深度學習觀照下“光合與呼吸”主題+建模教學實踐

吳向陽

（閩江師范高等專科學校，福建 福州 350007）

初中“光合與呼吸”的教學常出現下列情況：教師碎片化呈現“光合與呼吸”的事實，缺乏對規律的提煉；學生公式化記背“光合與呼吸”的概念，缺乏對概念內涵的理解，這是一種基于孤立視角和機械記憶的淺層學習。《義務教育生物課程標準（2011 年版）》對該主題的目標要求是達成“概述、闡明和說明”，它需要歷經對事實的描述和解釋、對概念的解析和提煉等深度學習的過程。

深度學習的要旨是，學習者經歷認知加工形成知識體系，在此基礎上運用邏輯思維做出決策或解決問題。［1］不同類型的模型因其特征不同，具有描述、解釋、預測和推理等功能［2］，教學過程中可借助模型的功能，運用建模手段推進學科能力［3］的逐步進階，從而達成深度學習。

一、“光合與呼吸”主題的教學分析

本主題的教學設計，是在對課程標準有關要求進行分解和綜合的基礎上，以系統觀的角度將“光合與呼吸”相關知識建立聯系，形成一個單元式主題設計。本主題“教—學—評”一體化設計如表1 所示。

表1 中，教學目標的設計遵循著識記、理解、應用和分析等層次逐級遞進；對目標達成的評價設計為，在一定問題情境下運用學科能力如“學習理解”“應用實踐”“遷移創新”進行問題解釋或問題解決；通過設計適切的建模和用模活動推進教學實施。

表1 “光合與呼吸”主題教學目標、過程、評價設計

二、建模達成學科能力進階的深度教學實踐

（一）示意圖直觀呈現復雜生理，形象思維助力記憶和概括

示意圖是“圖像和符號模型”的一種，由符號、圖形組成，它將復雜和抽象的生理功能具象化，其功能是描述事物。“光合與呼吸”新授課的實驗觀察已經讓學生獲得了有關原料、產物和條件等方面的事實證據，在進一步的教學中，教師可提供如圖1“光合與呼吸關系示意圖”引導學生填圖完善，通過圖文轉化評價學生對碎片知識之間是否形成聯系，從而檢驗學生對“光合與呼吸”概念的建立。

圖1 光合作用和呼吸作用關系示意圖

教學過程：問題情境——回憶已經學習的知識，根據示意圖，說說光合作用與呼吸作用有何關聯？

①學生回憶并書寫光合作用和呼吸作用物質變化及發生場所，完成圖甲結構a、b 的填寫；②閱讀圖乙，判別A、B 分別是什么過程；③教師追問“光合與呼吸，分別涉及物質的合成或分解？”

過程①需要提取記憶并觀察圖甲，這個過程運用到“觀察記憶”能力，即識別生物現象、敘述生理過程，描述圖表信息等，達成了目標分析中的T1、T2（見表1）。過程②的圖乙加深了“光合與呼吸”兩者的聯結，對圖乙的認同需要學生運用如提煉、對比和分析等“歸納概括”能力，結合過程③檢驗概念內涵的理解，達成T3。

（二）類比建立概念模型，促進概念擴展和問題解釋

類比是利用已知事物的特性遷移理解新事物的一種建模手段。學生若要建立對“光合與呼吸”兩者內涵的聯結，首先要理解“植物體內的有機物，其實是植物的光合總量扣除植物呼吸消耗量之后的結果”，這個概念可以用類比教學實現（見表2）。

表2 光合/呼吸作用與水池進水/出水的類比

教學過程：問題情境——植物的呼吸與光合是一對“消”和“長”的過程，如果用“一個有出口和進口的蓄水池”來打比方，如何解釋植物生長的結果？

①教師引入“資源”——水池、“目標”——植物體，師生共同完成表2。教師追問“水池中剩下的水量，是全部的進水量嗎？”“如果水池水慢慢在增多，是進水多還是出水多？”等。②拓展訓練：取相同生長狀況的三片樹葉A、B、C。A 烘干得a（重量，下同）；B、C 分別同時給予光照或黑暗條件，其他生存條件一致，一段時間后烘干，分別得b、c。求這段時間葉片光合作用制造出的總有機物量。

