成完整的知識結構。至此，學生基本理解了光反應的原理，并通過實驗分析，提升了科學探究能力。

圖1 光反應示意圖

2.2 暗反應 卡爾文的實驗方法與技術——實驗分析提升學科素養(yǎng) 通過光反應階段，光能順利轉(zhuǎn)化成為ATP和NADPH中的活躍化學能，這些能量又如何轉(zhuǎn)移到有機物（光合產(chǎn)物）中？

從1964年開始，卡爾文等科學家用放射性同位素標記技術對光合作用中的糖類合成過程進行了研究。給小球藻提供14CO2，然后提取小球藻的代謝產(chǎn)物，利用紙層析技術將各種中間產(chǎn)物分離，并對放射性的化合物進行鑒定。

提出問題①：從CO2到糖類，經(jīng)歷了多步驟化學反應，中間產(chǎn)物極其復雜，要想分析葉綠體中依次形成的各種化合物，應該如何取樣？（提示：可結合“分泌蛋白的合成和運輸過程”的研究方法進行思考，可讓學生比較，在2項研究中，取樣間隔時間長短有何區(qū)別？）

通過思考，學生一般都能說出“間隔取樣”，并能理解研究反應過程時，間隔取樣時間應該更短。

提出問題②：間隔取樣后，需要讓葉綠體中的化學反應立即停止，才能找到即時的放射性中間物。怎樣才能立即停止小球藻內(nèi)部的暗反應？用什么方法能迅速殺死小球藻？

待學生思考回答后，教師指出，當年卡爾文是利用熱酒精迅速殺死小球藻的。熱酒精能迅速滲入小球藻內(nèi)部，導致各種酶變性失活，所有化學反應立即停止。

提出問題③：取樣后殺死小球藻，提取處理后進行紙層析，層析結果出現(xiàn)了一系列條帶，怎樣才能知道這些條帶是何種化合物？

學生分析回答后，教師總結：層析時可通過標準樣品確定各條帶化合物的種類。

提出問題④：卡爾文在實驗中發(fā)現(xiàn)，當將反應時間縮短為幾分之一秒時，小球藻中只生成一種有放射性的物質(zhì)——一種三碳化合物，而隨著反應時間延長，生成的放射性物質(zhì)種類不斷增加。如果在光下突然中斷CO2的供應，三碳化合物的量急劇減少，而一種五碳化合物的量增加。如果反應過程中突然停止光照，則三碳化合物的濃度急速升高，而五碳化合物的濃度急速降低?？栁恼J為暗反應是一個循環(huán)反應。請根據(jù)上述反應現(xiàn)象分析，CO2在哪個環(huán)節(jié)加入循環(huán)反應過程？能否推測NADPH和ATP在哪個環(huán)節(jié)被消耗？

此過程旨在讓學生通過自主分析，構建暗反應過程的卡爾文循環(huán)，體驗科學家分析和解決問題的思路和方法，理解暗反應的基本過程。若學生基礎不夠好，可繪制簡圖，讓學生判斷CO2和NADPH、ATP分別在哪個環(huán)節(jié)加入（圖2）？

圖2 暗反應示意圖

3 教學過程中學生思維線路圖

沒有思考，就沒有真正的學習，評價一節(jié)課的主要標準就是有沒有學生的思考？思考深入的程度如何？該教學過程以“基于科學史資料的探究性學習活動”為主線，引導學生通過自主思考解決問題［2］，通過問題的解決，抽絲剝繭、層層深入地逐步探究光合作用的過程，構建光合作用的基本過程。學生的思維線路圖如圖3。

圖3 “光合作用”教學設計思維線路圖

4 結語

本文闡述了光合作用科學史實驗素材在教學中的應用，并分析了其在培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)方面的功能，摒棄了以記憶為主線、以整理和歸納光反應和暗反應物質(zhì)變化及能量變化為主要方式的教學方法。秉持“沒有思考就沒有真正的學習”的基本理念，以科學史實驗的發(fā)展歷程為主線，每個環(huán)節(jié)均設計相關探究性思考題，環(huán)環(huán)相扣，讓學生經(jīng)歷了一個深度思考的探究性學習過程。每一個探究環(huán)節(jié)都潛移默化地發(fā)展了學生的科學探究能力，學生始終處于一種積極的思考狀態(tài)，整個過程都處于一種探究氛圍中［3］，學生喜愛這種積極思考的環(huán)境，此教學過程不僅提升了學生的科學思維、科學探究的核心素養(yǎng)，而且在發(fā)展學生興趣等非智力因素中也起到了良好的作用。