深度學習視域下的高中生物學教學

在深度學習視域下，基于學生已經掌握的有關植物細胞的結構和功能開展高中生物學必修1第5章的最后一節“光合作用與能量轉化”，是提升學生生物學核心素養的重要教學實踐之一，開闊學生對植物葉綠體的深入探究和植物光合作用的發現及研究歷史、過程及原理的知識視野，綜合實驗教學、問題情境創設、小組討論探究等多重教學設計，突破學習的重難點，奠定后續生物學學習的堅實基礎。

一、由淺入深，回顧舊學，引入課堂新知

在本節的課程教學設計中，教師采用舊學引入新課再創設問題情境的教學方式來提升學生的課堂專注度以及領悟本節課程學習的重難點。經過實驗探究深度剖析有關葉綠體的知識體系，借此為光合作用主因素的深入研究做鋪墊，教學過程中進一步助推了光合作用與能量轉化的深度學習和全方位理解。

（一）情境引導

教師活動：引導學生分配角色。

學生活動：根據自己選擇的角色，進行角色扮演，以生動的方式展現光合作用的過程。

（二）基于情境引導，開展教學任務

●任務一：水棉、好氧細菌實驗

1.實驗記錄

教師：今天大家將通過水綿和好氧細菌來觀察光合作用過程中氧氣的產生。

水綿：有誰能告訴我，為什么我和好氧細菌成為這次實驗的主角？

好氧細菌：你的葉綠體結構呈螺旋式帶狀，方便觀察，而我會聚集在氧氣產生的地方。

水綿：接下來，我會接受極細光束的照射，大家可以通過顯微鏡觀察好氧細菌在我體內的分布情況。

好氧細菌：我只聚集在你被光束照射到的葉綠體部位附近，當整個裝片暴露在陽光下時，我會分布在所有受光的葉綠體周圍。

教師：這個現象說明了什么呢？

好氧細菌：這說明葉綠體是光合作用發生的地方，氧氣是由葉綠體釋放出來的。

2.小組合作，繪制葉綠體的結構和功能圖示

（1）分工合作：小組成員根據個人特長分工，如繪圖、資料搜集、文字標注等。

（2）資料搜集：每組根據教材或提供的資料，搜集關于葉綠體結構的信息。

（3）繪制結構圖：繪圖時，可以使用不同顏色或圖案來區分葉綠體的不同部分。

（4）標注功能：小組成員討論葉綠體的功能并在圖示旁邊用文字或箭頭標注葉綠體的功能（見圖1）。

●任務二：綠葉中色素的提取和分離實驗

1.回歸教材，關注實驗注意事項

色素：我藏身于細胞之內，需要破壞細胞壁才能將我釋放。

教師：為什么需要將綠葉剪成碎片呢？

學生：這樣可以通過增大接觸面積來研磨充分，讓色素更容易釋放。

教師：為什么要向剪碎的綠葉中加入二氧化硅、碳酸鈣和無水乙醇呢？

二氧化硅：我可以讓綠葉的細胞更容易破碎。

碳酸鈣：我是為了防止色素在研磨過程中被破壞。

無水乙醇：我很適合溶解并提取色素。

教師：同學們，在用紙層析法分離色素時，為什么要將濾紙條的一端剪去兩角呢？

學生：這樣做是為了防止出現弧形帶，保證色素在濾紙上均勻擴散。

教師：接下來將濾液用毛細吸管沿著濾紙條底部畫線，確保濾紙條插入層析液中并保持濾液細線在層析液之上。大家請耐心等待實驗結果。

2.小組合作，開展實驗

教師活動：將學生分成若干小組并向每個小組介紹實驗步驟和注意事項。

學生活動：

小組成員開展實驗：（1）取綠葉；（2）剪碎；（3）加二氧化硅、碳酸鈣、無水乙醇；（4）充分地研磨；（5）收集濾液；（6）制備濾紙條；（7）畫濾液細線；（8）紙層析色素。

3.教師引導糾偏，小組交流討論

教師引導：及時發現學生實驗操作的問題并進行指導。

小組討論：

觀察實驗過程中的現象和數據：（1）色素提取液的顏色；（2）層析過程中色素帶的數量、位置和顏色；（3）不同色素帶的相對位置和間距。

4.探究各種色素對不同波長光的吸收問題

教師提出：引導學生思考不同色素對不同波長光的吸收情況。需要注意的是，綠葉中的四種色素吸收的光波長有差別，但是都可以用于光合作用。

學生探究：探究綠葉中四種色素對可見光的吸收特性。一般情況下，葉綠體中的色素只吸收可見光，而對紅外光和紫外光等不吸收。葉綠素對紅光和藍紫光的吸收量大，類胡蘿卜素對藍紫光的吸收量大。

