高中生物教学中学生科学思维的培养

盛国跃 程永

【摘 要】科学思维是我国中学生物学科课程目标的重要组成部分，也是培养学生学科核心素养的关键。卡尔文循环及其发现历程富含科学思维，是发展学生科学思维的良好载体。文章通过卡尔文循环的发现历程培养学生的推理思维和演绎思维，通过卡尔文循环的概念模型培养学生的建模思维和创造性思维。

【关键词】卡尔文循环;科学思维;演绎;推理;模型

【作者简介】盛国跃，高级教师;程永，一级教师。

【基金项目】中国教育学会2019年度教育科研规划课题“聚焦生物学重要概念的单元整体教学研究与实践”（201933000905B）

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》明确提出，学生应该在学习过程中逐步发展科学思维，如能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法，探讨、阐释生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题[1]。科学思维的培育，强调通过科学理论由来、探究与应用等方面的教学，加深学生对科学知识理解的深度和广度，从而改善学生的科学思维及科学素养[2]。

生物学科是一门实验学科，是对未知世界的探索和验证，其中包含大量科学发现史的内容。每一个科学发现的过程不仅反映了科学家敏锐的科学嗅觉，而且体现其严谨的科学思维和敢于创新的勇气。卡尔文循环是浙教版高中生物学必修1中“光合作用”一章的教学重点和难点，是科学探索史上的一颗璀璨明珠。其涉及的代谢反应错综复杂，特别是科学家在探索这些代谢反应的过程中涉及的多个经典实验是发展学生科学思维的良好载体。

一、卡尔文循环教学内容隐含的科学思维

从卡尔文循环的发现史中不难发现，其实验过程隐含多种科学思维。如英国科学家布莱克曼研究光强度和温度对光合作用的影响实验，德国科学家瓦尔堡用藻类进行的闪光实验，体现了科学推理思维;卡尔文发现碳反应最初产物、二氧化碳最初受体的研究实验，体现了“假说—演绎”的科学演绎思维;基于实验过程中得出的零散实证结果，构建卡尔文循环模型，体现了利用相关证据构建模型的科学建模思维;运用卡尔文循环模型解释现代生物科技取得的成果及展望提高光合作用产量的研究方向，体现了科学创新思维。

二、培养学生科学思维的教学策略

基于卡尔文循环发现史中大量多层次、循序渐进的实验，针对高中阶段的教学目标，教师可在教学中围绕碳反应的发现实验和探究CO2如何转化为糖这两个实验展开讨论，厘清物质的转化关系，让学生逐步构建卡尔文循环模型，并指导学生利用卡尔文循环模型的原理，解释为什么改变环境条件可以提高光合作用产量。在实现知识目标的同时促进学生科学思维核心素养的发展。

（一）分析碳反应的发现实验，培养推理思维

推理是根据已知条件推导出未知结论的思维形态[3]。在生物学的学习中侧重基于证据的推理，其基本过程是从已有经验和问题情境中识别、转换，并形成证据，然后利用证据进行推理，得出结论，从而解决问题。碳反应的发现历程是基于证据推理的典范，是培养学生推理思维的较好素材。在教学过程中，教师以碳反应的发现历程为情境，引导学生识别、筛选证据，转换、形成证据，应用、评价证据，从而有效地发展学生的推理思维。

推理的起点在于问题，问题的产生需要有真实的情境。教师在教学中可以先展示关于英国科学家布莱克曼在研究光强度、温度对光合作用影响时的发现实验资料，即在弱光下增加光强度能提高光合速率，但当光强度增加到一定值时，再增加光强度则不再提高光合速率。通过这一情境可以激发学生产生认知冲突。接下来，教师可以向学生提出问题：光合速率只在一定范围内与光强度呈正相关的原因是什么？在这一问题的驱动下，教师可以引导学生进行如下推理：①由光反应的过程可知，当光强度低时，光强度限制了光合速率;②光反应的知识不能合理解释光强度高时的实验结果;③推测光合作用可能存在一个与光照无关的过程。

