基于深度學習理論的“二氧化碳對光合作用的影響”實驗拓展

邵紹元

（江蘇省南通中學附屬實驗學校 江蘇南通 226010）

“光合作用利用二氧化碳釋放氧氣”是人教版七年級上冊生物學教材第五章“綠色植物與生物圈中的碳-氧平衡”第一節的內容，在“探究二氧化碳是光合作用必需的原料嗎？”實驗的基礎上，開展“二氧化碳對水蘊草光合作用的影響”探究拓展實驗，形成“實驗是科學探究的基本過程和方法”的生物學核心觀念；以議題“可再生能源與節能低碳”為紐帶，貫穿議題的閱讀、討論、反思和評價。教師引導學生在科學探究基礎上產生真正需要解決的社會性議題，從而使教學指向生物學核心知識、方法和素養，提升學生的高階思維能力。

1 深度學習理論簡述

深度學習是指在教師的引領和活動設計支持下，學生針對具有挑戰性的項目化主題，通過主動加工和深度理解的探究性學習，在原有的認知基礎上采用分析、歸納、應用、評價和綜合等高水平思維，靈活運用所學知識、技能和方法解決社會生活、生產中實際問題，獲得發展的、有意義的一種學習方式。深度學習以內在學習需求為動力，以高階思維的發展和實際問題的解決為目標，以知識的聯通與構建為內容，在新的情境中遷移已有的知識和方法，學生不斷掌握生物學科的核心概念、把握學科本質和思想方法，形成積極的內在學習動機、高級的社會性情感、積極的態度和正確的價值觀，最終形成能夠適應終身發展和社會發展的必備品格和關鍵能力。因此，深度學習是一種高階思維為主導的學習過程，是一種更接近知識本質和智能內核的學習方式。

2 深度學習理論下的實驗拓展

2.1 創設社會化情景，引發探究欲望

教師出示資料，引導學生思考：近代文明與科技發展不但導致化石燃料的大量使用，甚至引發了石油危機。而人類所排放的二氧化碳已經對生物圈的環境造成影響，危及生態系統的平衡以及人類的生存。表1為國際能源署（International Energy Agency，2017）所公布的部分國家2015年的能源消耗統計。通過比較美國、日本與中國等國家對能源的消耗，你能發現什么呢？

表1 2015年部分國家能源消耗比較表

學生分析回答：雖然中國人均耗電量及人均碳排放量低于美國與日本，但中國人均耗電量及人均碳排放量約為世界平均值的1.2倍。學生進一步分析，可知：如果要成為負責任的地球公民，理應責無旁貸地致力于節能減碳和開發綠色能源。

設計意圖：圖表資料來源于國際能源署，數據真實、可靠，學生能針對數據發表看法，從而建構和諧生態觀。教師引導學生分析與討論，培養學生節能減排的社會責任感和批判思考能力，從而順利導入科學探究環節。

2.2 組織探究，發展科學探究和科學思維能力

2.2.1 實驗材料準備

燒杯（500 mL）2個、試管2支、質量分數為0.4%碳酸氫鈉水溶液550 mL、水550 mL（水溶液pH＜9）、漏斗2個、水蘊草6段（各約2 cm長）、實驗橡膠手套、10 w白光LED燈泡（規格相同）。

2.2.2 問題引領探究，發展學生思維品質

教師提出問題：①將水蘊草放入碳酸氫鈉水溶液中，使水蘊草溶液中的二氧化碳含量增加，從而探究二氧化碳對水蘊草光合作用的影響。此探究中無關變量有哪些？②實驗組與對照組數據，為什么要重復測量3次后取平均值？

學生討論后，得出：此探究中無關變量有水蘊草長度、數量、光照強度、光照時間和溫度等。測量時，可能會因各種因素產生誤差，如水蘊草液中微小的雜質、氣泡數的測量誤差等。所以，反復取多次數據后取平均值，可以減少誤差對觀測數值的影響。

2.2.3 實驗操作，記錄現象

實驗操作過程：①取2個燒杯，分別標上甲、乙，在燒杯中各放入3段2 cm長的水蘊草，并將漏斗倒置罩住水蘊草。②在甲燒杯中加入水，乙燒杯中加入碳酸氫鈉水溶液，兩杯液面高度需要沒過漏斗柄，使漏斗內充滿溶液（為了保證水蘊草生長不會明顯受酸堿度影響，使用pH計測量碳酸氫鈉水溶液的酸堿度，并確保其維持在pH9以下）。③取2支試管，將甲試管裝滿水，乙試管裝滿碳酸氫鈉水溶液。用拇指壓住試管口后，將試管口倒置入燒杯水溶液中，然后移開拇指，在水溶液中將試管套入漏斗柄上。④將甲、乙兩燒杯放置于強光下照射3 h。觀察水蘊草枝條末端是否有氣泡產生，并計數。⑤3 h后，觀察并比較甲、乙兩試管內氣體的量。

