盛國(guó)躍 程永

【摘 要】科學(xué)思維是我國(guó)中學(xué)生物學(xué)科課程目標(biāo)的重要組成部分，也是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵?？栁难h(huán)及其發(fā)現(xiàn)歷程富含科學(xué)思維，是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的良好載體。文章通過卡爾文循環(huán)的發(fā)現(xiàn)歷程培養(yǎng)學(xué)生的推理思維和演繹思維，通過卡爾文循環(huán)的概念模型培養(yǎng)學(xué)生的建模思維和創(chuàng)造性思維。

【關(guān)鍵詞】卡爾文循環(huán);科學(xué)思維;演繹;推理;模型

【作者簡(jiǎn)介】盛國(guó)躍，高級(jí)教師;程永，一級(jí)教師。

【基金項(xiàng)目】中國(guó)教育學(xué)會(huì)2019年度教育科研規(guī)劃課題“聚焦生物學(xué)重要概念的單元整體教學(xué)研究與實(shí)踐”（201933000905B）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確提出，學(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)過程中逐步發(fā)展科學(xué)思維，如能夠基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會(huì)議題[1]?？茖W(xué)思維的培育，強(qiáng)調(diào)通過科學(xué)理論由來、探究與應(yīng)用等方面的教學(xué)，加深學(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)理解的深度和廣度，從而改善學(xué)生的科學(xué)思維及科學(xué)素養(yǎng)[2]。

生物學(xué)科是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科，是對(duì)未知世界的探索和驗(yàn)證，其中包含大量科學(xué)發(fā)現(xiàn)史的內(nèi)容。每一個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程不僅反映了科學(xué)家敏銳的科學(xué)嗅覺，而且體現(xiàn)其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維和敢于創(chuàng)新的勇氣。卡爾文循環(huán)是浙教版高中生物學(xué)必修1中“光合作用”一章的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，是科學(xué)探索史上的一顆璀璨明珠。其涉及的代謝反應(yīng)錯(cuò)綜復(fù)雜，特別是科學(xué)家在探索這些代謝反應(yīng)的過程中涉及的多個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的良好載體。

一、卡爾文循環(huán)教學(xué)內(nèi)容隱含的科學(xué)思維

從卡爾文循環(huán)的發(fā)現(xiàn)史中不難發(fā)現(xiàn)，其實(shí)驗(yàn)過程隱含多種科學(xué)思維。如英國(guó)科學(xué)家布萊克曼研究光強(qiáng)度和溫度對(duì)光合作用的影響實(shí)驗(yàn)，德國(guó)科學(xué)家瓦爾堡用藻類進(jìn)行的閃光實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了科學(xué)推理思維;卡爾文發(fā)現(xiàn)碳反應(yīng)最初產(chǎn)物、二氧化碳最初受體的研究實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了“假說—演繹”的科學(xué)演繹思維;基于實(shí)驗(yàn)過程中得出的零散實(shí)證結(jié)果，構(gòu)建卡爾文循環(huán)模型，體現(xiàn)了利用相關(guān)證據(jù)構(gòu)建模型的科學(xué)建模思維;運(yùn)用卡爾文循環(huán)模型解釋現(xiàn)代生物科技取得的成果及展望提高光合作用產(chǎn)量的研究方向，體現(xiàn)了科學(xué)創(chuàng)新思維。

二、培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的教學(xué)策略

基于卡爾文循環(huán)發(fā)現(xiàn)史中大量多層次、循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)，針對(duì)高中階段的教學(xué)目標(biāo)，教師可在教學(xué)中圍繞碳反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)和探究CO2如何轉(zhuǎn)化為糖這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)展開討論，厘清物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系，讓學(xué)生逐步構(gòu)建卡爾文循環(huán)模型，并指導(dǎo)學(xué)生利用卡爾文循環(huán)模型的原理，解釋為什么改變環(huán)境條件可以提高光合作用產(chǎn)量。在實(shí)現(xiàn)知識(shí)目標(biāo)的同時(shí)促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維核心素養(yǎng)的發(fā)展。

（一）分析碳反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)推理思維

推理是根據(jù)已知條件推導(dǎo)出未知結(jié)論的思維形態(tài)[3]。在生物學(xué)的學(xué)習(xí)中側(cè)重基于證據(jù)的推理，其基本過程是從已有經(jīng)驗(yàn)和問題情境中識(shí)別、轉(zhuǎn)換，并形成證據(jù)，然后利用證據(jù)進(jìn)行推理，得出結(jié)論，從而解決問題。碳反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)歷程是基于證據(jù)推理的典范，是培養(yǎng)學(xué)生推理思維的較好素材。在教學(xué)過程中，教師以碳反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)歷程為情境，引導(dǎo)學(xué)生識(shí)別、篩選證據(jù)，轉(zhuǎn)換、形成證據(jù)，應(yīng)用、評(píng)價(jià)證據(jù)，從而有效地發(fā)展學(xué)生的推理思維。

