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例谈利用生物科学史培养学生生物科学素养
光合作用的探究历程教学过程及思考
摘要：提高科学素养是新课程改革的核心任务，生物科学史是提高科学素养的良好素材。本文通过光合作用的探究历程的教学及分析，说明可以通过不同形式的探究式教学，挖掘科学史中科学素养的素材，有针对性地培养学生生物科学素养。
关键词：光合作用探究历程 培养 生物科学素养
高中生物新的课程标准的目标是：面向全体学生，培养学生的科学素养，培养学生的探究能力。《普通高中生物课程标准》指出：生物科学素养是指公民参加社会生活、经济活动、生产实践和个人决策所需的生物科学知识、探究能力以及相关的情感态度与价值观。主要是包括了三方面的内容：生物科学知识、生物科学方法和科学思想。同时《标准》指出：学习生物科学史能使学生沿着科学家探索生物世界的道路，理解科学的本质和科学研究的方法，学习科学家献身的精神。这对提高学生的科学素养是很有意义的。
如何在生物教学中发挥学生的主体性，引导学生通过生物科学史的学习，使生物科学素养的培养与生物科学史教育水乳交融地结合起来呢？下面，以《光合作用的探究历程》的教学为例，探讨科学史教学中的科学素养培养。
一、教学设计意图
光合作用的探究历程，如果只是照本宣科，或者简单的讲解，使得同学们对科学史的认识停留在对人物、时间、事件的记忆这样一个水平上，或者让学生单纯地了解科学结论和技术成果，这些做法不但不能从实质上提高学生的科学素养，而且还会增加课业负担，引起学生的反感情绪。
本节课以科学发现的先后顺序作为构建框架的主线，遵循科学家的探索思路，采用资料阅读、资料分析、学生讨论、设计实验等多元化教学方式，充分调动学生的积极性，将探究光合作用的各实验进行巧妙地连接过渡，自然引出化学反应的原料、产物，以及与物理学、化学发展的关系，同时贯穿实验设计的一般原则：单一变量原则、对照原则等，力求让学生体验科学探索的过程，理解科学的本质和科学研究的方法。
二、教学内容及过程
[设疑] 植物为什么长大？所需营养物质来自哪里？
[投影] 历史材料：公元前3世纪，古希腊学者亚里斯多德曾经提出：土壤是构成植物体的原材料。这一观点长期被捧为经典。
[设疑] 此观点是否正确？怎样证实？
[投影] 资料1．1642年 比利时 海尔蒙特实验：柳树的实验
[设疑] 此实验的自变量是什么？因变量是什么？
在当时的情况下，此实验能得出什么结论呢？
[学生活动] 思考讨论发言……
结论：水分是植物建造自身的原料。
[设疑] 通过实验，海尔蒙特推翻了亚里士多德的错误观点，那他的实验结论完全正确吗？
从植物生活环境的角度分析，还应考虑什么因素？
[学生] 讨论发言 ……
[引导提出问题] 空气对植物的生长有影响吗？
[投影] 资料2：英国 普利斯特利实验(Flash动画演示实验过程)
[学生活动] 思考讨论
1.几组实验的现象是什么？
2.有无植物的两组实验装置起什么作用？
3.该实验装置中玻璃罩有什么作用？（引导分析，并指出实验设计中的基本原则：对照、单一变量等）
3、蜡烛燃烧和小白鼠呼吸需要的是什么气体？
4、这个实验说明什么问题？
[学生活动] 思考讨论回答问题……
学生回答是氧气，但要引导学生知道当时的知识条件，还没有研究出空气的成分，所以，当时的结论是：植物可以更新空气。
[讲述] 有人重复了普利斯特利的实验，得到相反的结果，所以有人认为植物也能使空气变污浊。
[设疑] 为什么相同的实验结论相反呢？
植物在什么情况下可以更新空气呢？
[投影] 资料3：1779年，荷兰的扬·英格豪斯经过500多次的实验，把带叶的枝条放到水里才能更新空气。
[讲述] 这段资料表明：普利斯特利的实验只有在阳光照射下才能成功；植物体只有绿叶才能更新空气。
那么植物吸收了什么气体，释放出什么气体？
直到1785年，由于发现了空气的组成，人们才明确这一结果。可见生物科学的发展需要建立在其他学科的基础上。
在这个过程中,绿叶吸收的光能哪里去了?
