系統性目標下的“自然界氧循環和碳循環”的教學設計

徐建剛

(浙江省杭州市富陽區萬市中學 杭州 311406)

1 教材分析與設計思路

“自然界中的氧循環和碳循環”一節屬于浙教版科學八年級下冊第三章《空氣與生命》的內容。空氣中的物質組成、物質性質及這些物質和生命的聯系是本章的教學主線。知識上，本章的核心(重難點)在于“氧氣和二氧化碳”以及“呼吸和光合作用”兩部分。比較之下，本課時內容較淺顯，然而在系統目標上，本章一大理念在于讓學生通過學習，理解到人與環境構成一個系統，該系統是不斷運動和循環的，“系統、循環、平衡、協調”是本章的核心概念。本課時內容恰恰以生態系統物質循環為伏筆，從呼吸和光合作用的氣體交換延伸到整個自然界之中，是落實核心概念建構的有效載體。

因此，本課時的教學要著眼于整章體系，契合進概念圖構建、化學方程式的書寫和計算、實驗設計等素材，契合進光合作用、溫室效應、碳捕捉等素材，突出“系統、循環、平衡、協調”等核心概念。

2 教學目標

基于課程標準并圍繞培養學生的核心素養制訂如下教學目標：

(1) 簡述自然界碳、氧循環的途徑，植物維持碳—氧平衡的作用，溫室效應，二氧化碳捕捉及封存技術等。

(2) 通過小組合作學習，建構概念圖，嘗試書寫化學方程式，設計與評價創新實驗等。

(3) 建構“系統、循環、平衡、協調”等核心概念；理解科學、技術、社會與環境的關系；建立環保、和諧發展的理念。

3 教學過程

3.1 導入提出并揭示主題 出示“生態球”資料，提出問題：“小魚能生活幾月之久，為什么？”學生學習了呼吸和光合作用，對O2和CO2的循環有一定的認識。討論得出： 罐內的二氧化碳和氧氣等物質在不斷地循環，以及一定時期內的平衡。在此基礎上教師提出“系統”“循環”和“平衡”的核心概念。

設計意圖： 基于已有認知，結合情景，揭示出本節學習主題。

3.2 自然界中的氧循環 出示教材中的素材“自然界的氧循環”(圖1)，讓小組合作，讀圖思考： ①大自然中，消耗氧氣的途徑主要有哪些？產生氧氣的途徑主要有哪些？完成圖1中的填空。②我國北方的冬天，許多樹的葉都掉光了，光合作用的能力大大下降，北方的人會有缺氧的感覺嗎？小組討論后匯報交流，教師板書氧循環主要途徑。

圖1 自然界的氧循環

設計意圖： 通過問題思考，建構氧循環途徑的概念圖和自然中的大循環理念，并通過小組合作訓練從文本素材提取信息的能力。

3.3 自然界中的碳循環 回顧呼吸和光合作用，引導揭示出自然界的碳主要以CO2(大氣中)和有機物(生物體內)的形式存在。教師再出示教材中的素材“自然界的碳循環”(圖2)，讓學生小組合作，從圖中獲取信息完善其中的概念圖表。然后小組匯報交流，教師板書碳循環主要途徑。并補充“海水中的CO2、碳酸鹽沉積”。

圖2 自然界的碳循環

設計意圖： 通過小組合作，建構碳循環的知識概念圖。

3.4 自然界碳—氧平衡 比較上述“氧、碳循環”的主要路徑，揭示出植物在維持碳—氧平衡中的地位。

教師出示補充素材：“研究表明，每平方米森林每天可以吸收二氧化碳1.6千克。大氣中每年約有1230億噸的二氧化碳通過光合作用被吸收”。讓學生通過光合作用的方程式，計算1230億噸的二氧化碳被吸收時，能同時產生多少氧氣？當學生完成后，教師給予評價，引導學生理解植樹的重要意義，并出示“中國植樹節”的標志。

