基于模型建構(gòu)的生物學(xué)概念教學(xué)
——以“綠色植物有助于維持生物圈碳—氧平衡”為例

高 揚(yáng)

(山東省青島市城陽(yáng)第四中學(xué) 山東青島 266109)

《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022 版)》(以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)強(qiáng)調(diào)“發(fā)展科學(xué)思維是培育學(xué)生理性思維、批判質(zhì)疑、勇于探究等科學(xué)精神的重要途徑”。模型建構(gòu)作為發(fā)展科學(xué)思維的重要方法,可以為學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)知識(shí)、解決生物學(xué)問(wèn)題構(gòu)建相應(yīng)的思維框架,并幫助學(xué)生進(jìn)一步揭示生物學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》在“科學(xué)思維”中指出,模型建構(gòu)體現(xiàn)在以經(jīng)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ),對(duì)客觀事物進(jìn)行抽象和概括,進(jìn)而建構(gòu)模型,運(yùn)用模型分析、解釋現(xiàn)象和數(shù)據(jù),描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系及變化過(guò)程。

下文以“綠色植物有助于維持生物圈碳—氧平衡”一節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)為例,探索模型建構(gòu)在生物學(xué)概念教學(xué)中的應(yīng)用。

1 教材分析及設(shè)計(jì)思路

“綠色植物有助于維持生物圈碳—氧平衡”是濟(jì)南版《生物學(xué)·七年級(jí)·上冊(cè)》第二單元第一章第五節(jié)“綠色植物在生物圈中的作用”中的內(nèi)容。通過(guò)前面的學(xué)習(xí),學(xué)生已經(jīng)對(duì)綠色植物光合作用吸收二氧化碳釋放氧氣、呼吸作用分解有機(jī)物釋放二氧化碳有了初步的了解,但對(duì)綠色植物如何維持生物圈中二氧化碳和氧氣含量的相對(duì)穩(wěn)定缺乏深入理解。

本節(jié)課以“生態(tài)瓶”為切入點(diǎn),借助問(wèn)題引導(dǎo)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置,讓學(xué)生監(jiān)測(cè)生態(tài)瓶中二氧化碳和氧氣72 小時(shí)內(nèi)的數(shù)據(jù)變化。學(xué)生經(jīng)過(guò)“推測(cè)—驗(yàn)證”、分析、討論氣體含量變化的原因及趨勢(shì),逐步構(gòu)建并完善“碳—氧平衡”模型。然后由微觀生態(tài)瓶到宏觀生物圈,學(xué)生經(jīng)過(guò)進(jìn)一步論證、深化和應(yīng)用“碳—氧平衡”模型,由此突破“綠色植物有助于維持生物圈中碳—氧平衡”這一重要概念。

2 教學(xué)目標(biāo)

(1)嘗試運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解釋生態(tài)瓶中各種生物處于相對(duì)穩(wěn)定的原因,推測(cè)瓶中氣體含量變化。熟練使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行探究實(shí)踐,基于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)逐步建構(gòu)“碳—氧平衡”模型,并嘗試運(yùn)用模型建構(gòu)的方法分析、解決問(wèn)題,發(fā)展邏輯思維、實(shí)證意識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度。

(2)結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn),通過(guò)小組合作對(duì)真實(shí)事例進(jìn)行分析,進(jìn)一步感悟物質(zhì)與能量觀、生態(tài)與平衡觀等生命觀念。

(3)通過(guò)對(duì)社會(huì)熱點(diǎn)實(shí)例的論證,進(jìn)一步加深綠色植物對(duì)生物圈具有重要作用的理解。認(rèn)同綠色植物有助于維持生物圈中的碳—氧平衡,樹(shù)立環(huán)保意識(shí),提高責(zé)任擔(dān)當(dāng),倡導(dǎo)綠色、低碳生活的價(jià)值觀,踐行“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)文明觀念。

