深度學(xué)習(xí)視域下的高中生物學(xué)教學(xué)

在深度學(xué)習(xí)視域下，基于學(xué)生已經(jīng)掌握的有關(guān)植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能開展高中生物學(xué)必修1第5章的最后一節(jié)“光合作用與能量轉(zhuǎn)化”，是提升學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的重要教學(xué)實(shí)踐之一，開闊學(xué)生對(duì)植物葉綠體的深入探究和植物光合作用的發(fā)現(xiàn)及研究歷史、過程及原理的知識(shí)視野，綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)、問題情境創(chuàng)設(shè)、小組討論探究等多重教學(xué)設(shè)計(jì)，突破學(xué)習(xí)的重難點(diǎn)，奠定后續(xù)生物學(xué)學(xué)習(xí)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

一、由淺入深，回顧舊學(xué)，引入課堂新知

在本節(jié)的課程教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師采用舊學(xué)引入新課再創(chuàng)設(shè)問題情境的教學(xué)方式來提升學(xué)生的課堂專注度以及領(lǐng)悟本節(jié)課程學(xué)習(xí)的重難點(diǎn)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)探究深度剖析有關(guān)葉綠體的知識(shí)體系，借此為光合作用主因素的深入研究做鋪墊，教學(xué)過程中進(jìn)一步助推了光合作用與能量轉(zhuǎn)化的深度學(xué)習(xí)和全方位理解。

（一）情境引導(dǎo)

教師活動(dòng)：引導(dǎo)學(xué)生分配角色。

學(xué)生活動(dòng)：根據(jù)自己選擇的角色，進(jìn)行角色扮演，以生動(dòng)的方式展現(xiàn)光合作用的過程。

（二）基于情境引導(dǎo)，開展教學(xué)任務(wù)

●任務(wù)一：水棉、好氧細(xì)菌實(shí)驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)記錄

教師：今天大家將通過水綿和好氧細(xì)菌來觀察光合作用過程中氧氣的產(chǎn)生。

水綿：有誰能告訴我，為什么我和好氧細(xì)菌成為這次實(shí)驗(yàn)的主角？

好氧細(xì)菌：你的葉綠體結(jié)構(gòu)呈螺旋式帶狀，方便觀察，而我會(huì)聚集在氧氣產(chǎn)生的地方。

水綿：接下來，我會(huì)接受極細(xì)光束的照射，大家可以通過顯微鏡觀察好氧細(xì)菌在我體內(nèi)的分布情況。

好氧細(xì)菌：我只聚集在你被光束照射到的葉綠體部位附近，當(dāng)整個(gè)裝片暴露在陽光下時(shí)，我會(huì)分布在所有受光的葉綠體周圍。

教師：這個(gè)現(xiàn)象說明了什么呢？

好氧細(xì)菌：這說明葉綠體是光合作用發(fā)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(jié)構(gòu)和功能圖示

（1）分工合作：小組成員根據(jù)個(gè)人特長(zhǎng)分工，如繪圖、資料搜集、文字標(biāo)注等。

（2）資料搜集：每組根據(jù)教材或提供的資料，搜集關(guān)于葉綠體結(jié)構(gòu)的信息。

（3）繪制結(jié)構(gòu)圖：繪圖時(shí)，可以使用不同顏色或圖案來區(qū)分葉綠體的不同部分。

（4）標(biāo)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(biāo)注葉綠體的功能（見圖1）。

●任務(wù)二：綠葉中色素的提取和分離實(shí)驗(yàn)

1.回歸教材，關(guān)注實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

色素：我藏身于細(xì)胞之內(nèi)，需要破壞細(xì)胞壁才能將我釋放。

教師：為什么需要將綠葉剪成碎片呢？

學(xué)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(xì)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(xué)們，在用紙層析法分離色素時(shí)，為什么要將濾紙條的一端剪去兩角呢？

學(xué)生：這樣做是為了防止出現(xiàn)弧形帶，保證色素在濾紙上均勻擴(kuò)散。

教師：接下來將濾液用毛細(xì)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(xì)線在層析液之上。大家請(qǐng)耐心等待實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.小組合作，開展實(shí)驗(yàn)

教師活動(dòng)：將學(xué)生分成若干小組并向每個(gè)小組介紹實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)。

學(xué)生活動(dòng)：

小組成員開展實(shí)驗(yàn)：（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(xì)線；（8）紙層析色素。

3.教師引導(dǎo)糾偏，小組交流討論

教師引導(dǎo)：及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的問題并進(jìn)行指導(dǎo)。

小組討論：

觀察實(shí)驗(yàn)過程中的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)：（1）色素提取液的顏色；（2）層析過程中色素帶的數(shù)量、位置和顏色；（3）不同色素帶的相對(duì)位置和間距。

4.探究各種色素對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收問題

教師提出：引導(dǎo)學(xué)生思考不同色素對(duì)不同波長(zhǎng)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(zhǎng)有差別，但是都可以用于光合作用。

