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编研一体,学术立社,此则人民教育出版社作为具有出版资质的国家级课程教材研究单位坚守60多年之信念。2010年12月,人教社申请的国家社科基金重大项目──“中国百年教科书整理与研究”终获批准(课题批准号:10&ZD095),数百名编辑人员与国内相关高校、科研院所的学者共预其事。廓清百年教科书发展之轨迹,探寻近代以来我国中小学课程、教材演变之规律,功在当下,利泽久远。自2012年2月始,《中华读书报》特别开设“中国百年教科书整理与研究”学术随笔专栏,将次第选录本课题研究者之学术随笔,以飨关心我国教科书事业发展的各界人士。今在人教网上以专题形式再现之,以飨关心我国教科书事业发展的各位网友。

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第九十七期

悠悠百年间中学生物教科书中的光合作用

人民教育出版社生物室 刘 丹


清末教科书《中等格致课本四编下》关于光合作用的内页


新中国教科书《义务教育教科书生物学七年级上册》关于光合作用的内页

 

  光合作用被誉为地球上最重要的化学反应。太阳是万物之源,绿色植物需要依靠太阳进行光合作用,将二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物,并释放出氧气。人类对光合作用的研究成果,自然是中学生物教科书中不可或缺的一部分。

 

清末教科书中的描述


  人类研究光合作用的历史可以追溯到二百多年前。1771年,英国化学家普利斯特利(J.Pirestley)发现植物可以更新因蜡烛燃烧或小鼠呼吸而变得污浊的空气,这是人类对光合作用的早期认识。不久后,研究人员发现光、二氧化碳、水以及植物体内的绿色物质都是植物进行这一过程所必需的。1818年,两位法国化学家将这种绿色物质命名为Chloro?phyll。这个词源于希腊文,意思是“绿色的叶子”。1864年,科学家又证明了光合作用的产物还有淀粉。


  这些关于光合作用的研究成果,在清末的中学生物教科书中已经有了自己的位置。当时,有些生物教科书是直接翻译日本、西方的教科书。由南洋公学翻译,法国包尔培所著的《中等格致课本四编下》“炭质消化光暗之别收炭养气”一课中就通过对普利斯特利所做的植物“净化”空气实验以及“水草放养”实验的介绍,来描述了光合作用的现象,并总结了植物进行这一过程必需的两大要素,即“一必本为绿色。因植物之能收炭养全恃绿色之质。二植物必在日光之内。光能愈烈则化分愈速?!庇缮涛裼∈楣莩霭嫒毡纠硌Р┦咳醚г?、杜亚泉译述的《最新中学教科书植物学》书中将这种“必赖日光之力。且惟有叶绿之处能营此作用。夜间或暗处。及无叶绿体之处。决不能行之”的现象称为“类化作用(assimilation)”?;褂幸恍┏霭婊钩⑹猿霭媪俗员嘟炭剖?。例如,普及书局出版了彭树滋编撰的《普通教育植物学教科书》,书中将植物“分解炭酸气体。使与吸收自地之水分化合。而变为有机物之作用。谓之同化作用?!痹诒臼榈母铰贾谢股栌惺笛橹?,包括同化作用实验,让学生验证同化作用的产物——淀粉。跟大多数只是罗列知识内容的生物学教科书相比,这本书在当时可谓独树一帜。


  综观这一时期的中学生物教科书,它们对光合作用的表述并未统一,通常都是将光合作用以更为广义的“同化作用”或“类化作用”称之。由于缺乏对植物体内的“绿色之质”的认识,编者或称为其“叶绿体”或叫作“叶绿?!?。不过,书中都通过描述科学家研究光合作用的实验,来讲述植物借助日光和“绿色之质”,吸收“炭酸气(炭气)”放出“养气”,生成有机物质(淀粉)的现象,从而让读者对光合作用有一个感性的认识。


民国教科书阐述光合作用原理


  19世纪70年代,俄国植物生理学家季米里亚捷夫明确提出叶绿素是植物进行光合作用所必需的,他还做了大量实验说明太阳光里的红色光具有最多的能,对光合作用最有利。不久后,又一位俄国科学家利用层析技术首次分离了叶绿素和类胡萝卜素。1893年,美国植物学家巴恩斯(C.R.Barnes)建议将植物“碳同化”取名为“photosyntax”,而另一位科学家麦克米伦(C.Mac?Millan)则建议用“photosynthesis(光合作用)”一词,后者逐渐被更为普遍地接受。关于二氧化碳在植物体内转变为糖的机制,19世纪末到20世纪初,一位德国化学家提出的“甲醛说”最为著名。他认为二氧化碳在光的作用下分解为氧和一氧化碳,一氧化碳再被还原为甲醛,6个甲醛分子就可以缩合成1个葡萄糖分子。但这一假说最终因无法从实验中找到充分的证据,而被研究人员摒弃。民国时期的教科书编者开始将上述光合作用的研究进展编入了中学生物教科书中。


