基于深度學(xué)習(xí)和模型建構(gòu)的教學(xué)設(shè)計(jì)

楊丹

摘 ? 要：文章以“光合作用原理的應(yīng)用”為例，引導(dǎo)學(xué)生在探究實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，自主構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，以系列問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，深入解讀數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用理論解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：高中生物；深度學(xué)習(xí)；模型建構(gòu)；光合作用原理

《高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出，要高度關(guān)注生物學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成[ 1 ]。深度學(xué)習(xí)是指在主動(dòng)加工、深度理解的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)者能夠批判性地學(xué)習(xí)新知識(shí)，并將它們?nèi)谌朐械恼J(rèn)知結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過(guò)高水平思維過(guò)程，靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和能力，解決實(shí)際問(wèn)題的一種學(xué)習(xí)方式[ 2 ]。深度學(xué)習(xí)的主要特征為以下五個(gè)方面：主動(dòng)的知識(shí)建構(gòu)、學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)機(jī)、培養(yǎng)學(xué)生批判性思維、強(qiáng)調(diào)知識(shí)的遷移與應(yīng)用以及元認(rèn)知的參與，是有效落實(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的途徑[ 3 ]。深度學(xué)習(xí)是淺層學(xué)習(xí)的深化和提高[ 4 ] 。隨著素質(zhì)教育改革、學(xué)科核心素養(yǎng)的提出，深度學(xué)習(xí)理論在科學(xué)教育中受到廣發(fā)關(guān)注。

基于深度學(xué)習(xí)的理念，筆者嘗試在“光合作用原理的應(yīng)用”這一節(jié)的課堂教學(xué)中引入建構(gòu)數(shù)學(xué)模型這種重要的研究方法[ 5 ]。以加強(qiáng)知識(shí)之間的聯(lián)系、比較、歸納和總結(jié)，形成批判思維、知識(shí)遷移等多項(xiàng)關(guān)鍵能力，進(jìn)而由以知識(shí)積累為主的簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)過(guò)渡到思維品質(zhì)培養(yǎng)的深度學(xué)習(xí)，提升學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任的學(xué)科核心素養(yǎng)[ 6 ]。

1 ?教材分析與設(shè)計(jì)思路

“光合作用原理的應(yīng)用”是新人教版必修1第5章第4節(jié)的內(nèi)容，屬于《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》模塊1“分子與細(xì)胞”中大概念 2“細(xì)胞的生存需要能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并通過(guò)分裂實(shí)現(xiàn)增殖”的下位概念。學(xué)生在第5章第3節(jié)學(xué)習(xí)了有氧呼吸和無(wú)氧呼吸以及在生活中的應(yīng)用，通過(guò)第五章第4節(jié)第一、二課時(shí)掌握了光合作用光反應(yīng)、暗反應(yīng)的過(guò)程，光合作用所需要的原料。因此可以將光合作用原理和細(xì)胞呼吸原理聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)創(chuàng)設(shè)具體的問(wèn)題情境，培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)運(yùn)用和遷移能力，解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題，提升社會(huì)責(zé)任意識(shí)。學(xué)生首先透徹領(lǐng)悟環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響，才能應(yīng)用理論解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題，所以探究不同環(huán)境因素對(duì)光合作用的影響是本節(jié)的重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容。高一的學(xué)生對(duì)抽象概念的理解往往不夠深入透徹，更無(wú)法在新的問(wèn)題情境中靈活運(yùn)用。為了培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用生物理論知識(shí)解決真實(shí)問(wèn)題情境的能力，促進(jìn)生物學(xué)科核心素養(yǎng)的落地，筆者將通過(guò)構(gòu)建模型，利用問(wèn)題串的形式，引導(dǎo)學(xué)生自主思考和探究，訓(xùn)練探究能力和科學(xué)思維，落實(shí)核心素養(yǎng)。

2 ?教學(xué)過(guò)程

2.1 ?引入課題

【視頻播放】 ? 播放“植物智慧工廠”視頻，提出問(wèn)題：根據(jù)光合作用的反應(yīng)方程式，分析哪些因素可以影響光合作用強(qiáng)度？在植物工廠中，為使植物的長(zhǎng)勢(shì)更好，需要人為控制哪些外界環(huán)境因素？學(xué)生思考討論，得出影響光合作用強(qiáng)度的內(nèi)部因素有色素種類、含量和酶的含量；外界環(huán)境因素有光照強(qiáng)度、CO2濃度、溫度，水分含量。具體的調(diào)控水平需要借助于實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。