[投影] 资料4：1845年，德国科学家梅耶根据能量转换和守恒定律指出光能转化成化学能。
[设疑] 化学能贮存在什么物质中？
[投影] 出示资料5：萨克斯的实验（1864年）
[学生活动] 分组讨论
第一组：暗处理的目的是什么？叶片一半曝光，另一半遮光，目的是什么？
第二组：碘蒸气处理叶片，目的是什么？这个实验成功证明了什么？
第三组：自变量、因变量是什么？
第四组：为何用一片叶子做实验，而不是用两片叶子做实验？
各小组展示讨论结果……
小组发言并进行补充，教师做鼓励性评价，并进行总结。
结合课件引导归纳每个实验结论，并同步板书：
[过渡] 科学家们通过上述实验明确了光合作用的原料、产物及反应条件。但是，科学家对光合作用的研究并没有停止，又进一步提出了新的问题：产物中的O2来源是CO2还是H2O？
[问题] 你的假设是什么？
[学生发言]……
学生的假设有三种，O2来自于CO2，O2来自于H2O，既来自于H2O又来自于CO2。对学生的假设进行鼓励性评价，表扬他们思维的严密性，再展示鲁宾卡门的假设。
[引导] 如何验证你的假设是否正确？肯定是做实验，用什么方法呢？
[讲述] 放射性同位素可用于追踪物质的运行和变化规律。用放射性同位素标记的化合物，化学性质不会改变。科学家通过追踪放射性同位素标记的化合物，可以弄清化学反应的详细过程。这种方法叫做同位素标记法。
[学生活动] 设计实验
以小组为单位，选择一种假设，设计实验。
注意以下问题：实验材料、实验装置
遵循的实验原则
释放气体的收集和检测
预期结果
小组讨论设计思路，展示他们的小组实验设计方案。经过全体同学的质疑和探讨，完善实验方案。
点评学生的实验设计，肯定他们的优点，指出存在的不足。
[投影] 资料6：20世纪30年代，美国科学家鲁宾和卡门的实验
课件展示动画实验过程，
并引导得出结论：光合作用释放的氧气来自水。
[设疑] 光合作用产生的有机物又是怎样合成的呢？
[投影] 资料7：20世纪40年代美国卡尔文用14C标记14CO2，供小球藻进行光合作用，探明了CO2中的C的去向，称为卡尔文循环。
[归纳整理] 1、科学家进行科学实验的时间顺序。
2、光合作用所需原料、条件及生成产物的发现过程及与物理学、化学的关系。
3、科学实验体现的一般原则。
[学生交流] 光合作用的探究历程对你有什么启示？你有哪些感悟？
三、教学反思与感悟
在本节课的教学中，涉及到的光合作用的知识点学生在初中已经学习过，因此关于知识并不是教学的重点，重点在于探究历程和科学素养的培养。
在教学过程中，采取“提出问题—探究—解决问题”的教学方法，对涉及到的科学史材料进行了不同方式的处理，重点分析了四个经典实验。对海尔蒙特的实验，让学生分析实验中的自变量和因变量，海尔蒙特对自变量控制方法，以及实验结论的准确性，使学生在分析的过程中体会到科学实验必须注意的两个变量及自变量设计的严谨性；对普利斯特里的实验，采用让学生根据动画材料，以讨论的形式，分析有无植物的实验装置在实验中的作用，以及实验装置中玻璃罩的作用，培养学生观察、分析能力，使学生体会并总结出实验必须遵循的原则：对照原则和单一变量原则，了解科学研究的方法及实验的过程。随后用相反的实验结论引出英格豪斯的实验过程结果，使学生体会科学精神和严谨的科学态度；对萨克斯的实验，通过分组讨论、表达交流的方式，培养学生观察、分析表达能力，让学生进一步明确设计实验遵循的原则，感悟科学的方法和变量控制的严谨性，提高学生分析问题，解决问题的能力；对鲁宾和卡门的实验，则采用了让学生参与假设，然后再分组设计实验，科学家的实验作为学生设计的验证和分析结果，该过程对学生的假设能力进行了锻炼和培养，通过课堂实验设计，及时加深巩固本节课所学习、涉及到的实验原理和方法，并培养了学生设计实验的能力，以及实验结果的预期的能力，从而培养学生的科学素质和创新精神。
整个教学层层递进，环环相扣，让学生在科学史的的学习过程中加深对光合作用知识的理解和掌握，对科学探究有一个比较完整的认识，从中领悟科学探究的原则和一般方法，养成正确的科学态度，使学生在“学科学、做科学”的实践中逐步形成科学探究的能力。同时，在探究问题的过程中，使学生感受到知识产生与发展是受当时科学发展水平限制的，并通过一些具体的数据：500多次、300多年，让学生体会到科学上的每一项发明和发现的背后都凝聚着无数探索者的辛勤劳动，更好地理解生物学的发展史就是一部众多生物学家不计个人名利为科学事业奉献毕生精力的奋斗史，从而使学生认识到科学发现的艰难，培养学生为科学献身的精神。
科学史在新教材中占着相当的比例，对科学史教学要根据课标的要求，挖掘科学史中科学素养的素材，采用多种形式，有针对性地进行某项科学素养的培养，使学生在学习中自主地达成知识目标，在探究的过程中学得方法、发展能力，在探究中培育正确的情感、态度与价值观。
参考文献：
1.普通高中生物课程标准，人民教育出版社，2003年4月
2.郑春和 注重生物科学史的学习 生物学通报，2004年第39卷 第11期
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