學(xué)生探究：探究綠葉中四種色素對(duì)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(duì)紅外光和紫外光等不吸收。葉綠素對(duì)紅光和藍(lán)紫光的吸收量大，類胡蘿卜素對(duì)藍(lán)紫光的吸收量大。

二、遞進(jìn)教學(xué)，課堂深入，增強(qiáng)學(xué)習(xí)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(yuǎn)流長(zhǎng)，其起源可追溯至18世紀(jì)。植物、藻類以及某些細(xì)菌通過獨(dú)特的生物機(jī)制——光合作用，巧妙地利用光能將無機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有機(jī)物質(zhì)。這一轉(zhuǎn)換過程不僅為生物體生長(zhǎng)提供了所需的能量和物質(zhì)，還對(duì)地球生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)起到了至關(guān)重要的作用。

教師活動(dòng)：讓學(xué)生觀察普里斯特利的實(shí)驗(yàn)中蠟燭在容器中燃燒的情況，引導(dǎo)學(xué)生分析光合作用的過程以及重要性。

學(xué)生活動(dòng)：扮演科學(xué)家普里斯特利親自體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程。

總結(jié)反思：普里斯特利的發(fā)現(xiàn)改變了人們對(duì)自然界的認(rèn)知，為光合作用的研究開啟了新的篇章。教師還可以帶領(lǐng)學(xué)生探討其他科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)，如表1所示。通過演繹科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)故事，學(xué)生可以了解光合作用的含義和科學(xué)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(xì)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(zhuǎn)化為有機(jī)物并釋放氧氣的過程。

教師活動(dòng)：準(zhǔn)備一個(gè)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(zhǔn)備兩個(gè)氣球，一個(gè)代表水分子，另一個(gè)代表二氧化碳分子。準(zhǔn)備一個(gè)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(xué)生活動(dòng)：學(xué)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(xué)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(jìn)入。學(xué)生D模擬氧氣釋放，將代表氧氣的氣球拿出容器并放飛。學(xué)生E將塑料袋移動(dòng)到另一個(gè)容器中，代表葉綠體的基質(zhì)，開始暗反應(yīng)的模擬。學(xué)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(xué)生通過角色扮演和模擬實(shí)驗(yàn)直觀地體驗(yàn)了光反應(yīng)和暗反應(yīng)的不同階段以及它們之間的聯(lián)系（見圖2）。這種教學(xué)方式有效地提高了學(xué)生的參與感和學(xué)習(xí)興趣，幫助他們更好地掌握了光合作用的知識(shí)。

（三）光合速率及其影響因素

光合速率是指單位時(shí)間內(nèi)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(biāo)，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(lǐng)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)定不同條件下植物的光合速率，并分析各因素對(duì)光合速率的影響。

1.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）選擇幾種常見的植物（如大豆、小麥等）作為實(shí)驗(yàn)材料。

（2）準(zhǔn)備不同光照強(qiáng)度的光源（如LED燈帶）、可調(diào)節(jié)二氧化碳濃度的裝置、溫控箱和水培裝置。

2.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將植物分為若干組，每組植物在相同的環(huán)境條件下生長(zhǎng)，以保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

（2）分別在不同的光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、溫度和水分條件下，測(cè)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(shù)據(jù)。

3.實(shí)驗(yàn)操作

（1）控制光照強(qiáng)度：使用不同數(shù)量的LED燈帶來控制光照強(qiáng)度，分別為低、中、高三個(gè)強(qiáng)度。

（2）控制二氧化碳濃度：使用二氧化碳發(fā)生器將實(shí)驗(yàn)環(huán)境中二氧化碳的濃度調(diào)節(jié)為低、中、高三個(gè)濃度。

（3）控制溫度：使用溫控箱來設(shè)置18℃、25℃、30℃等不同的溫度。

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

4.課堂討論

（1）讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)討論哪些環(huán)境因素對(duì)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(yīng)這些變化。

通過這樣的教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生能夠通過實(shí)際操作和數(shù)據(jù)分析理解光合速率的概念以及環(huán)境因素對(duì)光合作用效率的影響。

（四）光合作用和呼吸作用的關(guān)系、化能合成作用

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

教師引導(dǎo)學(xué)生在生物學(xué)課堂上探討光合作用、呼吸作用的關(guān)系以及化能合成作用并探討它們?cè)谀芰哭D(zhuǎn)化和物質(zhì)循環(huán)中的作用。

教師活動(dòng)：展示光合作用、呼吸作用和化能合成作用示意圖，讓學(xué)生觀察這三個(gè)過程在物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)換上的差異。分析這三個(gè)過程在植物生長(zhǎng)過程中的相互關(guān)系。

學(xué)生活動(dòng)：討論這三個(gè)過程在能量轉(zhuǎn)化和物質(zhì)循環(huán)中的作用以及如何共同維持植物的生命活動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置：

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：觀察植物在不同光照強(qiáng)度下的光合速率和呼吸速率。準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所需的儀器和材料，如光合儀、呼吸儀、植物樣本等。