科学推理是渐进式的，推理得出的结论需要有新的证据去证实或证伪。为此，教师可以继续展示德国科学家瓦尔堡用藻类进行闪光实验的资料。资料显示，在光能量相同的前提下，一组实验用连续光照射，另一组实验用中间间隔一定暗期的闪光照射，发现闪光照射下的光合效率是连续光照射下的200%～400%。在此基础上，教师可以继续向学生提出问题：为什么在光能量相同的情况下，闪光照射实验组的光合效率更高？教师可以引导学生模仿前一问题的推理过程，推导出“光合作用包括依赖光的光反应和与光无关的暗反应两个过程”这一初步结论。

随着研究的深入，科学家发现，暗反应在黑暗中反应的时间极短，而在有光的情况下才能连续不断地进行。据此，教师可以引导学生推导出“光合作用除光反应外，还存在一个不依赖光但依赖光反应产物的过程”的结论。

（二）研究卡尔文循环的相关实验，培养演绎思维

假说是科学理论形成的必要环节，其必须经过检验才能发展为科学理论，而假说的检验离不开演绎。“假说—演绎”的一般步骤为：观察现象→提出问题→做出假设→演绎（以假说为前提推理出一种必然性结论，便于反证假说的正确性）→实验验证（通过科学实验检验推理的正确性，提升假说的正确性）→得出结论。探索卡尔文循环中物质变化的系列实验的演进过程与“假说—演绎”的思想高度吻合，其中CO2最初受体的发现过程尤为明显。

在培养学生演绎思维的过程中，教师引导学生提出假说是最关键的一步，而假说的提出是基于问题解决的，故在CO2最初受体的教学中，教师可以引导学生提出问题：通过对卡尔文等科学家研究碳反应中物质变化的实验过程及结果的分析，明确了碳反应中CO2的固定产物，那么其最初受体是什么？学生的认知水平在不断地试错、不断地修正中发展，其针对问题的“假说—演绎”能力发展是一个迂回上升的过程。因此，在教学中，教师需引导学生经历多次“假说—演绎—验证”的过程。第一轮“假说—演绎—验证”的具体过程为：①第一次假说，CO2分子在酶的作用下相互固定，3个CO2分子聚合生成一个3-磷酸甘油酸（以下简称“三碳酸”）;②演繹推理，若该假说成立，则用14C标记CO2，生成的三碳酸中3个碳原子都有放射性;③实验验证，实验结果表明，最初生成的三碳酸中只有羧基碳带有放射性（以资料的形式展示给学生），可知该假说不成立。

在提出的初步假说被否定后，教师需及时补充资料，为学生提出新的假说做好铺垫。此时可向学生展示资料：卡尔文在研究过程中发现，光照下三碳酸和核酮糖-1，5-双磷酸（下文简称RuBP）很快达到饱和并保持稳定。在此基础上教师可以引导学生进行第二轮“假说—演绎—验证”，具体过程为：①第二次假说，在光合作用中，CO2受体源源不断地消耗和产生，受体含量应保持稳定，而RuBP含量经常处于稳定状态，因此CO2最初受体为RuBP;②演绎推理，若该假说成立，当突然停止供应CO2时，短时间内RuBP将因消耗变小而得到积累，而最初产物三碳酸（PGA）含量将下降;③实验验证，展示改变CO2供给浓度的实验结果（如图1）;④得出结论，实验结果与演绎推理的结果一致，说明该假说正确，即CO2最初受体为RuBP。由于这一结论是学生在经历多次的自我否定和肯定中逐步构建的，因此他们对结论会有更深刻的理解。

卡尔文循环中的物质变化是教学的重点也是学生学习的难点，教学中以“假说—演绎—验证”为主线，利用卡尔文设计的相关实验及结果为演绎推理的依据，让学生在发现问题和解决问题中突破思维的瓶颈，顺利地发展了学生的演绎推理思维。

（三）构建卡尔文循环模型，培养建模思维

生物建模是一种通过建立和研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法，它能有效地发展学生的学科核心素养[4]。生物建模是思维的产物，包括构建、完善、修正、检验模型等基本阶段，它以观察和实验为基础，以抽象和分析为基本手段。卡尔文循环正是科学家在观察和实验的基础上通过抽象和分析的方法得到的产物，学生想要真正理解其内容就必须经历建模的过程。

