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

高 揚

(山東省青島市城陽第四中學 山東青島 266109)

《義務教育生物學課程標準(2022 版)》(以下簡稱《課程標準》)強調“發展科學思維是培育學生理性思維、批判質疑、勇于探究等科學精神的重要途徑”。模型建構作為發展科學思維的重要方法,可以為學生學習生物學知識、解決生物學問題構建相應的思維框架,并幫助學生進一步揭示生物學現象的本質和規律。《課程標準》在“科學思維”中指出,模型建構體現在以經驗事實為基礎,對客觀事物進行抽象和概括,進而建構模型,運用模型分析、解釋現象和數據,描述系統的結構、關系及變化過程。

下文以“綠色植物有助于維持生物圈碳—氧平衡”一節的教學設計為例,探索模型建構在生物學概念教學中的應用。

1 教材分析及設計思路

“綠色植物有助于維持生物圈碳—氧平衡”是濟南版《生物學·七年級·上冊》第二單元第一章第五節“綠色植物在生物圈中的作用”中的內容。通過前面的學習,學生已經對綠色植物光合作用吸收二氧化碳釋放氧氣、呼吸作用分解有機物釋放二氧化碳有了初步的了解,但對綠色植物如何維持生物圈中二氧化碳和氧氣含量的相對穩定缺乏深入理解。

本節課以“生態瓶”為切入點,借助問題引導和數字化實驗裝置,讓學生監測生態瓶中二氧化碳和氧氣72 小時內的數據變化。學生經過“推測—驗證”、分析、討論氣體含量變化的原因及趨勢,逐步構建并完善“碳—氧平衡”模型。然后由微觀生態瓶到宏觀生物圈,學生經過進一步論證、深化和應用“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 教學目標

(1)嘗試運用所學知識解釋生態瓶中各種生物處于相對穩定的原因,推測瓶中氣體含量變化。熟練使用數字化實驗儀器進行探究實踐,基于真實的實驗數據逐步建構“碳—氧平衡”模型,并嘗試運用模型建構的方法分析、解決問題,發展邏輯思維、實證意識和嚴謹務實的科學態度。

(2)結合生活經驗,通過小組合作對真實事例進行分析,進一步感悟物質與能量觀、生態與平衡觀等生命觀念。

(3)通過對社會熱點實例的論證,進一步加深綠色植物對生物圈具有重要作用的理解。認同綠色植物有助于維持生物圈中的碳—氧平衡,樹立環保意識,提高責任擔當,倡導綠色、低碳生活的價值觀,踐行“綠水青山就是金山銀山”的生態文明觀念。

3 教學過程

3.1 在“真實情境”中初步構建“碳—氧平衡”模型

教師分組準備處于相對穩定狀態的生態瓶,然后以“生態瓶”為切入點,引導學生思考下列問題:①利用所學的光合作用、呼吸作用以及生態系統相關知識解釋,為什么生態瓶中各種生物及其所占的比例能夠維持在相對穩定的狀態? ②判斷此生態瓶中氧氣和二氧化碳的含量變化,并說出判斷的依據,初步構建“碳—氧平衡”模型。學生第一次構建的“碳—氧平衡”模型如圖1所示。

圖1 第一次構建的“碳—氧平衡”模型

設計意圖:教師通過創設情境、問題引導、對比分析和大膽推測,激發學生的思維,為學生構建“碳—氧平衡”模型做鋪墊。

3.2 在“推測—驗證”中完善“碳—氧平衡”模型

教師引導學生借助“數字化探究實驗儀器”對生態瓶中的氧氣和二氧化碳含量進行連續監測。監測前教師提出引導性問題:密閉生態瓶中氧氣或二氧化碳的含量在24 小時內的變化趨勢是怎樣的? 并讓學生帶著問題進行推測:你認為在更長的時間內這兩種氣體含量的變化趨勢應該是怎樣的? 接著,教師呈現實驗數據,結合實驗數據繪制圖像(圖2),并及時引導學生將此圖像與“生態平衡”的模型進行類比,要求學生類比“生態平衡”示意圖嘗試畫出“碳—氧平衡”示意圖。學生最終通過“大膽推測—實驗驗證—類比推理”在第一模型建構的基礎上進行第二次“碳一氧平衡”的模型建構。

