1.5二轮复习微专题——光合作用科学史的分析及教学建议

光合作用科学史的分析及教学建议

“光合作用”是普通高中生物学课程《分子与细胞》模块的重要内容，在生物学核心素养培育中具有不可替代的地位和作用。该内容蕴含有丰富的科学史素材，可较好地将核心素养中“生命观念、科学思维、科学探究”等落实到课堂教学中。

按照现代认知心理学的知识分类体系，光合作用的主要内容属于“陈述性知识”中的“事实性知识”，可归纳到“生理过程类”的事实性知识。笔者学习了几个版本的高中《生物学》教材，发现自20世纪90年代以来，几经修订，关于“光合作用”的编写只有插图及语言表述的变化，基本知识体系几乎没有改变，知识内容过于简单。随着科学技术的发展，光合作用的研究亦更加深入。笔者认为，在高中教学中完全有条件引导学生更加深入地学习“光合作用”，其思维容量也应有所提升，才能更加符合课程标准的要求，在学科核心素养的培育上更有效。

本文对光合作用相关科学史素材进行了分析、筛选、重组，将相关科学史实验的内容设计为适合学生进行探究性思考的小课题，引导学生进行“基于资料和问题的探究性学习”，增强了教学内容的探究性，增加了课堂的思维容量，在提升学生分析、推理、思辨、论证等能力方面取得了较好效果。

1光合作用的科学史实验及选择

1771年，英国科学家普利斯特利（J.J.Priestley）通过将植物和小鼠一同放入密闭玻璃罩内的实验，发现植物可“净化”空气。19世纪末，德国化学家冯·贝尔（A.vonBaeyer）提出“甲醛说”，认为CO2在光作用下分解为CO和O2，CO被还原为甲醛，再聚合为糖。

1923年，德国化学家桑伯格（T.Thunberg）从氧化还原的角度认识光合作用，提出光合作用可被认为是H2O和CO2间的氢转移。1881年，德国科学家恩格尔曼（T.Engelmann）利用水绵和好氧性细菌进行实验，确定了光合作用的场所是叶绿体；证明了光合作用主要吸收红光和蓝紫光。

1937年，英国科学家希尔（R.Hill）利用离体叶绿体进行实验，在不提供CO2、只提供草酸铁作为电子受体的条件下，叶绿体不合成有机物，但可释放氧气。20世纪50年代中期，科学家发现叶绿体中具有NADP+，在光照下可接受电子和H+，生成NADPH。

1941年，美国科学家鲁宾（S.Ruben）和卡门（M.Kamen）用18O标记氧气，证明了光合作用释放的氧气来自参与反应的水。

1954年，美国科学家阿尔农（D.Arnon）发现，在光照下，叶绿体可合成ATP。

1957年他发现这一过程总是与水的光解相伴随。1961年，英国科学家米切尔（P.Mitchell）按照其对细菌的质子跨膜运输的理解，提出化学渗透学说，认为H+在类囊体膜内、外的电化学势能为ATP合成提供了能量。

1966年，美国科学家雅根多夫（A.Jagendorf）利用改变叶绿体类囊体膜内、外pH值的方法，为米切尔的化学渗透学说提供了实验证据。

1964年起，卡尔文（M.Calvin）利用同位素标记和双向纸层析技术，发现了暗反应过程的“卡尔文循环”。光合作用科学史实验筛选如表1。

2教学建议

对于光合作用的学习，应避免简单梳理反应过程，以记忆为主线的教学方式。这种方式看似条理清晰，但几乎没有学生的思考，不利于能力的培养，更谈不上学科核心素养的养成。如果能充分挖掘相关科学史实验素材，设计成为学生探究性学习活动，引导学生通过分析、推理、论证解决一系列问题，就能在知识的学习过程中渗透生物学核心素养的培育，能力的提升亦是必然。

2.1光反应

2.1.1恩格尔曼的实验———引出吸收光能的是叶绿体中的色素通过图片展示恩格尔曼的实验及结果，提出问题：实验1中，用极细光束照射水绵，好氧细菌只在光束处聚集，实验的结论是什么？实验2中的细菌为什么聚集在红光区和蓝紫光区？能得出什么结论？学生经过分析推理，从实验1可得出“叶绿体是光合作用的场所”这一结论。实验2可让学生认识到光合作用主要吸收红光和蓝紫光。顺利引出新问题：叶绿体中吸收光能的物质是什么？

2.1.2叶绿素的荧光现象———引出新问题：光合色素吸收的光能去向何处？

资料1：用图片展示叶绿素的荧光实验，光合色素的酒精溶液在透射光下观察呈绿色，反射光下观察呈暗红色。

资料2：位于叶绿体基粒类囊体膜上的光合色素可吸收光能，且主要吸收可见光中的红光和蓝紫光，绿光吸收极少。

资料3：离开叶绿体的光合色素仍可吸收光能，由于失去了相关的结构基础，所吸收的光能不能被用于合成有机物，只能再释放。

问题：请根据上述资料，尝试解释荧光现象的原理。学生经过思考一般都能理解，光合色素在透射光下呈绿色的原因是绿光被吸收得最少，所以透过去的绿光就最多；反射光下呈暗红色的原因是吸收的光能不能被利用，只能再以光能的形式释放，由于以热能的形式消耗了部分能量，光的波长略变长，呈暗红色。光合色素吸收的光能怎样用于有机物的合成？教师提供以下资料。

2.1.3鲁宾、卡门实验及希尔反应———认识光反应的基本过程

资料1：美国科学家鲁宾和卡门用含有不同比例重氧水（H218O）和重氧碳酸盐（KHC18O3+K2C18O3）的溶液（自然界的氧元素中，18O含量为0.2%，故实验中18O含量为0.2%的水及碳酸盐即为普通的水及普通碳酸盐），供给小球藻进行光合作用，分阶段测量水中重氧水的比例、碳酸盐中重氧碳酸盐的比例、释放氧气中重氧所占比例，数据如表2。

提出问题：①实验数据呈现怎样的规律？结果如何解释？在实验过程中，反应系统碳酸盐中重氧碳酸盐的比例在第1组是逐渐升高的，第2~3组是逐渐降低的，如何解释？

该数据为原始论文数据，相对复杂，但认真分析，不难看出规律：各组释放的O2中，18O元素所占比例与本组供给的H2O中18O所占比例相同，与该组KHCO3+K2CO3中18O占全部氧元素的比例不同。这个结果很好地说明，光合作用释放的氧气来自H2O，而不是来自CO2。反应系统碳酸盐中重氧碳酸盐的比例的变化，是因为H2O与碳酸盐所含重氧比例不同，而H2O参与呼吸作用生成的CO2掺入碳酸盐所致。阅读文献是一种能力，该资料可训练和提升学生阅读文献并分析数据的能力。

资料2：1939年，英国科学家希尔将植物破碎后获得离体的叶绿体，在叶绿体悬液中加入足量草酸铁等电子受体，不提供CO2，也可在光照条件下放出氧气。

提出问题：