二、遞進教學，課堂深入，增強學習力度

（一）光合作用的含義和探究歷程

光合作用的探究歷程源遠流長，其起源可追溯至18世紀。植物、藻類以及某些細菌通過獨特的生物機制——光合作用，巧妙地利用光能將無機物質轉化為有機物質。這一轉換過程不僅為生物體生長提供了所需的能量和物質，還對地球生態系統的物質循環和能量流動起到了至關重要的作用。

教師活動：讓學生觀察普里斯特利的實驗中蠟燭在容器中燃燒的情況，引導學生分析光合作用的過程以及重要性。

學生活動：扮演科學家普里斯特利親自體驗實驗過程。

總結反思：普里斯特利的發現改變了人們對自然界的認知，為光合作用的研究開啟了新的篇章。教師還可以帶領學生探討其他科學家的實驗，如表1所示。通過演繹科學家的實驗故事，學生可以了解光合作用的含義和科學家的探究過程。

（二）光合作用的過程和原理

光合作用是綠色植物、藻類和某些細菌在光照條件下，利用葉綠體中的葉綠素等光合色素將二氧化碳和水轉化為有機物并釋放氧氣的過程。

教師活動：準備一個透明的玻璃容器，代表葉綠體，并在其中加入一些模擬光合色素的液體。準備兩個氣球，一個代表水分子，另一個代表二氧化碳分子。準備一個透明的塑料袋，代表類囊體膜，以及一些小紙片，代表ATP和NADPH。

學生活動：學生A扮演“光能”，用手電筒照射裝有模擬光合色素的玻璃容器。學生B和C分別將代表H2O和CO2的氣球放入容器中，模擬水分子和二氧化碳分子的進入。學生D模擬氧氣釋放，將代表氧氣的氣球拿出容器并放飛。學生E將塑料袋移動到另一個容器中，代表葉綠體的基質，開始暗反應的模擬。學生F使用小紙片模擬糖類的生成，并將它們堆放在容器中。

學生通過角色扮演和模擬實驗直觀地體驗了光反應和暗反應的不同階段以及它們之間的聯系（見圖2）。這種教學方式有效地提高了學生的參與感和學習興趣，幫助他們更好地掌握了光合作用的知識。