推理的起點(diǎn)在于問題，問題的產(chǎn)生需要有真實(shí)的情境。教師在教學(xué)中可以先展示關(guān)于英國(guó)科學(xué)家布萊克曼在研究光強(qiáng)度、溫度對(duì)光合作用影響時(shí)的發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資料，即在弱光下增加光強(qiáng)度能提高光合速率，但當(dāng)光強(qiáng)度增加到一定值時(shí)，再增加光強(qiáng)度則不再提高光合速率。通過這一情境可以激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突。接下來，教師可以向?qū)W生提出問題：光合速率只在一定范圍內(nèi)與光強(qiáng)度呈正相關(guān)的原因是什么？在這一問題的驅(qū)動(dòng)下，教師可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行如下推理：①由光反應(yīng)的過程可知，當(dāng)光強(qiáng)度低時(shí)，光強(qiáng)度限制了光合速率;②光反應(yīng)的知識(shí)不能合理解釋光強(qiáng)度高時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果;③推測(cè)光合作用可能存在一個(gè)與光照無關(guān)的過程。

科學(xué)推理是漸進(jìn)式的，推理得出的結(jié)論需要有新的證據(jù)去證實(shí)或證偽。為此，教師可以繼續(xù)展示德國(guó)科學(xué)家瓦爾堡用藻類進(jìn)行閃光實(shí)驗(yàn)的資料。資料顯示，在光能量相同的前提下，一組實(shí)驗(yàn)用連續(xù)光照射，另一組實(shí)驗(yàn)用中間間隔一定暗期的閃光照射，發(fā)現(xiàn)閃光照射下的光合效率是連續(xù)光照射下的200%～400%。在此基礎(chǔ)上，教師可以繼續(xù)向?qū)W生提出問題：為什么在光能量相同的情況下，閃光照射實(shí)驗(yàn)組的光合效率更高？教師可以引導(dǎo)學(xué)生模仿前一問題的推理過程，推導(dǎo)出“光合作用包括依賴光的光反應(yīng)和與光無關(guān)的暗反應(yīng)兩個(gè)過程”這一初步結(jié)論。

隨著研究的深入，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，暗反應(yīng)在黑暗中反應(yīng)的時(shí)間極短，而在有光的情況下才能連續(xù)不斷地進(jìn)行。據(jù)此，教師可以引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)出“光合作用除光反應(yīng)外，還存在一個(gè)不依賴光但依賴光反應(yīng)產(chǎn)物的過程”的結(jié)論。

（二）研究卡爾文循環(huán)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)演繹思維

假說是科學(xué)理論形成的必要環(huán)節(jié)，其必須經(jīng)過檢驗(yàn)才能發(fā)展為科學(xué)理論，而假說的檢驗(yàn)離不開演繹。“假說—演繹”的一般步驟為：觀察現(xiàn)象→提出問題→做出假設(shè)→演繹（以假說為前提推理出一種必然性結(jié)論，便于反證假說的正確性）→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)推理的正確性，提升假說的正確性）→得出結(jié)論。探索卡爾文循環(huán)中物質(zhì)變化的系列實(shí)驗(yàn)的演進(jìn)過程與“假說—演繹”的思想高度吻合，其中CO2最初受體的發(fā)現(xiàn)過程尤為明顯。

在培養(yǎng)學(xué)生演繹思維的過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生提出假說是最關(guān)鍵的一步，而假說的提出是基于問題解決的，故在CO2最初受體的教學(xué)中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生提出問題：通過對(duì)卡爾文等科學(xué)家研究碳反應(yīng)中物質(zhì)變化的實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果的分析，明確了碳反應(yīng)中CO2的固定產(chǎn)物，那么其最初受體是什么？學(xué)生的認(rèn)知水平在不斷地試錯(cuò)、不斷地修正中發(fā)展，其針對(duì)問題的“假說—演繹”能力發(fā)展是一個(gè)迂回上升的過程。因此，在教學(xué)中，教師需引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷多次“假說—演繹—驗(yàn)證”的過程。第一輪“假說—演繹—驗(yàn)證”的具體過程為：①第一次假說，CO2分子在酶的作用下相互固定，3個(gè)CO2分子聚合生成一個(gè)3-磷酸甘油酸（以下簡(jiǎn)稱“三碳酸”）;②演繹推理，若該假說成立，則用14C標(biāo)記CO2，生成的三碳酸中3個(gè)碳原子都有放射性;③實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最初生成的三碳酸中只有羧基碳帶有放射性（以資料的形式展示給學(xué)生），可知該假說不成立。

