“光合作用”的探究历程( 高中生物探究式教学设计及其案例分析)

现象观察:人们观察到一棵小植株，种在土壤中，经过一段时间后，这棵小植株就生大了。

提出问题:观察到了这个现象，有人感到疑惑，是什么使植株长大了?

前人的观点:公元前3世纪，古希腊学者亚里士多德通过思维探究指出:“植物生长在土壤中，所以土壤应是构成植物体的原材料。”当时亚里士多德并没有做实验验证就得出了结论，由于他当时是一名有名的哲学家，因此这一观点在很长一段时间被奉为经典。

后人的假设:17世纪，比利时医生海尔蒙特提出，假如是这样，种下一株植物，长大后，它增加的重量应该等于土壤减少的重量。

实验验证:

(1)、海尔蒙特做了一个简单的实验:将一株2、3千克重的小柳8千克的干土中用水浇灌，小柳树长成重76.7千克的植物而土壤重量只比试验开始时减少57克，因此推翻了亚里士多德的观点。从而得出结论:植物是从水中取得生长所需的物质的。

(2)、1727年黑尔斯提出:植物的部分营养元素来自于大气，光也以某种方式参与了营养元素的获得过程，当时还不知道空气含有不同的气体成分。

(3)、1771年普里斯特利通过实验得出:植物能净化空气。让学生思考其实验探究过程:在钟罩里放一根蜡烛和一只小鼠，过一段时间，小鼠死亡;如在钟罩里放一根蜡烛和一只小鼠及一棵植物，过一段时间，小鼠还活着，说明植物能净化空气。但他做的实验有时成功有时失败。

(4)、1779年荷兰医生英格豪斯做了500多次实验，发现普里斯特的实验只有在阳光照射下才能成功，但不知道吸收和释放什么气体，直到1785年科学家发现了空气的组成才知道绿叶在光下放出氧气，吸收二氧化碳。由此，科学家提了疑问，光做为条件，去哪里了?

(5)、1845年德国科学家梅耶根据能量转换和守恒定律明确指出光能转换成化学能储存起来了。

(6)、1864年德国植物学家萨克斯做了实验，说明光能转换成化学能后储存在生成的淀粉中了:他把绿叶先在暗处放置几小时，目的是消耗掉叶片中的营养物质。然后，他让叶片一半曝光，另一半遮光，过一段时间后，他用碘蒸汽处理这片叶，发现曝光的一半呈深蓝色，遮光的一半则没有颜色变化。这一实验成功地证明光合作用的产物除氧气外还有淀粉等有机物。

(7)、1880年美国科学家恩格尔曼，把载有水绵和好氧细菌的临时装片放在没有空气的黑暗环境中，然后用极细的光束照射水绵。他发现细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中;如果临时装片暴露在光下，细菌则分布在叶绿体所有受光的部位。这实验证明了叶绿体是光合作用的场所。

(8)随着科技的发展，1939年美国科学家鲁宾和卡门通过放射性同位素标记法追踪水中的氧及二氧化碳中的氧，发现光合作用放出的氧气是来自于水。同样用这种方法，20世纪40年代美国科学家卡尔文用同位素14C做实验研究，探明二氧化碳中的C在光合作用中转化成有机物中的碳。

得出结论:植物生长是在叶中的叶绿体进行光合作用，以水和二氧化碳为原料，生成有机物和放出氧气。有机物给植物营养，促进生长。

像光合作用这样非常复杂的科学探究过程，要学生全面地重复前人的探究实验是不可能的，在这种情况下最好的方式就是利用前人的实验研究成果在学生中开展思维探究。这种探究方式在现行的高中教学中较为现实和有效，教师容易接受和掌握。

虽然是思维探究，没有动手的过程，但其探究教学的基本过程依然与实验探究是一致的。通过以上案例我们看到探究教学的基本过程和结构：

《光合作用》探究教学结构和过程

过程一 教师（或学生）发现和提出问题

教师创设一个问题情境，引导学生对树木的成长进行思考，进而引发问题，树木成长的原料来源与何处？

问题情境的创设是探究教学顺利开展的良好开端，但如何设置问题情境是教师们通常比较困惑的地方。在此，我们作一个简要地归纳。

1、联系生活生产活动设置问题情境

生活实践情境就是利用学生日常生活密切相关，生产实践常见的现象来创设教学情境。例如：①观察到的生活现象。农村同学观察到的酿糯米酒现象，饭菜变馊变质现象，潮湿种子堆放久了变热现象等。②从事生产实践时观察体验到的现象。农作物栽培、养殖业等。③学生自身体验的现象。青春期心理生理变化、疾病治疗和预防等生活实践情境由于与学生密切相关，学生比较熟悉，可以增加学生的亲切度，缩短师生的距离。但同时学生对这些知识常常“知其然而不知其所以然”，教师创设情境之后，学生必然有一个一探究竟的心理，从而成功地激发学生探究的兴趣和主动性。