設計意圖： 化學計算是本章一大重難點，通過將方程式計算滲透到教學中，強化運用能力，并通過數據的直觀感悟，讓學生明白植樹造林的重要性。

3.5 溫室效應： 碳—氧平衡破壞 讓學生閱讀教材，了解碳—氧平衡破壞而引起溫室效應。小組合作，討論： 溫室效應的利和弊？可以采取哪些措施防治溫室效應的加劇？學生開放性回答后，指導學生基于碳循環的途徑歸納方法，并出示“節能減排、低碳生活”的標志。

教師出示“CH4造成溫室效應”的資料，讓小組交流討論來設計實驗證明CH4具有溫室效應。提示學生實驗設計的要點： 明確實驗目的，依據的實驗原理，注意實驗方案書寫的步驟(①選材；②設置對照；③適宜條件下開展實驗；④觀察記錄表格的設計；⑤預期結果與結論)。

學生小組完成后，匯報交流方案，教師針對圖3所示的方案點評。并進一步讓學生設計評價圖4所示的實驗方案“探究CH4和CO2兩種氣體中誰的溫室效應更強”。

圖3 探究CH4的溫室效應學生方案

圖4 比較CH4和CO2的溫室效應學生方案

設計意圖： 設置問題討論，培養學生科學的辯證思考，設置探究實驗設計與評價，培養實驗創新設計的能力。

3.6 應用提升： CO2的捕捉及封存 出示素材：“二氧化碳的捕捉與封存是實現溫室氣體減排的重要途徑，科學家利用NaOH溶液噴淋“捕捉”空氣中的CO2(圖5)”，讓學生思考解讀： 該方法中發生了哪些化學反應，利用了物質的哪些性質？請寫出相關反應的化學方程式。(限于學生的知識水平，Ca(OH)2和Na2CO3的反應可不作要求。)

圖5 “捕捉”及封存空氣中的CO2

設計意圖： 通過情景強化化學方程式的書寫訓練，并通過素材的解讀，理解到物質性質決定了用途，讓學生了解科學技術與社會的關系。

4 設計思考

科學教材以“主題”建立大章，都有內在的邏輯和系統目標，大章下的每一節都是不可割裂的部分，都有其獨特的地位。教學設計應以下面幾點為指向：

4.1 凸顯教材設置的意圖 本章的主題是“空氣與生命的聯系”。教材設置本節的意圖，是讓學生通過學習建構起“系統、循環、平衡、協調”等核心概念，教學設計應圍繞此意圖去挖掘素材。“建構碳、氧循環概念圖、植物吸收二氧化碳的數據、植樹節標志、節能減排標志、降低空氣中二氧化碳的方法、二氧化碳的捕捉”等素材，都凸顯了教材意圖。

4.2 契合大章知識的重難點 本章中，“化學方程式”和“物質性質和用途”是重難點，盡可能貫穿在后續教學中。本節教學中，讓學生計算光合作用生成氧氣質量；根據“將二氧化碳、氧化鈣、碳酸鈣等物質的性質和用途結合起來”的資料，讓學生書寫化學方程式。這樣有機地將大章重難點契合進來，利于系統性目標達成。

4.3 滲透科學方法的培養 科學方法的養成是科學素養中的一個分目標，“科學實驗設計”是科學方法中的一部分，應貫穿于整個初中教學。本節教學中，設置“證明CH4具有溫室效應”和“比較CH4和CO2的溫室效應強弱”兩個實驗設計，有目的地培養學生的實驗創新的能力，使教學從知識向能力延伸。

4.4 架構以學為中心的學習形式 學為中心的教學理念，追求教師的簡潔引導和學生有意義的自主學習，小組合作是一種有效的教學手段。教學中讓學生自主學習教材、解讀文本、提煉有用信息。在問題的思考中，以小組合作為載體，通過深入交流，綜合加工觀點，從個人上升到集體智慧。使課堂向“簡潔”和“自主”邁進。