在提出的初步假說被否定后，教師需及時(shí)補(bǔ)充資料，為學(xué)生提出新的假說做好鋪墊。此時(shí)可向?qū)W生展示資料：卡爾文在研究過程中發(fā)現(xiàn)，光照下三碳酸和核酮糖-1，5-雙磷酸（下文簡(jiǎn)稱RuBP）很快達(dá)到飽和并保持穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上教師可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行第二輪“假說—演繹—驗(yàn)證”，具體過程為：①第二次假說，在光合作用中，CO2受體源源不斷地消耗和產(chǎn)生，受體含量應(yīng)保持穩(wěn)定，而RuBP含量經(jīng)常處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此CO2最初受體為RuBP;②演繹推理，若該假說成立，當(dāng)突然停止供應(yīng)CO2時(shí)，短時(shí)間內(nèi)RuBP將因消耗變小而得到積累，而最初產(chǎn)物三碳酸（PGA）含量將下降;③實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，展示改變CO2供給濃度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（如圖1）;④得出結(jié)論，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與演繹推理的結(jié)果一致，說明該假說正確，即CO2最初受體為RuBP。由于這一結(jié)論是學(xué)生在經(jīng)歷多次的自我否定和肯定中逐步構(gòu)建的，因此他們對(duì)結(jié)論會(huì)有更深刻的理解。

卡爾文循環(huán)中的物質(zhì)變化是教學(xué)的重點(diǎn)也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，教學(xué)中以“假說—演繹—驗(yàn)證”為主線，利用卡爾文設(shè)計(jì)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果為演繹推理的依據(jù)，讓學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問題和解決問題中突破思維的瓶頸，順利地發(fā)展了學(xué)生的演繹推理思維。

（三）構(gòu)建卡爾文循環(huán)模型，培養(yǎng)建模思維

生物建模是一種通過建立和研究模型來揭示原型的形態(tài)、特征和本質(zhì)的方法，它能有效地發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)[4]。生物建模是思維的產(chǎn)物，包括構(gòu)建、完善、修正、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷然倦A段，它以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以抽象和分析為基本手段。卡爾文循環(huán)正是科學(xué)家在觀察和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過抽象和分析的方法得到的產(chǎn)物，學(xué)生想要真正理解其內(nèi)容就必須經(jīng)歷建模的過程。

通過如上文所述的推理、演繹過程，學(xué)生已經(jīng)逐漸掌握光合作用以CO2為原料，CO2的最初受體是RuBP，碳反應(yīng)的最初產(chǎn)物是三碳酸、終產(chǎn)物是糖類等知識(shí)。但這些都是零散的事實(shí)性知識(shí)，教師需引導(dǎo)學(xué)生利用事實(shí)構(gòu)建概念，即構(gòu)建出卡爾文循環(huán)的概念模型。建模的過程是學(xué)生將離散的知識(shí)結(jié)構(gòu)化的過程，需要以原有的知識(shí)為基礎(chǔ)。因此，建模的第一步是引導(dǎo)學(xué)生對(duì)所學(xué)的事實(shí)性知識(shí)進(jìn)行梳理，厘清碳反應(yīng)中的物質(zhì)變化過程：CO2+RuBP→三碳酸→三碳糖→RuBP。這種梳理是線條式的，而碳反應(yīng)中的物質(zhì)變化是循環(huán)的，因此，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建起循環(huán)模型的框架是一個(gè)難點(diǎn)。要突破這一難點(diǎn)就需要教師幫助學(xué)生找到與原有知識(shí)的統(tǒng)整點(diǎn)。“ATP-ADP循環(huán)”（如圖2）與碳反應(yīng)中的物質(zhì)循環(huán)在模式上有一定的相似性。故教學(xué)中教師可引導(dǎo)學(xué)生將梳理出來的物質(zhì)變化與“ATP-ADP循環(huán)”進(jìn)行類比，構(gòu)建出卡爾文循環(huán)的初步模型（如圖3）。碳反應(yīng)中的物質(zhì)變化是能量轉(zhuǎn)化的載體，要完善卡爾文循環(huán)模型，就需要探討碳反應(yīng)中的能量變化。碳反應(yīng)中有三次能量轉(zhuǎn)移，第一次和第二次是ATP和NADPH中的活躍化學(xué)能通過還原三碳酸轉(zhuǎn)移到三碳糖中，第三次是ATP中的活躍化學(xué)能通過RuBP再生過程轉(zhuǎn)移到RuBP中。在探討這三次能量轉(zhuǎn)化的過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生逐步構(gòu)建完善的卡爾文循環(huán)模型（如圖4）。任何一個(gè)模型都需要經(jīng)歷驗(yàn)證的過程，對(duì)于學(xué)生而言，驗(yàn)證自己所構(gòu)建模型的過程也是自我反思的過程。因此，教師還需引導(dǎo)學(xué)生將自己所構(gòu)建的模型與科學(xué)家構(gòu)建的卡爾文循環(huán)模型進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模型的科學(xué)性。