2、利用生物科学史设置问题情境

如“植物的生长”一节，可先向学生介绍荷兰学者作的一个实验，即取干土60Kg，置于圆筒形木箱内，将2Kg重的柳树嫩枝插入土中，连续五年只给树苗浇灌雨水，五年后树苗重达60Kg，但木箱内干土仍有59.943Kg，仅比五年前少57克。通过这一现象自然而然地引起认知冲突，学生不禁要问：植物是“吃”什么长大的呢？

3、根据生物实验现象设置问题情境

对生物实验现象的观察是设置问题情境的重要方式，如讲到植物的激素调节，我们就可以在课前准备好一个培养皿，在培养皿内铺上一层厚一些的湿润的棉花，将四粒黄豆种子浸涨后，朝四个方向摆放在棉花上，然后盖上培养皿并将其竖起放置，直至四粒种子全部萌发。我们可以看到四粒种子不管其原先摆放的朝向如何，它们根一律都是朝向重力的方向生长的。上课时我们就可以将这样一个实验结果展示给学生，以引发学生对根的向地性的思考和探究。

4、根据教材内容设置问题情境

教材本身有丰富的内容可以作为问题情境设置的好素材，如高中生物《光合作用》一节，首先从初中所学光合作用反应式“6CO₂+6H₂O→ C₆H₁₂O₆+6O₂”为导引，揭示出矛盾：

师：“这个反应式能否反映出反应物与生成物之间的关系呢？即生成O₂和C₆H₁₂O₆中的C、H、O分别是从反应物中哪里来的？我们先来观察科学家的一个实验：（介绍希尔光反应的实验）

然后用课件向学生展示希尔实验的过程，学生通过观察发现矛盾，然后师生共同探讨，得出新的光合作用的反应式：

对于问题情境的设置，需要注意的是不需要人为地复杂化，要以能否有效激发学生的思维为判断标准。

过程二 准备/收集资料

在这一过程中教师课前要做充分的准备，将学生收集资料的过程变为教师的资料收集，从而节省了学生的大量时间，提高了学习效率。当然对于学生资料收集能力的训练在该探究过程中没有体现，怎样看待这个不足？我们的观点是，教学要有系统安排，不要期望在一堂课中什么都要做到。

关于资料的收集通常有以下几个途径：1、图书馆2、新华书店3、网络4、报刊。通过这些途径我们可以查找

1、生物学（教育）专业刊物 如：生物学通报、生物学教学、中学生物学教学、生物学杂志等国内刊物及Journal of Biological Education, The American Biology Teacher, The Science Teacher 等国外刊物

2、专业类书籍

3、生物教学网站如：

中国植物保护网http://www.ipmchina.cn.net/,

昆虫世界http://member.net.ease.com/sudong,

海洋生物学http://netra.nmdis.gov.cn/hyzy/biologic/index.html,

生物学http://www.wst.net.cn/daohan/inter/science/biology.htm

中国教育和科研计算机网：http://www.edu.cn

中国基础教育信息网：http://www.chinaedu.edu.cn等。

4、各类报刊如参考消息等有最新的科技资讯。

在实际教学过程中教师应注意以下问题：

1、围绕生物科学问题开展探究

生物学问题是针对客观世界中的生物现象提出的。生物探究教学的问题必须与课程标准的要求一致，并能引发学生进行探究，能够进行数据收集和利用数据对生物现象进行解释。同时问题又必须难易适度，能够激发学生的求知欲望。问题可以来自学生、老师、教材网络等渠道。在指导学生探究时老师起着关键性的作用，特别是当问题来自学生时更为重要。因为只有适合于学生又有意义的问题才能产生有所收获的探究活动，而且问题必须可以用学生的观察和他们从可靠渠道获取的相关科学知识来解释。

例如：对于低年级的学生符合上述标准的问题可以是，大黄粉虫幼虫是如何对光作出反应的？对于高年级学生可以问：基因如何影响人眼睛的颜色？但如果问低年级学生：人的行为方式为什么不同？则是不合适的。因为这个问题对于低年级学生来说太大，太不着边际，更难以收集证据。总之，问题必须具有可探究性，符合学生认知水平和课程标准的要求。