步驟①通過類比將“水池總進水量=水池剩余水量+出水量”遷移建立了“光合總量=凈光合量+呼吸消耗量”的概念模型，達成T4。步驟②中，教師可引導學生利用上述模型得出該時段總光合量=a-c+b-a（該時段呼吸消耗=a-c、凈光合量=b-a），即b-c，完成T5。這個過程需要學生在“光合與呼吸”兩者的原理建立聯系的基礎上，借助核心概念和原理進行多重推理，訓練了“概念拓展”的能力。

（三）從質性描述走向量的分析，數學模型訓練簡單推理

生理曲線圖是人們分析綜合生命現象的本質屬性后，將其發展規律表示為“不具備函數關系”的一種數學曲線模型，它有助于描述、解釋和推測生命現象。［4］高考評價體系提出語言表達素養應包括能夠熟練運用圖表等方式表征抽象概念。［5］以曲線表示“光合與呼吸”生理活動，有助于引導學生提煉規律，進而應用規律。圖2 和圖3 呈現生理曲線建模過程。

圖2 光照與光合作用強度關系表達選項

圖3 光照與光合強度關系數學建模過程示意

教學過程：問題情境——光照越強光合作用就越強嗎？“光合與呼吸”隨外界條件而變化是否有什么規律？

①識別模型：從圖2 中選取表達“隨光照增強，光合強度變化趨勢”的選項。教師利用a 點解讀生命現象的特殊性。②解釋完善模型：圖3-甲中“由b 到c，表明光合和呼吸哪種生理活動占優勢？”“當CO2釋放量為零時，曲線應該與X 軸的o 點還是a 點連接？”③運用模型：出示圖3-乙，推測A、B 兩種作物哪個更適合在光下生長。

上述建模和用模過程中，學生需要結合“光合與呼吸”主題的核心知識，解釋和推測曲線走勢，并以此為證據進一步對生物學現象進行預測和推理，在訓練“簡單推理”能力的過程中達成T6、T7。

（四）構建知識網絡形成概念框架，系統思維幫助建立遠遷移

思維導圖可表征概念與概念的內在關系，將宏大復雜的過程可視化，利于學生形成整體視角。“光合與呼吸”的核心內容是物質和能量的變化，它統整了植物各個生理活動。教學中整合“光合與呼吸”與“細胞生命活動”相關概念，幫助學生搭建知識系統，還原概念應有位置和關系，以系統角度解釋問題（如圖4）。

圖4 有關“光合與呼吸”的跨主題知識網絡系統模型（局部）

教學過程：問題情境——項目學習小組設計微型大棚種植西紅柿，利用植物的“光合與呼吸”的知識，該從哪些方面設計裝置以提高產量？

①建構模型：確立核心詞，如由“光合作用”自由發散出“物質變化”“能量變化”“影響因素”等方向；深入聯想，將“物質變化”拓展為“無機物轉化為有機物”“無機物從哪來”“有機物有什么用”等線索；聚焦交集，如“呼吸”和“光合”都涉及物質變化，又如“光合作用的原料”與“植物的吸收、運輸”產生聯系等；知識結構化，以關鍵詞聯結跨主題的知識形成網絡。②問題解決：教師提供現實問題，引導學生在思維導圖中提取相關因素解決問題。

上述知識網絡涉及諸多大概念，如“細胞的生活需要物質和能量、細胞的生活受環境影響、植物體維持碳—氧平衡”等。學生在建立知識網絡的過程中，沿著概念內涵的深入和外延的拓展，將跨課時和跨主題的概念碎片有機整合，發展了“遠遷移”能力，達成T8；問題②的解決需要提取“光合與呼吸是生命必需的生理活動、這些生理活動受外界條件影響”等多種信息的關聯性，提煉“如何保障光合與呼吸的正常進行，并最大可能增進光合的產出和抑制呼吸的消耗”，這個過程運用了遠遷移能力，達成T9，遠遷移的訓練是進一步達成創新能力的臺階。

綜上所述，學生思考和解決問題能力的獲得，源于深度學習的真正發生。通過學科思維能力進階推動教學，能促進知識從內涵理解到遷移運用，最終達成知識內化為素養。