基于深度學習和模型建構的教學設計

楊丹

摘 ? 要：文章以“光合作用原理的應用”為例，引導學生在探究實驗的基礎上，自主構建數學模型，以系列問題為驅動，深入解讀數學模型，并應用理論解決生產實際問題，促進學生的深度學習，落實學科核心素養。

關鍵詞：高中生物；深度學習；模型建構；光合作用原理

《高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》指出，要高度關注生物學科核心素養的達成[ 1 ]。深度學習是指在主動加工、深度理解的基礎上，學習者能夠批判性地學習新知識，并將它們融入原有的認知結構中，經過高水平思維過程，靈活運用所學知識和能力，解決實際問題的一種學習方式[ 2 ]。深度學習的主要特征為以下五個方面：主動的知識建構、學習的內在動機、培養學生批判性思維、強調知識的遷移與應用以及元認知的參與，是有效落實生物學學科核心素養的途徑[ 3 ]。深度學習是淺層學習的深化和提高[ 4 ] 。隨著素質教育改革、學科核心素養的提出，深度學習理論在科學教育中受到廣發關注。

基于深度學習的理念，筆者嘗試在“光合作用原理的應用”這一節的課堂教學中引入建構數學模型這種重要的研究方法[ 5 ]。以加強知識之間的聯系、比較、歸納和總結，形成批判思維、知識遷移等多項關鍵能力，進而由以知識積累為主的簡單學習過渡到思維品質培養的深度學習，提升學生科學思維、科學探究和社會責任的學科核心素養[ 6 ]。

1 ?教材分析與設計思路

“光合作用原理的應用”是新人教版必修1第5章第4節的內容，屬于《普通高中生物學課程標準》模塊1“分子與細胞”中大概念 2“細胞的生存需要能量和營養物質，并通過分裂實現增殖”的下位概念。學生在第5章第3節學習了有氧呼吸和無氧呼吸以及在生活中的應用，通過第五章第4節第一、二課時掌握了光合作用光反應、暗反應的過程，光合作用所需要的原料。因此可以將光合作用原理和細胞呼吸原理聯系起來，通過創設具體的問題情境，培養學生的知識運用和遷移能力，解決生產實際問題，提升社會責任意識。學生首先透徹領悟環境因素對光合作用強度的影響，才能應用理論解決生產實際問題，所以探究不同環境因素對光合作用的影響是本節的重點、難點內容。高一的學生對抽象概念的理解往往不夠深入透徹，更無法在新的問題情境中靈活運用。為了培養學生運用生物理論知識解決真實問題情境的能力，促進生物學科核心素養的落地，筆者將通過構建模型，利用問題串的形式，引導學生自主思考和探究，訓練探究能力和科學思維，落實核心素養。

2 ?教學過程

2.1 ?引入課題

【視頻播放】 ? 播放“植物智慧工廠”視頻，提出問題：根據光合作用的反應方程式，分析哪些因素可以影響光合作用強度？在植物工廠中，為使植物的長勢更好，需要人為控制哪些外界環境因素？學生思考討論，得出影響光合作用強度的內部因素有色素種類、含量和酶的含量；外界環境因素有光照強度、CO2濃度、溫度，水分含量。具體的調控水平需要借助于實驗進行探究。

【設計意圖】 ? 通過化學反應方程式，初步推測影響植物生長的環境因素，從而引出本節課的探究思路和目的，激發學生的興趣，培育學生的生命觀念。

2.2 ?探究光照強度對光合作用速率的影響

（1）自主設計實驗方案。教師指導學生自主閱讀教材實驗，并用幻燈片展示以下問題：有哪些方法可以設置不同的光照強度？光合速率測定可以采用什么方法？實驗過程中要保證哪些無關變量相同且適宜？學生小組討論展示答案，教師點評，師生共同總結，得出：自變量光照強度可以用不同功率的臺燈，或者同一功率的臺燈距離實驗裝置的不同的距離來設置；單位時間內圓形葉片浮起的數量表示光合速率，也可以用化學傳感器測量單位時間內實驗裝置中氧氣含量的變化來表示；在實驗過程中，光照時間、溫度、圓形葉片的大小、數量要相同。

（2）匯報實驗，建構模型。教師通過視頻播放興趣探究小組成員的完整實驗演示過程，展示探究小組測量的實驗數據，得到在不同的光照強度下，裝置中氧氣含量變化的實驗結果表格。教師引導學生依據表格中的數據，在導學案上繪出O2的釋放量/吸收量與光照強度的關系曲線圖。各小組展示，師生共同總結評價，得到如圖1所示曲線圖。

【設計意圖】 ? 教師引導學生自主設計實驗方法，培養探究能力；興趣探究小組親身經歷實驗探究過程，培養學生動手實踐能力；激發學習興趣，培養學生務實、創新的科學態度。

（3）深入解讀模型，建構概念。教師提出以下問題：

①圖1中，A點、AB段、B點、B點以后光合作用強度（即光合速率）與呼吸速率的大小關系分別是什么？

②光照強度處于光補償點（B點）、光飽和點（D點）時，光合速率和呼吸速率的關系是什么？

③如何表示曲線上某一點的呼吸速率、總光合速率、凈光合速率大小？三者之間的大小關系如何？

④以CO2作為指標，如何表示呼吸速率、總光合速率、凈光合速率？以有機物（CH2O）作為指標如何表示呼吸速率、總光合速率、凈光合速率？

⑤隨著光照強度的增加，光合作用強度的變化趨勢是什么？

⑥C點之前和C點之后，限制光合速率的主要環境因素是什么？

學生分組思考討論，小組展示討論結果，教師評價歸納總結，使學生明確光合速率隨著光照強度，透徹理解光合速率與光照強度的關系，能夠說出凈光合速率、呼吸速率、總光合速率的表示方法以及三者之間的關系。