2.2.4 討論與結論

教師提出問題，引導學生思考：①氣泡的產生代表什么意義？若有氣泡產生，請推論此氣泡是什么氣體？②引起實驗組與對照組數據差異的可能原因是什么？為什么碳酸氫鈉溶液提供二氧化碳，就可以在4 h內測得對光合作用的促進效果？③甲、乙兩組是否都有氣泡產生？哪杯水溶液中的水蘊草氣體生成量較多？④由測量實驗結果，可以得到什么結論？

學生討論、分析后，回答：①氣泡代表水蘊草進行光合作用；產生的氣泡主要為氧氣。②因為實驗組額外添加的二氧化碳可以給水蘊草提供光合作用的原料，相較對照組，光合作用效率提高，因而產生的氧氣氣泡增加。光合作用的四大條件為光能、葉綠體、水和二氧化碳。其中，二氧化碳是目前地球環境下光合作用的反應瓶頸，所以，少量增加二氧化碳，可明顯提升光合作用效率。③兩組都有氣泡產生，其中甲組中水蘊草產生的是氣泡數較多。學生得出結論：提高環境中的二氧化碳含量，可以促進水蘊草的光合作用速率。

2.2.5 設計意圖

水蘊草在pH6.5～7.55的環境中生長狀況較好，若pH高于9才會較受到影響。質量分數為0.4%的碳酸氫鈉水溶液的pH不超過9。因此其酸堿度不會明顯影響結果，該實驗中可忽略酸堿度值的變量。在探究中，教師引導學生分析問題、觀察記錄數據、處理數據，得出結論，使學生形成“光合作用可以減少溫室氣體二氧化碳”的觀點。采用碳酸氫鈉溶液和水溶液來分別處置水蘊草，可以使學生明確理解對照組的作用和必要性。學生收集數據和處理數據，利用證據和邏輯推理，得出“提高二氧化碳含量可以促進光合作用速率”的結論。實驗裝置與氣泡計數方式難度低，易使學生產生親近感，向學生提供了一個易操作、可走進的探究實驗情境。

3.3 關注問題解決，領悟社會責任

3.3.1 閱讀議題與討論議題

教師提供閱讀資料①：21世紀初，因石油價格居高不下，盛行使用可再生能源做為交通工具燃料替代品。有報告指出，種植可再生能源植物，如由玉米、甘蔗、甜菜制造生物乙醇，或由大豆、油菜籽、芥菜籽、椰子油制造可再生柴油，會排擠糧食作物的生產，造成糧價飆漲。其生產過程甚至可能加劇二氧化碳的排放量。就可再生能源與節能減碳之間的關系，提出建議或看法。

教師提供閱讀資料②：許多產業或機械會排放二氧化碳，如火力發電、煉鋼、制造水泥、交通工具等，而二氧化碳是目前造成全球氣候變化的重要原因。如何將無法避免又會造成問題的二氧化碳，轉變為可以運用的資源，請提出建議或看法。

教師提供閱讀資料③：目前，中國科學院大學已進行利用煙道氣培養微藻的實驗；并從藻類中萃取出藻多醣、藻藍蛋白、葉綠素等成分，用來制成健康食品、保養品或生物特殊營養飼料，剩余的藻渣再做成生物燃料。這樣既可以減少溫室氣體的排放，也開發出多元化的應用價值。請根據上述材料，就利用藻類減少二氧化碳排放做法的優缺點，進行討論。

3.3.2 議題討論

學生與同伴之間進行頭腦風暴，多角度思考并表達自己的觀點。例如，在討論再利用二氧化碳的方式時，學生想到制造滅火器、干冰、尿素等；針對利用人類燃燒化石燃料所制造大量二氧化碳的方式，提出多種減碳的方案。對同一事件可能存在沖突的觀點，如利用藻類制造中可再生燃料可達減碳效果；但如果制造過程需高溫高壓的步驟，則應考慮整體能源消耗是否具有實質效益。有學生提到可再生能源的生產，必須考慮是否占用過多土地資源。還有學生提到，在實驗室可以觀察出的預期結果，擴大為工業規模時，會面臨新的挑戰。

3.3.3 設計意圖

在真實的、有意義的情境之中，教師引導學生積極運用生物學的知識和方法進行多元化的思考，促進學生關注節能減碳議題，理解減緩碳排放、降低溫室氣體排放的效果，以及創造綠色能源的可能性，從而促進生物學知識向真實生活情境的再認識和適度遷移。學生在討論議題時，運用批判思考的對話與論證方式，做出科學性的理解與理性判斷，針對測得的數據發表看法，并形成自己的觀點，培養批判思考能力，從而體會到人與自然之間的互動關系需達到平衡，進一步養成愛護生物的態度。