  民国初年,国人在学习西方先进文化与中学课程改革道路上的探索还在继续,中学生物教科书已从翻译日本、西方教科书逐步过渡到自编教科书。当时几家有名的出版机构如商务印书馆、中华书局、文明书局等都有自编中学生物教科书的出版。以这一时期较有影响力的、商务印书馆出版王兼善编写的《民国新教科书植物学》为例,本书在“第三篇植物生理学 第二章 植物之改造食料法”中详细介绍了“炭化作用”,并称“考此化合作用。须在光亮时始克发生。若在黑暗无光亮之处。则不克发生。故此作用。常有谓之为光化作用(Photosynthe?sis)者?!笔橹胁唤鎏岬礁霉绦枰桃吨械摹奥桃吨省?,还用化学方程式概括了这一过程:“6CO2+5H2O=C6H10O5+6O2”,虽然这与正确的方程式略有出入,但这体现了光合作用的过程是一系列化学反应。书中对光合作用利用的光的分析,则引用了季米里亚捷夫的研究成果,认为红光的作用最大,如果没有红光,植物几乎不能进行光合作用。值得注意的是,本书在小字部分还首次提到了“植物叶中发生一种酵质(Enzyme)此种酵质能使淀粉变为可以溶之糖(Sugar)”,这里的“酵质”其实就是我们现在所说的“酶”。除了这本教科书外,其他的教科书中更多的还是将光合作用称为“同化作用”或者更为具体的“炭同化作用”,如中华书局出版彭世芳编写的《中华中学植物教科书》,文明书局出版钱承驹编写的《普通植物学教科书》等。


  1922年,北洋政府颁布了“六三三学制”,将中学阶段分为初中和高中两个阶段,初中和高中的生物学课程标准也随之颁布。在1929年颁布的《初级中学植物学暂行课程标准》中要求教材介绍“叶之功用”以及在“作业要项”中让学生进行一些观察和实验;而《高级中学普通科生物学暂行课程标准》中则更为明确地要求在教材中要讲述光合作用并让学生用简易的仪器和材料做光合作用的实验??纬瘫曜嫉囊旌凸檎饔梦抟墒窍灾?,这一时期出版的中学生物教科书开始逐渐使用学术界较为认可的“光合作用”这一说法。不少教科书中也已经确切地指出了叶绿体中的叶绿素是光合作用所必需的。例如,商务印书馆出版周太玄、邓仲眉编写的《复兴初级中学教科书博物第一册植物》中,就从光合作用的原料,光能,色素和产物四个方面分析了光合作用的原理,相应地,光合作用的反应式被修正为“6CO2+6H2O日光叶绿素→C6H12O6+6O2”。在教科书中设有实验部分,也是当时许多教科书的特色,有的教科书是在章后讲实验,如开明书店出版贾祖璋编写的《开明新编初中博物教本第一册植物》,有的教科书是在全书的最后附有实验指导,如世界书局出版李咏章编写的《初中新植物学上册》。这些书中用到的实验材料非常丰富,有蚕豆、金鱼藻、天竺葵等,虽然仅是验证性质的实验,但是对学生动手能力和观察能力的培养还是有一定帮助的。


  与初中生物教科书相比,当时的高中教科书希望从更深的层次来阐述光合作用的原理。以中华书局出版陈兼善、华汝成编写的《高中生物学上册》为例,在“甲醛说”的影响下,书中用它来阐释了光合作用过程中碳的代谢过程。本书还尝试从能量转化的角度来分析光合作用的机制,即日光的动能变成位能蕴含在了葡萄糖和淀粉里。这一时期还有专门的与高中生物教科书配套的实验用书出版,如中华书局出版王儒林编写的《高中生物学实验指导》,商务印书馆出版龚礼贤、陈震飞编写的《高级中学教科书生物学实验法》等,其中光合作用实验的部分参照科学家的研究实验编写了让学生验证绿叶中淀粉的存在,光合作用需要叶绿素以及对光合色素进行分离,观察叶绿素、胡萝卜素和叶黄素等实验。


  随着研究的进展、课程改革的推进和一系列课程标准的颁布,民国时期的中学生物教科书中,对光合作用的认识正逐渐地修正完善并趋于统一,关于光合作用物质转化机制的大致框架已基本成型,相关实验的思想和内容在书中也有了呈现。但受限于当时的研究水平,书中关于二氧化碳在植物体内究竟如何转变为糖以及能量转化机制的阐述并不具有说服力。