3 教學(xué)過(guò)程

3.1 在“真實(shí)情境”中初步構(gòu)建“碳—氧平衡”模型

教師分組準(zhǔn)備處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的生態(tài)瓶,然后以“生態(tài)瓶”為切入點(diǎn),引導(dǎo)學(xué)生思考下列問(wèn)題:①利用所學(xué)的光合作用、呼吸作用以及生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)解釋,為什么生態(tài)瓶中各種生物及其所占的比例能夠維持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)? ②判斷此生態(tài)瓶中氧氣和二氧化碳的含量變化,并說(shuō)出判斷的依據(jù),初步構(gòu)建“碳—氧平衡”模型。學(xué)生第一次構(gòu)建的“碳—氧平衡”模型如圖1所示。

圖1 第一次構(gòu)建的“碳—氧平衡”模型

設(shè)計(jì)意圖:教師通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境、問(wèn)題引導(dǎo)、對(duì)比分析和大膽推測(cè),激發(fā)學(xué)生的思維,為學(xué)生構(gòu)建“碳—氧平衡”模型做鋪墊。

3.2 在“推測(cè)—驗(yàn)證”中完善“碳—氧平衡”模型

教師引導(dǎo)學(xué)生借助“數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)儀器”對(duì)生態(tài)瓶中的氧氣和二氧化碳含量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)前教師提出引導(dǎo)性問(wèn)題:密閉生態(tài)瓶中氧氣或二氧化碳的含量在24 小時(shí)內(nèi)的變化趨勢(shì)是怎樣的? 并讓學(xué)生帶著問(wèn)題進(jìn)行推測(cè):你認(rèn)為在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)這兩種氣體含量的變化趨勢(shì)應(yīng)該是怎樣的? 接著,教師呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制圖像(圖2),并及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生將此圖像與“生態(tài)平衡”的模型進(jìn)行類比,要求學(xué)生類比“生態(tài)平衡”示意圖嘗試畫(huà)出“碳—氧平衡”示意圖。學(xué)生最終通過(guò)“大膽推測(cè)—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—類比推理”在第一模型建構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行第二次“碳一氧平衡”的模型建構(gòu)。

圖2 同一生態(tài)瓶中氧氣和二氧化碳含量變化趨勢(shì)圖

設(shè)計(jì)意圖:教師引導(dǎo)學(xué)生先經(jīng)歷推測(cè)、再基于探究實(shí)驗(yàn)測(cè)得的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,并要求學(xué)生運(yùn)用模型分析、解釋現(xiàn)象和數(shù)據(jù),發(fā)展學(xué)生獲取數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的能力,使學(xué)生在推測(cè)—驗(yàn)證中進(jìn)一步完善生態(tài)瓶中的“碳—氧平衡”模型。

3.3 在“探究實(shí)踐”中再認(rèn)“碳—氧平衡”模型

教師引導(dǎo)學(xué)生思考:若密閉生態(tài)瓶中氧氣和二氧化碳的含量處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),這種平衡是瓶中哪類生物在起關(guān)鍵作用? 請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行論證。學(xué)生在設(shè)計(jì)以綠色植物為自變量的基礎(chǔ)上,利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的探究實(shí)踐。

探究過(guò)程中,學(xué)生共設(shè)置了四個(gè)生態(tài)瓶,其中一個(gè)生態(tài)瓶中無(wú)綠植,另外三個(gè)生態(tài)瓶中分別裝有綠色植物黑藻、金魚(yú)藻和小球藻。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖,學(xué)生可以清晰地看出:有綠色植物的生態(tài)瓶中的氧氣和二氧化碳的含量在一定的變化范圍內(nèi)波動(dòng),處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),而沒(méi)有綠色植物的一組,氧氣含量一直在減少,二氧化碳含量一直在增加(圖3)。學(xué)生由此得出結(jié)論:綠色植物有助于維持生態(tài)瓶中的碳—氧平衡。