2、让学生广泛的收集证据

科学家通过实验获取证据，而课堂探究活动学生可以通过观察、实验获取证据，也可以从教师、教材、网络或其他地方或取证据对探究的证据进行补充。

3、学生要根据事实证据形成解释

科学的解释是借助推理对现象产生原因的分析，其解释必须与证据保持一致，遵循证据规则。科学的解释还要能够经受的住同学和老师的批评和质疑。

解释是将所观察到的证据与已有知识联系的过程。解释要超越现有知识、提出新的见解。对于科学界这意味人类知识的增长；对于学生则是个人知识的增长。

学生还要对自己的解释进行评价，评价解释并且对解释进行修正甚至是抛弃，是科学探究有别于其他探究形式及其解释的一个特征。评价时要提出以下问题：有关的证据是否支持提出的解释？这些解释是否足以回答提出的问题？从证据到解释的推理过程是否存在偏见和缺陷?有关的证据中是否还能推出其它合理的解释？

4、学生要交流和论证他们所提出的解释

科学家以结果可以重复验证的方式交流他们的解释。这就要求科学家清楚地阐述所研究的问题、方法、程序、证据，提出的解释以及对不同解释的核查，以便质疑者进一步核实或者其他科学家将这一解释用于新问题的研究。而课堂上，学生公布他们的探究过程和结果，使其他学生有机会就这些解释提出疑问、审查证据、找出逻辑错误、指出解释中悖于事实证据的地方，或者就相同的观察提出不同的解释。学生间相互讨论各自对问题的解释，能够引发新的问题，有助于学生将实验证据、已有的科学知识和他们所提出的解释三者之间更加紧密地联系齐来居中学生能解决彼此观点中的矛盾，巩固以实验为基础的论证。

探究教学实际上就是要解决好问题的提出和问题的解决两大基本环节。

1、要提出有思考性的问题

（1）生活问题要尽可能贴近学生，具有情境性；

（2）生活问题要尽可能产生思维碰撞，具有冲突性；

（3）对生活问题的研讨过程要尽可能简短明了，具有明确性；

（4） 教师要尽可能设计一些有利于科学问题提出的追问，具有递进性

2、要创设良好的探究环境

要使探究活动真实有效，首先在探究过程中一定要创设良好的探究气氛，主要是创设民主、轻松、和谐的氛围，使学生想说、敢说自己的真实想法。这一点很重要，关系到探究成败。一个学生不敢不愿说出自己真实想法的氛围，是不可能有真实的探究的。老师和学生都要牢牢记住:学生没有愚蠢的问题。一个良好的探究氛围才能够充分发挥学生的创造性，才会有令人激动的探究成果。因此，良好的探究氛围是有效开展探究活动的重要前提。

3、要有较强的应变能力

对于这样的情况，有些老师的做法是回避和斥责。如“这不是我们讨论的问题”，“这是不可能的”等等消极的回答。有这样一个案例：一位教师在讲糖代谢时，先让学生自学并进行讲解，后让学生讨论。一位学生对糖代谢的途径之一－－葡萄糖转变为氨基酸不解，提问说：糖是没有氨基的怎么会转化为氨基酸呢？上课的老师因为这一内容将在后面的蛋白质代谢中讲解不是本堂课的安排，而没有给学生一个正面的答复，只是简单的答复这个内容后面将会讲到。实际上学生能提出这样的问题是他积极思考的结果，是有科学素养的表现。教师这样轻描淡写的答复极大的挫伤了学生的思考热情。正确地做法是，教师要敏锐地抓住这一转瞬即逝的机会对学生进行激励，从而在全班形成一个积极思考的良好局面，并为后面的教学做一个很好的铺垫。教师可以这样回答：这个问题提得很好! 很有思考能力！也请同学们一起来帮他思考这个问题。这节课解决不了没关系我们可以课后去查找相关的资料，下节课我请同学们来回答。这样的回答及时利用了意外的问题，激发了学生的学习热情。同时也为下节课的教学内容做好了一个很好的铺垫。教学中的意外问题很多，如何抓住机会是教师教学能力的一大考验。

4、要处理好科学家探究与探究教学的关系

探究教学是模拟科学家的探究思路和方法进行教学的过程，其目的是传授知识和方法，本质还是教学而不是科学探究。因此，探究教学不可能完全重复前人的科学探究过程，而是要有选择的开展探究实验。同时，在课堂有限的时间内，为了完成基本的教学任务，也要求课堂探究活动要以思维探究为主，实验探究为辅，或者留思考性作业供学生课外探究。

探究教学的开展虽然受到诸多因素的影响，但所确立的科学探究程序和学生认知方式无疑是开展探究教学的两个至关重要的依据。忽视前者教学就不能体现科学探究的特征，失去探究教学的基本规范，忽视后者探究教学就会缺乏心理基础，难以落到实处。因此说探究教学应以学生认知发展水平为基础对科学探究的程序进行模拟。