卡爾文循環(huán)是經(jīng)典的概念模型，學(xué)生在對(duì)其進(jìn)行建模的過程中收獲的不僅僅是概念知識(shí)，還有建模的方法。學(xué)生一旦將建模的方法內(nèi)化為自己的認(rèn)知圖式，就能獲得思維和認(rèn)知水平的躍進(jìn)。

（四）運(yùn)用卡爾文循環(huán)模型，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維

創(chuàng)造性思維是指產(chǎn)生新思想的思維活動(dòng)，它突破常規(guī)和傳統(tǒng)，不拘泥于既有的結(jié)論，以新穎、獨(dú)特的方式解決新問題。創(chuàng)造性思維以知識(shí)和實(shí)踐為基礎(chǔ)，以創(chuàng)造性地應(yīng)用知識(shí)解決問題為導(dǎo)向。

創(chuàng)造性思維是社會(huì)建構(gòu)的產(chǎn)物，它不僅存在于個(gè)體的內(nèi)部，也存在于社會(huì)生活中。因此，教師在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維的過程中，需創(chuàng)設(shè)一個(gè)真實(shí)的社會(huì)化情境。糧食危機(jī)就是一個(gè)與卡爾文循環(huán)的應(yīng)用契合度較高的情景。故教師可展示相關(guān)資料，并引導(dǎo)學(xué)生提出問題：從卡爾文循環(huán)角度提高農(nóng)作物產(chǎn)量的途徑有哪些？創(chuàng)造性思維不能脫離實(shí)際，否則就是空想，因此教學(xué)中教師應(yīng)給學(xué)生一個(gè)思維的腳手架，幫助學(xué)生思考。如充分利用卡爾文循環(huán)模型梳理碳反應(yīng)中物質(zhì)和能量的變化，從而明確解決問題的基本思路和方向;通過提高CO2固定的效率，提高三碳酸還原的速率;等等。

思維的深度和廣度是創(chuàng)造性思維的重要指標(biāo)。因此，在學(xué)生有了思考的方向后，教師還需引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合模型深化問題解決的措施。在此過程中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考卡爾文循環(huán)模型中各個(gè)階段的影響因素，如Rubisco酶影響了CO2固定的效率，因而可以通過提高該酶的活性和數(shù)量來提高農(nóng)作物的產(chǎn)量等。

創(chuàng)造性思維是基于當(dāng)前理論的原理和本質(zhì)清楚地勾畫和解決問題的思維活動(dòng)。比如，教師可以以如何提高農(nóng)作物產(chǎn)量這一問題為載體，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性解決問題的能力，讓學(xué)生在運(yùn)用知識(shí)解決生產(chǎn)實(shí)踐問題的過程中獲得學(xué)習(xí)成就感，使學(xué)生在深化理解卡爾文循環(huán)模型原理的同時(shí)，發(fā)展創(chuàng)造性思維。

三、結(jié)語

教育的本質(zhì)在于學(xué)生思維能力的培養(yǎng)，其根本的課程目標(biāo)以學(xué)生思維訓(xùn)練的需要為核心[5]。高中生物學(xué)科的教學(xué)價(jià)值不僅僅在于讓學(xué)生掌握生物事實(shí)，更在于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)對(duì)未來的能力，即科學(xué)思維能力。教師在教學(xué)中應(yīng)充分挖掘教學(xué)內(nèi)容所蘊(yùn)含的科學(xué)思維，將科學(xué)思維的培養(yǎng)融入課堂教學(xué)中，通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境點(diǎn)燃學(xué)生的思維，通過觀察、實(shí)驗(yàn)等方法為學(xué)生提供思維的支架，通過聯(lián)系生活實(shí)際為學(xué)生的思維提供原動(dòng)力。

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（責(zé)任編輯：羅小熒）