系统性目标下的“自然界氧循环和碳循环”的教学设计

徐建刚

(浙江省杭州市富阳区万市中学 杭州 311406)

1 教材分析与设计思路

“自然界中的氧循环和碳循环”一节属于浙教版科学八年级下册第三章《空气与生命》的内容。空气中的物质组成、物质性质及这些物质和生命的联系是本章的教学主线。知识上，本章的核心(重难点)在于“氧气和二氧化碳”以及“呼吸和光合作用”两部分。比较之下，本课时内容较浅显，然而在系统目标上，本章一大理念在于让学生通过学习，理解到人与环境构成一个系统，该系统是不断运动和循环的，“系统、循环、平衡、协调”是本章的核心概念。本课时内容恰恰以生态系统物质循环为伏笔，从呼吸和光合作用的气体交换延伸到整个自然界之中，是落实核心概念建构的有效载体。

因此，本课时的教学要着眼于整章体系，契合进概念图构建、化学方程式的书写和计算、实验设计等素材，契合进光合作用、温室效应、碳捕捉等素材，突出“系统、循环、平衡、协调”等核心概念。

2 教学目标

基于课程标准并围绕培养学生的核心素养制订如下教学目标：

(1) 简述自然界碳、氧循环的途径，植物维持碳—氧平衡的作用，温室效应，二氧化碳捕捉及封存技术等。

(2) 通过小组合作学习，建构概念图，尝试书写化学方程式，设计与评价创新实验等。

(3) 建构“系统、循环、平衡、协调”等核心概念；理解科学、技术、社会与环境的关系；建立环保、和谐发展的理念。

3 教学过程

3.1 导入提出并揭示主题 出示“生态球”资料，提出问题：“小鱼能生活几月之久，为什么？”学生学习了呼吸和光合作用，对O2和CO2的循环有一定的认识。讨论得出： 罐内的二氧化碳和氧气等物质在不断地循环，以及一定时期内的平衡。在此基础上教师提出“系统”“循环”和“平衡”的核心概念。

设计意图： 基于已有认知，结合情景，揭示出本节学习主题。

3.2 自然界中的氧循环 出示教材中的素材“自然界的氧循环”(图1)，让小组合作，读图思考： ①大自然中，消耗氧气的途径主要有哪些？产生氧气的途径主要有哪些？完成图1中的填空。②我国北方的冬天，许多树的叶都掉光了，光合作用的能力大大下降，北方的人会有缺氧的感觉吗？小组讨论后汇报交流，教师板书氧循环主要途径。

图1 自然界的氧循环

设计意图： 通过问题思考，建构氧循环途径的概念图和自然中的大循环理念，并通过小组合作训练从文本素材提取信息的能力。

3.3 自然界中的碳循环 回顾呼吸和光合作用，引导揭示出自然界的碳主要以CO2(大气中)和有机物(生物体内)的形式存在。教师再出示教材中的素材“自然界的碳循环”(图2)，让学生小组合作，从图中获取信息完善其中的概念图表。然后小组汇报交流，教师板书碳循环主要途径。并补充“海水中的CO2、碳酸盐沉积”。

图2 自然界的碳循环

设计意图： 通过小组合作，建构碳循环的知识概念图。

3.4 自然界碳—氧平衡 比较上述“氧、碳循环”的主要路径，揭示出植物在维持碳—氧平衡中的地位。

教师出示补充素材：“研究表明，每平方米森林每天可以吸收二氧化碳1.6千克。大气中每年约有1230亿吨的二氧化碳通过光合作用被吸收”。让学生通过光合作用的方程式，计算1230亿吨的二氧化碳被吸收时，能同时产生多少氧气？当学生完成后，教师给予评价，引导学生理解植树的重要意义，并出示“中国植树节”的标志。

设计意图： 化学计算是本章一大重难点，通过将方程式计算渗透到教学中，强化运用能力，并通过数据的直观感悟，让学生明白植树造林的重要性。

3.5 温室效应： 碳—氧平衡破坏 让学生阅读教材，了解碳—氧平衡破坏而引起温室效应。小组合作，讨论： 温室效应的利和弊？可以采取哪些措施防治温室效应的加剧？学生开放性回答后，指导学生基于碳循环的途径归纳方法，并出示“节能减排、低碳生活”的标志。

教师出示“CH4造成温室效应”的资料，让小组交流讨论来设计实验证明CH4具有温室效应。提示学生实验设计的要点： 明确实验目的，依据的实验原理，注意实验方案书写的步骤(①选材；②设置对照；③适宜条件下开展实验；④观察记录表格的设计；⑤预期结果与结论)。

学生小组完成后，汇报交流方案，教师针对图3所示的方案点评。并进一步让学生设计评价图4所示的实验方案“探究CH4和CO2两种气体中谁的温室效应更强”。

图3 探究CH4的温室效应学生方案

图4 比较CH4和CO2的温室效应学生方案

设计意图： 设置问题讨论，培养学生科学的辩证思考，设置探究实验设计与评价，培养实验创新设计的能力。

3.6 应用提升： CO2的捕捉及封存 出示素材：“二氧化碳的捕捉与封存是实现温室气体减排的重要途径，科学家利用NaOH溶液喷淋“捕捉”空气中的CO2(图5)”，让学生思考解读： 该方法中发生了哪些化学反应，利用了物质的哪些性质？请写出相关反应的化学方程式。(限于学生的知识水平，Ca(OH)2和Na2CO3的反应可不作要求。)

图5 “捕捉”及封存空气中的CO2

设计意图： 通过情景强化化学方程式的书写训练，并通过素材的解读，理解到物质性质决定了用途，让学生了解科学技术与社会的关系。

4 设计思考

科学教材以“主题”建立大章，都有内在的逻辑和系统目标，大章下的每一节都是不可割裂的部分，都有其独特的地位。教学设计应以下面几点为指向：

4.1 凸显教材设置的意图 本章的主题是“空气与生命的联系”。教材设置本节的意图，是让学生通过学习建构起“系统、循环、平衡、协调”等核心概念，教学设计应围绕此意图去挖掘素材。“建构碳、氧循环概念图、植物吸收二氧化碳的数据、植树节标志、节能减排标志、降低空气中二氧化碳的方法、二氧化碳的捕捉”等素材，都凸显了教材意图。

4.2 契合大章知识的重难点 本章中，“化学方程式”和“物质性质和用途”是重难点，尽可能贯穿在后续教学中。本节教学中，让学生计算光合作用生成氧气质量；根据“将二氧化碳、氧化钙、碳酸钙等物质的性质和用途结合起来”的资料，让学生书写化学方程式。这样有机地将大章重难点契合进来，利于系统性目标达成。

4.3 渗透科学方法的培养 科学方法的养成是科学素养中的一个分目标，“科学实验设计”是科学方法中的一部分，应贯穿于整个初中教学。本节教学中，设置“证明CH4具有温室效应”和“比较CH4和CO2的温室效应强弱”两个实验设计，有目的地培养学生的实验创新的能力，使教学从知识向能力延伸。

4.4 架构以学为中心的学习形式 学为中心的教学理念，追求教师的简洁引导和学生有意义的自主学习，小组合作是一种有效的教学手段。教学中让学生自主学习教材、解读文本、提炼有用信息。在问题的思考中，以小组合作为载体，通过深入交流，综合加工观点，从个人上升到集体智慧。使课堂向“简洁”和“自主”迈进。