通过如上文所述的推理、演绎过程，学生已经逐渐掌握光合作用以CO2为原料，CO2的最初受体是RuBP，碳反应的最初产物是三碳酸、终产物是糖类等知识。但这些都是零散的事实性知识，教师需引导学生利用事实构建概念，即构建出卡尔文循环的概念模型。建模的过程是学生将离散的知识结构化的过程，需要以原有的知识为基础。因此，建模的第一步是引导学生对所学的事实性知识进行梳理，厘清碳反应中的物质变化过程：CO2+RuBP→三碳酸→三碳糖→RuBP。这种梳理是线条式的，而碳反应中的物质变化是循环的，因此，引导学生构建起循环模型的框架是一个难点。要突破这一难点就需要教师帮助学生找到与原有知识的统整点。“ATP-ADP循环”（如图2）与碳反应中的物质循环在模式上有一定的相似性。故教学中教师可引导学生将梳理出来的物质变化与“ATP-ADP循环”进行类比，构建出卡尔文循环的初步模型（如图3）。碳反应中的物质变化是能量转化的载体，要完善卡尔文循环模型，就需要探讨碳反应中的能量变化。碳反应中有三次能量转移，第一次和第二次是ATP和NADPH中的活跃化学能通过还原三碳酸转移到三碳糖中，第三次是ATP中的活跃化学能通过RuBP再生过程转移到RuBP中。在探讨这三次能量转化的过程中，教师引导学生逐步构建完善的卡尔文循环模型（如图4）。任何一个模型都需要经历验证的过程，对于学生而言，验证自己所构建模型的过程也是自我反思的过程。因此，教师还需引导学生将自己所构建的模型与科学家构建的卡尔文循环模型进行对比，以验证模型的科学性。

卡尔文循环是经典的概念模型，学生在对其进行建模的过程中收获的不仅仅是概念知识，还有建模的方法。学生一旦将建模的方法内化为自己的认知图式，就能获得思维和认知水平的跃进。

（四）运用卡尔文循环模型，培养创造性思维

创造性思维是指产生新思想的思维活动，它突破常规和传统，不拘泥于既有的结论，以新颖、独特的方式解决新问题。创造性思维以知识和实践为基础，以创造性地应用知识解决问题为导向。

创造性思维是社会建构的产物，它不仅存在于个体的内部，也存在于社会生活中。因此，教师在培养学生创造性思维的过程中，需创设一个真实的社会化情境。粮食危机就是一个与卡尔文循环的应用契合度较高的情景。故教师可展示相关资料，并引导学生提出问题：从卡尔文循环角度提高农作物产量的途径有哪些？创造性思维不能脱离实际，否则就是空想，因此教学中教师应给学生一个思维的脚手架，帮助学生思考。如充分利用卡尔文循环模型梳理碳反应中物质和能量的变化，从而明确解决问题的基本思路和方向;通过提高CO2固定的效率，提高三碳酸还原的速率;等等。

思维的深度和广度是创造性思维的重要指标。因此，在学生有了思考的方向后，教师还需引导学生结合模型深化问题解决的措施。在此过程中，教师可以引导学生思考卡尔文循环模型中各个阶段的影响因素，如Rubisco酶影响了CO2固定的效率，因而可以通过提高该酶的活性和数量来提高农作物的产量等。

创造性思维是基于当前理论的原理和本质清楚地勾画和解决问题的思维活动。比如，教师可以以如何提高农作物产量这一问题为载体，培养学生的创造性解决问题的能力，让学生在运用知识解决生产实践问题的过程中获得学习成就感，使学生在深化理解卡尔文循环模型原理的同時，发展创造性思维。

三、结语

教育的本质在于学生思维能力的培养，其根本的课程目标以学生思维训练的需要为核心[5]。高中生物学科的教学价值不仅仅在于让学生掌握生物事实，更在于培养学生应对未来的能力，即科学思维能力。教师在教学中应充分挖掘教学内容所蕴含的科学思维，将科学思维的培养融入课堂教学中，通过创设真实的情境点燃学生的思维，通过观察、实验等方法为学生提供思维的支架，通过联系生活实际为学生的思维提供原动力。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]魏凤国，谢妤.基于HPS理念培育科学思维核心素养的教学设计：以“生物膜的流动镶嵌模型”为例[J].生物学通报，2019（5）：20-22.

[3]黄士平.简明逻辑学[M].武汉：湖北教育出版社，2005.

[4]鲜璐锾.建模教学策略在重庆市高中生物教学中的应用研究[D].重庆：西南大学，2020.

[5]史宁中.试论教育的本原[J].教育研究，2009（8）：3-10.

（责任编辑：罗小荧）