【設(shè)計(jì)意圖】 ? 通過(guò)化學(xué)反應(yīng)方程式，初步推測(cè)影響植物生長(zhǎng)的環(huán)境因素，從而引出本節(jié)課的探究思路和目的，激發(fā)學(xué)生的興趣，培育學(xué)生的生命觀念。

2.2 ?探究光照強(qiáng)度對(duì)光合作用速率的影響

（1）自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。教師指導(dǎo)學(xué)生自主閱讀教材實(shí)驗(yàn)，并用幻燈片展示以下問(wèn)題：有哪些方法可以設(shè)置不同的光照強(qiáng)度？光合速率測(cè)定可以采用什么方法？實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要保證哪些無(wú)關(guān)變量相同且適宜？學(xué)生小組討論展示答案，教師點(diǎn)評(píng)，師生共同總結(jié)，得出：自變量光照強(qiáng)度可以用不同功率的臺(tái)燈，或者同一功率的臺(tái)燈距離實(shí)驗(yàn)裝置的不同的距離來(lái)設(shè)置；單位時(shí)間內(nèi)圓形葉片浮起的數(shù)量表示光合速率，也可以用化學(xué)傳感器測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置中氧氣含量的變化來(lái)表示；在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，光照時(shí)間、溫度、圓形葉片的大小、數(shù)量要相同。

（2）匯報(bào)實(shí)驗(yàn)，建構(gòu)模型。教師通過(guò)視頻播放興趣探究小組成員的完整實(shí)驗(yàn)演示過(guò)程，展示探究小組測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到在不同的光照強(qiáng)度下，裝置中氧氣含量變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表格。教師引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)表格中的數(shù)據(jù)，在導(dǎo)學(xué)案上繪出O2的釋放量/吸收量與光照強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖。各小組展示，師生共同總結(jié)評(píng)價(jià)，得到如圖1所示曲線圖。

【設(shè)計(jì)意圖】 ? 教師引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，培養(yǎng)探究能力；興趣探究小組親身經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力；激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生務(wù)實(shí)、創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度。

（3）深入解讀模型，建構(gòu)概念。教師提出以下問(wèn)題：

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

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

③如何表示曲線上某一點(diǎn)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(guān)系如何？

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

⑤隨著光照強(qiáng)度的增加，光合作用強(qiáng)度的變化趨勢(shì)是什么？

⑥C點(diǎn)之前和C點(diǎn)之后，限制光合速率的主要環(huán)境因素是什么？

學(xué)生分組思考討論，小組展示討論結(jié)果，教師評(píng)價(jià)歸納總結(jié)，使學(xué)生明確光合速率隨著光照強(qiáng)度，透徹理解光合速率與光照強(qiáng)度的關(guān)系，能夠說(shuō)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(guān)系。

【設(shè)計(jì)意圖】 ?通過(guò)設(shè)置問(wèn)題串，引發(fā)學(xué)生自主思考，培養(yǎng)學(xué)生利用模型獲取分析信息的能力，科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，落實(shí)核心素養(yǎng)。

（4）應(yīng)用于生產(chǎn)，增強(qiáng)責(zé)任?；貧w到植物智慧工廠中的問(wèn)題情境，教師進(jìn)行提問(wèn)：

①在陰天應(yīng)如何提高蔬菜大棚內(nèi)植物的光合速率？

②光照強(qiáng)度在某一點(diǎn)時(shí)（分別選取低于補(bǔ)償點(diǎn)和在補(bǔ)償點(diǎn)的光照強(qiáng)度），如果使一晝夜植物能夠積累有機(jī)物，大棚內(nèi)的光照時(shí)間范圍是多少？

③“新疆哈密地區(qū)夏季白天較長(zhǎng)，晝夜溫差大，盛產(chǎn)哈密瓜、大棗、葡萄等水果，嘗試運(yùn)用光合作用原理對(duì)此做出解釋。

【設(shè)計(jì)意圖】 ?通過(guò)實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的事例，將社會(huì)責(zé)任的培養(yǎng)滲透于高中生物課堂實(shí)踐中，引發(fā)學(xué)生思考和討論，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用和解決問(wèn)題的能力、落實(shí)核心素養(yǎng)中的社會(huì)責(zé)任。