（三）光合速率及其影響因素

光合速率是指單位時間內植物通過光合作用固定二氧化碳的量或釋放的氧氣量，通常用摩爾每平方米每秒來表示。它是衡量植物光合作用效率的重要指標，受到多種因素的影響。

為了更好地理解光合速率及其影響因素，教師可以帶領學生通過實驗來測定不同條件下植物的光合速率，并分析各因素對光合速率的影響。

1.實驗準備

（1）選擇幾種常見的植物（如大豆、小麥等）作為實驗材料。

（2）準備不同光照強度的光源（如LED燈帶）、可調節二氧化碳濃度的裝置、溫控箱和水培裝置。

2.實驗步驟

（1）將植物分為若干組，每組植物在相同的環境條件下生長，以保證實驗的準確性。

（2）分別在不同的光照強度、二氧化碳濃度、溫度和水分條件下，測定每組植物的光合速率。

（3）記錄每組植物在不同條件下的光合速率數據。

3.實驗操作

（1）控制光照強度：使用不同數量的LED燈帶來控制光照強度，分別為低、中、高三個強度。

（2）控制二氧化碳濃度：使用二氧化碳發生器將實驗環境中二氧化碳的濃度調節為低、中、高三個濃度。

（3）控制溫度：使用溫控箱來設置18℃、25℃、30℃等不同的溫度。

（4）控制水分：調整水培溶液的量來控制植物的水分供應，分為適量和缺水兩個量。

4.課堂討論

（1）讓學生根據實驗數據討論哪些環境因素對光合速率有顯著影響。

（2）探討這些因素如何影響光合速率以及植物如何適應這些變化。

通過這樣的教學活動，學生能夠通過實際操作和數據分析理解光合速率的概念以及環境因素對光合作用效率的影響。

（四）光合作用和呼吸作用的關系、化能合成作用

光合作用和呼吸作用是有機體中兩種重要的能量轉化途徑?；芎铣墒且恍┪⑸飳o機物質氧化后所釋放出的能量轉化為有機物質的一種過程。

教師引導學生在生物學課堂上探討光合作用、呼吸作用的關系以及化能合成作用并探討它們在能量轉化和物質循環中的作用。

教師活動：展示光合作用、呼吸作用和化能合成作用示意圖，讓學生觀察這三個過程在物質和能量轉換上的差異。分析這三個過程在植物生長過程中的相互關系。

學生活動：討論這三個過程在能量轉化和物質循環中的作用以及如何共同維持植物的生命活動。

實驗設置：

1.實驗設計：觀察植物在不同光照強度下的光合速率和呼吸速率。準備實驗所需的儀器和材料，如光合儀、呼吸儀、植物樣本等。

2.實驗操作：在不同光照強度下，測定植物的光合速率和呼吸速率。記錄實驗數據，并分析這三個過程的關系。

3.結果分析：總的來說，這三個過程相互依賴，共同構成了生物體的能量和物質循環體系。光合作用和呼吸作用主要在植物和其他光合生物中進行，而化能合成作用則在某些微生物中起主要作用。

通過實驗探究，學生不僅能夠理解光合作用、呼吸作用和化能合成作用的異同，還有助于深入理解和掌握這三個過程在能量轉化和物質循環中的作用。

三、細描理論，生活拓展，完善知識應用

光合作用不僅是植物生命活動的物質來源，還在醫藥、能源、食品、環保和材料領域扮演著舉足輕重的角色。通過深入理解光合作用的理論，拓寬其在生活中的應用，學生能夠更加自如地運用這一知識，為人類社會的可持續發展貢獻力量。

（一）食物鏈和食物網

光合作用是海洋生態系統能量流動和物質循環的基礎，海洋中的浮游植物支撐著整個食物鏈，通過光合作用將太陽能轉化為化學能，合成有機物，能量通過捕食關系在食物網中傳遞，維持了海洋生態系統的結構和功能。

硅藻和鈣藻通過光合作用將太陽能轉化為化學能，并將無機物（如二氧化碳和水）轉化為有機物，從而為海洋生物提供了食物來源，同時釋放出氧氣。

活動設置1

教師活動：引導學生討論人類活動對海洋浮游植物生存的影響，并提出保護措施。

學生活動：扮演科學家、政策制定者、漁民等不同角色，討論如何協調人類活動與海洋生態保護的關系。

活動設置2

實地考察：組織學生到海邊或海洋公園親身感受海洋生態系統的魅力，實地考察并記錄浮游植物的生長情況，理解海洋生態系統中的相互關系。

活動設置3

在課堂上展示學生制作的海報，進行交流和分享。

海報制作：小組成員共同設計海報的布局、色彩搭配和圖文內容，根據設計稿分工：撰寫文字、繪制插圖、剪貼素材。

展覽展示：海報應展示海洋浮游植物如何通過光合作用為海洋生態系統提供能量，強調保護海洋生態的意義，有助于學生更直觀地理解海洋生態系統中生物與環境之間的相互作用。

教學總結：

在本課中，學生可以深刻地了解到海洋浮游植物在維持海洋生態系統方面所扮演的角色，在實踐與觀測中培養學生科學探索與環境保護的意識，了解人類活動對環境造成的影響，并探討相應的保護對策。

（二）人類農業建設相關的生活和經濟活動

光合作用是農作物生長和產量的基礎，對人類農業建設以及相關的生活和經濟活動具有深遠的影響。植物通過光合作用將太陽能轉化為化學能，合成有機物質，不僅為自身提供能量和物質，還為人類和動物提供食物來源。

谷物類作物如小麥、玉米、稻米等，通過光合作用將二氧化碳和水轉化為葡萄糖和氧氣。這一過程對農業建設和經濟活動具有極其重要的意義。

教師活動：講解光合作用在谷類作物生長過程中的作用。教師可以組織學生到農田對谷類作物的生長狀況進行實地觀察或者去植物實驗室觀察光合作用過程中葡萄糖和氧氣的產生。

學生活動：分組討論光合作用在農業生產中的作用。

教學總結：

學生通過實驗和觀察可以深入理解谷物類作物通過光合作用產生葡萄糖和氧氣的過程，認識到光合作用不僅是自然界的反應過程，還對人類的農業生產、經濟發展起著至關重要的作用。

四、總結

深度學習要從學科特點出發，教師應結合學生認知基礎、興趣愛好和實際學習需要，遵循教育規律，由淺入深、循序漸進地進行教學。教師要發揮主導者、組織者的作用，系統梳理并全面審視課堂中的邏輯關系，不斷深化教學內容，彰顯生物學學科價值，讓教學目標在漸進式的學習中實現跨越式發展。

（作者單位：廣東省珠海市第一中學）

編輯：趙文靜