2.實(shí)驗(yàn)操作：在不同光照強(qiáng)度下，測(cè)定植物的光合速率和呼吸速率。記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并分析這三個(gè)過程的關(guān)系。

3.結(jié)果分析：總的來說，這三個(gè)過程相互依賴，共同構(gòu)成了生物體的能量和物質(zhì)循環(huán)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(jìn)行，而化能合成作用則在某些微生物中起主要作用。

通過實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)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(gè)過程在能量轉(zhuǎn)化和物質(zhì)循環(huán)中的作用。

三、細(xì)描理論，生活拓展，完善知識(shí)應(yīng)用

光合作用不僅是植物生命活動(dòng)的物質(zhì)來源，還在醫(yī)藥、能源、食品、環(huán)保和材料領(lǐng)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(yīng)用，學(xué)生能夠更加自如地運(yùn)用這一知識(shí)，為人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

（一）食物鏈和食物網(wǎng)

光合作用是海洋生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ)，海洋中的浮游植物支撐著整個(gè)食物鏈，通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，合成有機(jī)物，能量通過捕食關(guān)系在食物網(wǎng)中傳遞，維持了海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。

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

活動(dòng)設(shè)置1

教師活動(dòng)：引導(dǎo)學(xué)生討論人類活動(dòng)對(duì)海洋浮游植物生存的影響，并提出保護(hù)措施。

學(xué)生活動(dòng)：扮演科學(xué)家、政策制定者、漁民等不同角色，討論如何協(xié)調(diào)人類活動(dòng)與海洋生態(tài)保護(hù)的關(guān)系。

活動(dòng)設(shè)置2

實(shí)地考察：組織學(xué)生到海邊或海洋公園親身感受海洋生態(tài)系統(tǒng)的魅力，實(shí)地考察并記錄浮游植物的生長(zhǎng)情況，理解海洋生態(tài)系統(tǒng)中的相互關(guān)系。

活動(dòng)設(shè)置3

在課堂上展示學(xué)生制作的海報(bào)，進(jìn)行交流和分享。

海報(bào)制作：小組成員共同設(shè)計(jì)海報(bào)的布局、色彩搭配和圖文內(nèi)容，根據(jù)設(shè)計(jì)稿分工：撰寫文字、繪制插圖、剪貼素材。

展覽展示：海報(bào)應(yīng)展示海洋浮游植物如何通過光合作用為海洋生態(tài)系統(tǒng)提供能量，強(qiáng)調(diào)保護(hù)海洋生態(tài)的意義，有助于學(xué)生更直觀地理解海洋生態(tài)系統(tǒng)中生物與環(huán)境之間的相互作用。

教學(xué)總結(jié)：

在本課中，學(xué)生可以深刻地了解到海洋浮游植物在維持海洋生態(tài)系統(tǒng)方面所扮演的角色，在實(shí)踐與觀測(cè)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索與環(huán)境保護(hù)的意識(shí)，了解人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境造成的影響，并探討相應(yīng)的保護(hù)對(duì)策。

（二）人類農(nóng)業(yè)建設(shè)相關(guān)的生活和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)

光合作用是農(nóng)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的基礎(chǔ)，對(duì)人類農(nóng)業(yè)建設(shè)以及相關(guān)的生活和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)具有深遠(yuǎn)的影響。植物通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，合成有機(jī)物質(zhì)，不僅為自身提供能量和物質(zhì)，還為人類和動(dòng)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(zhuǎn)化為葡萄糖和氧氣。這一過程對(duì)農(nóng)業(yè)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)具有極其重要的意義。

教師活動(dòng)：講解光合作用在谷類作物生長(zhǎng)過程中的作用。教師可以組織學(xué)生到農(nóng)田對(duì)谷類作物的生長(zhǎng)狀況進(jìn)行實(shí)地觀察或者去植物實(shí)驗(yàn)室觀察光合作用過程中葡萄糖和氧氣的產(chǎn)生。

學(xué)生活動(dòng)：分組討論光合作用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用。

教學(xué)總結(jié)：

學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)和觀察可以深入理解谷物類作物通過光合作用產(chǎn)生葡萄糖和氧氣的過程，認(rèn)識(shí)到光合作用不僅是自然界的反應(yīng)過程，還對(duì)人類的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。

四、總結(jié)

深度學(xué)習(xí)要從學(xué)科特點(diǎn)出發(fā)，教師應(yīng)結(jié)合學(xué)生認(rèn)知基礎(chǔ)、興趣愛好和實(shí)際學(xué)習(xí)需要，遵循教育規(guī)律，由淺入深、循序漸進(jìn)地進(jìn)行教學(xué)。教師要發(fā)揮主導(dǎo)者、組織者的作用，系統(tǒng)梳理并全面審視課堂中的邏輯關(guān)系，不斷深化教學(xué)內(nèi)容，彰顯生物學(xué)學(xué)科價(jià)值，讓教學(xué)目標(biāo)在漸進(jìn)式的學(xué)習(xí)中實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

（作者單位：廣東省珠海市第一中學(xué)）

編輯：趙文靜