2.3 ?探究CO2濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響

（1）自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。教師利用幻燈片展示實(shí)驗(yàn)材料和用具，提出問(wèn)題：如何設(shè)置不同的CO2濃度？光合速率怎么樣測(cè)量？需要控制哪些無(wú)關(guān)變量？學(xué)生小組討論，得出：通過(guò)不同濃度的 NaHCO3溶液設(shè)置CO2濃度；測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)小圓形葉片浮起的數(shù)量表示光合速率；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要控制光照強(qiáng)度、溫度、小圓葉片的大小、總數(shù)量等無(wú)關(guān)變量，要保證無(wú)關(guān)變量相同且適宜。

（2）匯報(bào)實(shí)驗(yàn)，建構(gòu)模型。教師通過(guò)視頻播放興趣探究小組成員的完整實(shí)驗(yàn)演示過(guò)程，展示探究小組測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到在不同的CO2濃度下，小圓葉片浮起的數(shù)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表格。教師指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)表格實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，在導(dǎo)學(xué)案上繪出CO2濃度與該植物葉片光合作用強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖。各小組展示，師生共同分析評(píng)價(jià)，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(wèn)題：

①CO2 濃度的變化影響光合作用的光反應(yīng)階段還是暗反應(yīng)階段？

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

③隨著環(huán)境中CO2濃度的增加，光合速率的變化趨勢(shì)是什么？

④B'點(diǎn)之前和之后，限制光合速率的因素有哪些？

（4）聯(lián)系實(shí)際?；貧w到植物智慧工廠中的問(wèn)題情境，教師進(jìn)行提問(wèn)：

①農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中“正其行，通其風(fēng)”的原理是什么？

②“午休”現(xiàn)象的原因是什么？

③蔬菜大棚補(bǔ)充二氧化碳的時(shí)機(jī)是？

④有哪些補(bǔ)充二氧化碳的方法？

【設(shè)計(jì)意圖】這一教學(xué)過(guò)程與探究光照強(qiáng)度對(duì)光合速率影響過(guò)程類似，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，鍛煉學(xué)生推斷實(shí)驗(yàn)結(jié)論的能力，通過(guò)建構(gòu)模型，從具體表象中抽象出本質(zhì)，能夠有效發(fā)展學(xué)生的理性思維。

2.4 ?總結(jié)歸納，拓展提升

教師首先展示課堂小結(jié)，展示本節(jié)課需要理解記憶的基礎(chǔ)知識(shí)，總結(jié)歸納出影響光合速率的內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素包括光合色素和酶。外部因素有光照強(qiáng)度、溫度和CO2濃度。在一定范圍內(nèi)，增大光照強(qiáng)度或者溫度或者CO2濃度，可以增強(qiáng)光合速率，增加有機(jī)物的積累。在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，可以適度增加光照強(qiáng)度、CO2濃度或溫度，提高植物的光合速率，增加有機(jī)物的積累，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收的目的。

3 ?教學(xué)反思

建構(gòu)模型方法是理性思維發(fā)展的重要形式。本節(jié)課教師以“智慧工廠”情境導(dǎo)入，提出探究“環(huán)境因素對(duì)光合速率影響”這一主題。通過(guò)分析“生物興趣小組探究實(shí)驗(yàn)”實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)光照強(qiáng)度、CO2濃度與光合作用強(qiáng)度關(guān)系的數(shù)學(xué)曲線模型。設(shè)計(jì)問(wèn)題串，深入解讀模型。該過(guò)程能夠有效提升學(xué)生的圖文轉(zhuǎn)化能力。通過(guò)分析數(shù)學(xué)模型中隨著自變量的變化，因變量發(fā)生的相應(yīng)變化，學(xué)生透徹理解光照強(qiáng)度、CO2濃度等因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響。在此過(guò)程中培養(yǎng)了學(xué)生理性思維，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)，基本達(dá)成了學(xué)科核心素養(yǎng)教學(xué)目標(biāo)。

在學(xué)生對(duì)“環(huán)境因素對(duì)光合速率的影響”有了深刻理解的情況下，回歸到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和實(shí)際生活，提出在大棚生產(chǎn)中提高農(nóng)作物產(chǎn)量的措施，激發(fā)學(xué)生的生命觀念、責(zé)任擔(dān)當(dāng)以及社會(huì)意識(shí)，有效促進(jìn)了學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，發(fā)展了科學(xué)思維。

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