圖2 同一生態瓶中氧氣和二氧化碳含量變化趨勢圖

設計意圖:教師引導學生先經歷推測、再基于探究實驗測得的真實數據進行驗證,并要求學生運用模型分析、解釋現象和數據,發展學生獲取數據、分析數據和評價數據的能力,使學生在推測—驗證中進一步完善生態瓶中的“碳—氧平衡”模型。

3.3 在“探究實踐”中再認“碳—氧平衡”模型

教師引導學生思考:若密閉生態瓶中氧氣和二氧化碳的含量處于動態平衡狀態,這種平衡是瓶中哪類生物在起關鍵作用? 請設計實驗進行論證。學生在設計以綠色植物為自變量的基礎上,利用數字化實驗設備進行進一步的探究實踐。

探究過程中,學生共設置了四個生態瓶,其中一個生態瓶中無綠植,另外三個生態瓶中分別裝有綠色植物黑藻、金魚藻和小球藻。通過監測數據圖,學生可以清晰地看出:有綠色植物的生態瓶中的氧氣和二氧化碳的含量在一定的變化范圍內波動,處于相對穩定狀態,而沒有綠色植物的一組,氧氣含量一直在減少,二氧化碳含量一直在增加(圖3)。學生由此得出結論:綠色植物有助于維持生態瓶中的碳—氧平衡。

3.4 在“特殊到一般”中深化“碳—氧平衡”模型

教師讓學生對比分析生態瓶和地球上最大的生態系統—生物圈中的能量流動和物質循環過程,引導學生思考:處于“生態平衡”的生物圈中,氧氣和二氧化碳的含量是否也應處于相對穩定狀態? 教師要求學生描述系統的結構、關系及變化過程,構建出生物圈中的“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,用概括性的語言總結“碳—氧平衡”的概念:綠色植物進行光合作用,消耗大氣中的二氧化碳,產生的氧氣又以氣體的形式進入大氣,使生物圈中氧氣和二氧化碳的濃度處于相對平衡狀態,簡稱為“碳—氧平衡”。

設計意圖:教師由微觀生態瓶到宏觀生物圈,經過進一步論證、深化和應用“碳—氧平衡”模型,幫助學生突破“綠色植物有助于維持生物圈中碳—氧平衡”這一重要概念。在此過程中,教師讓學生親歷知識的形成過程,使學生在深刻理解的基礎上完成概念的主動建構。

3.5 在“社會議題”中強化“碳—氧平衡”模型

教師首先引導學生思考:人類哪些活動破壞了生物圈中的“碳—氧平衡”? 請結合構建的“碳—氧平衡”模型嘗試分析其中原因。接著,教師播放中國植樹造林杰出代表——塞罕壩林場視頻,讓學生從視覺和數字直觀地感受塞罕壩林場一分鐘吸收二氧化碳量和釋放氧氣量,并要求學生動手計算在每天光照充足10 小時的前提下,塞罕壩林場每小時、每天和每年的二氧化碳吸收量與氧氣釋放量。最后,教師結合“碳中和”示意圖和學生構建的“碳—氧平衡”模型,進一步引導學生思考:作為新時代青少年,為了建設美麗中國,我們在護綠、低碳上應該做些什么?

設計意圖:教師利用當下社會熱點問題引發學生深度思考,結合生物圈“碳一氧失衡”帶來的危害和我國在減碳節能上做出的各種舉措與貢獻,用鮮活的事例和真實的數據,讓學生進一步認同綠色植物在維持生物圈中的“碳—氧平衡”方面的重要作用,既深化了學生對“碳—氧平衡”概念的理解,又增強了學生的社會責任感。

4 教學反思

本節課用模型建構的方法,引導學生經歷“初步構建—不斷完善—繼續深化—學以致用”的過程。學生對模型構建越來越深刻,認知水平也在不斷進階,最終學生對“綠色植物有助于維持生物圈碳—氧平衡”這一概念進行了構建和進階。在模型建構的活動設計中,教師既關注學生的自主學習,又倡導學生間的探究性學習和合作學習,為學生科學思維能力、探究實踐能力和創新能力的發展創造了有利條件。