新中国教科书深入揭示光合作用


  20世纪以来,生物化学快速发展,光合作用机制的研究也进入了生物化学阶段。1905年,英国植物生理学家布莱克曼(F.F.Black?man)通过研究光强、二氧化碳浓度和温度对光合速率的影响,提出“限制因子定律”。此后,科学家将他的研究结果进一步阐释为光合作用由光反应和暗反应组成。范尼尔(C.B.VanNiel)通过分析光合细菌的代谢特点,比较推出植物光合作用的实质是光介导的氢转移机制。英国科学家希尔(R.Hill)以离体的叶绿体为材料,证明了植物光合作用的光反应是氧的产生而不是二氧化碳的还原。20世纪30年代以来,科学家还对光合作用以及三磷酸腺苷(ATP)在能量转换中的关键作用有了较深入的认识。20世纪40年代,科学家更是应用同位素示踪法直接探明了光合作用产生的氧气来自于水以及二氧化碳中的碳在光合作用的过程中转化成有机物的路径。至此,光合作用的机制已基本明朗,教科书的编写有了充分的实验证据和理论支撑。


  与此相对应的,历史已经翻到了新中国成立之后。中学生物教科书开始根据初中和高中学生认知水平的不同,对光合作用的知识结构有所区分。


  初中阶段,教科书主要在学生对植物的结构(主要是叶片的结构)有一定了解的基础上来简单讲述光合作用的条件、原料、产物和实践意义。义务教育实施以来,初中生物教科书的编写迎来了新的突破,书中不仅明确指出光合作用包含了两个方面的转化:物质转化和能量转化,其内容也变得更加丰富多彩。有“动动脑”栏目提出与光合作用有关的问题引发学生思考,还有“动动手”栏目让学生验证“叶色与光照有没有关系”;有让学生亲自操作的“实验绿叶在光下制造淀粉”,还有两个演示实验来说明光合作用放出氧气和吸收二氧化碳;章末安排的课外读素材则通过介绍“光合作用是怎样发现的”,来拓展学生的视野。今天我们使用的《义务教育教科书生物学》,教材编者对提高学生生物科学素养方面有了更多的用心。书中介绍光合作用的小节以探究的形式让学生验证二氧化碳是光合作用必需的原料,从提出问题、作出假设到设计方案、实施方案,再到分析结果、得出结论,学生的思维能力和实践能力将在整个探究的过程中得到全方位的锻炼。本节最后还通过让学生分析金鱼藻距光源的距离不同,其产生不同气泡数目的实验结果来使他们掌握分析实验结果的技能。


  高中阶段,教科书对光合作用的阐述则偏重机理。新中国成立初期,在学习苏联模式的影响下,《高级中学课本达尔文主义基础》一书中只介绍了季米里亚捷夫对光合作用研究的贡献?!拔幕蟾锩焙?,高中生物学教科书恢复并形成现代光合作用的知识体系,对光合作用过程的表述不再是简单的参加反应的物质和生成物质之间的关系,而是根据研究的进展将它分为光反应和暗反应两个阶段进行讲解。此后,教科书在修订中不断完善,从氢的转移、ATP的储能与放能、二氧化碳的固定与还原等多角度阐述了光合作用的原理,并配有清晰的光合作用过程图解。进入21世纪,新一轮的基础教育课程改革启动,高中生物教科书的编写更加注重学生生物科学素养的提高,倡导探究性学习,注重与现实生活的联系等,因此在现行的《普通高中课程标准实验教科书生物必修1分子与细胞》“能量之源——光与光合作用”一节中除了主要的知识内容外,编者还设计了从现实生活中的情境引发学生讨论的“问题探讨”栏目,启发学生思维的“资料分析——叶绿体的功能”和“思考与讨论”栏目以及培养学生探究能力的探究活动“环境因素对光合作用强度的影响”,此外,有关光合作用科学史的内容也同样丰富。内容的多样化,栏目的推陈出新不仅增加了学生的学习兴趣,也让老师们的课堂教学有了更加充足的素材和更多创新的空间。


  悠悠百年,科学家对光合作用的探索经历了一个从现象到本质,无限深入的过程。以学科知识为主体的中学生物教科书中光合作用相关内容的呈现亦是如此,与学科研究的进展紧密相连。虽然由于任何一个新发现或新理论的诞生,都会有一个传播和被认可的过程,导致教科书中这部分内容的选取会稍稍滞后于学科的进展,但是教科书对弘扬科学、反映研究历程、传播新知仍起着举足轻重的作用。如今,光合作用的研究还在继续,中学生物教科书的编者也将紧跟研究的进展,在修订完善教科书,推动我国生物学基础教育向前发展的道路上不断努力。

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