3.4 在“特殊到一般”中深化“碳—氧平衡”模型

教師讓學(xué)生對(duì)比分析生態(tài)瓶和地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)—生物圈中的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)過(guò)程,引導(dǎo)學(xué)生思考:處于“生態(tài)平衡”的生物圈中,氧氣和二氧化碳的含量是否也應(yīng)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)? 教師要求學(xué)生描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系及變化過(guò)程,構(gòu)建出生物圈中的“碳一氧平衡”模式圖(圖4)。

圖4 生物圈中的“碳—氧平衡”模式圖

教師最后以模型為基礎(chǔ),用概括性的語(yǔ)言總結(jié)“碳—氧平衡”的概念:綠色植物進(jìn)行光合作用,消耗大氣中的二氧化碳,產(chǎn)生的氧氣又以氣體的形式進(jìn)入大氣,使生物圈中氧氣和二氧化碳的濃度處于相對(duì)平衡狀態(tài),簡(jiǎn)稱為“碳—氧平衡”。

設(shè)計(jì)意圖:教師由微觀生態(tài)瓶到宏觀生物圈,經(jīng)過(guò)進(jìn)一步論證、深化和應(yīng)用“碳—氧平衡”模型,幫助學(xué)生突破“綠色植物有助于維持生物圈中碳—氧平衡”這一重要概念。在此過(guò)程中,教師讓學(xué)生親歷知識(shí)的形成過(guò)程,使學(xué)生在深刻理解的基礎(chǔ)上完成概念的主動(dòng)建構(gòu)。

3.5 在“社會(huì)議題”中強(qiáng)化“碳—氧平衡”模型

教師首先引導(dǎo)學(xué)生思考:人類哪些活動(dòng)破壞了生物圈中的“碳—氧平衡”? 請(qǐng)結(jié)合構(gòu)建的“碳—氧平衡”模型嘗試分析其中原因。接著,教師播放中國(guó)植樹(shù)造林杰出代表——塞罕壩林場(chǎng)視頻,讓學(xué)生從視覺(jué)和數(shù)字直觀地感受塞罕壩林場(chǎng)一分鐘吸收二氧化碳量和釋放氧氣量,并要求學(xué)生動(dòng)手計(jì)算在每天光照充足10 小時(shí)的前提下,塞罕壩林場(chǎng)每小時(shí)、每天和每年的二氧化碳吸收量與氧氣釋放量。最后,教師結(jié)合“碳中和”示意圖和學(xué)生構(gòu)建的“碳—氧平衡”模型,進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考:作為新時(shí)代青少年,為了建設(shè)美麗中國(guó),我們?cè)谧o(hù)綠、低碳上應(yīng)該做些什么?

設(shè)計(jì)意圖:教師利用當(dāng)下社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題引發(fā)學(xué)生深度思考,結(jié)合生物圈“碳一氧失衡”帶來(lái)的危害和我國(guó)在減碳節(jié)能上做出的各種舉措與貢獻(xiàn),用鮮活的事例和真實(shí)的數(shù)據(jù),讓學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)同綠色植物在維持生物圈中的“碳—氧平衡”方面的重要作用,既深化了學(xué)生對(duì)“碳—氧平衡”概念的理解,又增強(qiáng)了學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課用模型建構(gòu)的方法,引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷“初步構(gòu)建—不斷完善—繼續(xù)深化—學(xué)以致用”的過(guò)程。學(xué)生對(duì)模型構(gòu)建越來(lái)越深刻,認(rèn)知水平也在不斷進(jìn)階,最終學(xué)生對(duì)“綠色植物有助于維持生物圈碳—氧平衡”這一概念進(jìn)行了構(gòu)建和進(jìn)階。在模型建構(gòu)的活動(dòng)設(shè)計(jì)中,教師既關(guān)注學(xué)生的自主學(xué)習(xí),又倡導(dǎo)學(xué)生間的探究性學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí),為學(xué)生科學(xué)思維能力、探究實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。