【設計意圖】 ?通過設置問題串，引發學生自主思考，培養學生利用模型獲取分析信息的能力，科學思維和科學探究能力，落實核心素養。

（4）應用于生產，增強責任。回歸到植物智慧工廠中的問題情境，教師進行提問：

①在陰天應如何提高蔬菜大棚內植物的光合速率？

②光照強度在某一點時（分別選取低于補償點和在補償點的光照強度），如果使一晝夜植物能夠積累有機物，大棚內的光照時間范圍是多少？

③“新疆哈密地區夏季白天較長，晝夜溫差大，盛產哈密瓜、大棗、葡萄等水果，嘗試運用光合作用原理對此做出解釋。

【設計意圖】 ?通過實際農業生產中的事例，將社會責任的培養滲透于高中生物課堂實踐中，引發學生思考和討論，培養學生學以致用和解決問題的能力、落實核心素養中的社會責任。

2.3 ?探究CO2濃度對光合作用強度的影響

（1）自主設計實驗方案。教師利用幻燈片展示實驗材料和用具，提出問題：如何設置不同的CO2濃度？光合速率怎么樣測量？需要控制哪些無關變量？學生小組討論，得出：通過不同濃度的 NaHCO3溶液設置CO2濃度；測量單位時間內小圓形葉片浮起的數量表示光合速率；實驗過程中需要控制光照強度、溫度、小圓葉片的大小、總數量等無關變量，要保證無關變量相同且適宜。

（2）匯報實驗，建構模型。教師通過視頻播放興趣探究小組成員的完整實驗演示過程，展示探究小組測量的實驗數據，得到在不同的CO2濃度下，小圓葉片浮起的數量實驗結果表格。教師指導學生根據表格實驗數據，建構數學模型，在導學案上繪出CO2濃度與該植物葉片光合作用強度的關系曲線圖。各小組展示，師生共同分析評價，得到如圖3所示的曲線圖。

（3）深入解讀模型。教師提出以下問題：

①CO2 濃度的變化影響光合作用的光反應階段還是暗反應階段？

②隨著環境中CO2濃度的增加，短時間內C3、C5以及（CH2O）含量的變化如何？

③隨著環境中CO2濃度的增加，光合速率的變化趨勢是什么？

④B'點之前和之后，限制光合速率的因素有哪些？

（4）聯系實際。回歸到植物智慧工廠中的問題情境，教師進行提問：

①農業生產中“正其行，通其風”的原理是什么？

②“午休”現象的原因是什么？

③蔬菜大棚補充二氧化碳的時機是？

④有哪些補充二氧化碳的方法？

【設計意圖】這一教學過程與探究光照強度對光合速率影響過程類似，通過對實驗結果的分析，鍛煉學生推斷實驗結論的能力，通過建構模型，從具體表象中抽象出本質，能夠有效發展學生的理性思維。

2.4 ?總結歸納，拓展提升

教師首先展示課堂小結，展示本節課需要理解記憶的基礎知識，總結歸納出影響光合速率的內部因素和外部因素。內部因素包括光合色素和酶。外部因素有光照強度、溫度和CO2濃度。在一定范圍內，增大光照強度或者溫度或者CO2濃度，可以增強光合速率，增加有機物的積累。在實際農業生產應用中，可以適度增加光照強度、CO2濃度或溫度，提高植物的光合速率，增加有機物的積累，實現農業增產增收的目的。

3 ?教學反思

建構模型方法是理性思維發展的重要形式。本節課教師以“智慧工廠”情境導入，提出探究“環境因素對光合速率影響”這一主題。通過分析“生物興趣小組探究實驗”實驗數據，引導學生自主建構光照強度、CO2濃度與光合作用強度關系的數學曲線模型。設計問題串，深入解讀模型。該過程能夠有效提升學生的圖文轉化能力。通過分析數學模型中隨著自變量的變化，因變量發生的相應變化，學生透徹理解光照強度、CO2濃度等因素對光合作用強度的影響。在此過程中培養了學生理性思維，促進深度學習，基本達成了學科核心素養教學目標。

在學生對“環境因素對光合速率的影響”有了深刻理解的情況下，回歸到農業生產和實際生活，提出在大棚生產中提高農作物產量的措施，激發學生的生命觀念、責任擔當以及社會意識，有效促進了學生的深度學習，發展了科學思維。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版） ［S］.北京： 人民教育出版社，2017：2.

［2］ 吳舉宏.促進深度學習的中學生物學教學策略[J].生物學教學，2017，42（10）：18-20.

［3］ 劉月霞， 郭華. 深度學習： 走向核心素養[M]. 北京： 教育科學出版社， 2018：19-32.

［4］ 楊玉琴，倪娟.促進“深度學習”的教學設計［J］.化學教育，2016，37（ 17）：1-8.

［5］ 李博.數學模型建構在高中生物課堂教學中的創新嘗試——以“光合作用原理的應用”一節為例[J].中學生物學，2019，35（6）：7-8.

［6］ 章丹華. 建構模型，促有效教學［J］.考試周刊，2016（53）：134-135.