基于深度学习理论的“二氧化碳对光合作用的影响”实验拓展

邵绍元

（江苏省南通中学附属实验学校 江苏南通 226010）

“光合作用利用二氧化碳释放氧气”是人教版七年级上册生物学教材第五章“绿色植物与生物圈中的碳-氧平衡”第一节的内容，在“探究二氧化碳是光合作用必需的原料吗？”实验的基础上，开展“二氧化碳对水蕴草光合作用的影响”探究拓展实验，形成“实验是科学探究的基本过程和方法”的生物学核心观念；以议题“可再生能源与节能低碳”为纽带，贯穿议题的阅读、讨论、反思和评价。教师引导学生在科学探究基础上产生真正需要解决的社会性议题，从而使教学指向生物学核心知识、方法和素养，提升学生的高阶思维能力。

1 深度学习理论简述

深度学习是指在教师的引领和活动设计支持下，学生针对具有挑战性的项目化主题，通过主动加工和深度理解的探究性学习，在原有的认知基础上采用分析、归纳、应用、评价和综合等高水平思维，灵活运用所学知识、技能和方法解决社会生活、生产中实际问题，获得发展的、有意义的一种学习方式。深度学习以内在学习需求为动力，以高阶思维的发展和实际问题的解决为目标，以知识的联通与构建为内容，在新的情境中迁移已有的知识和方法，学生不断掌握生物学科的核心概念、把握学科本质和思想方法，形成积极的内在学习动机、高级的社会性情感、积极的态度和正确的价值观，最终形成能够适应终身发展和社会发展的必备品格和关键能力。因此，深度学习是一种高阶思维为主导的学习过程，是一种更接近知识本质和智能内核的学习方式。

2 深度学习理论下的实验拓展

2.1 创设社会化情景，引发探究欲望

教师出示资料，引导学生思考：近代文明与科技发展不但导致化石燃料的大量使用，甚至引发了石油危机。而人类所排放的二氧化碳已经对生物圈的环境造成影响，危及生态系统的平衡以及人类的生存。表1为国际能源署（International Energy Agency，2017）所公布的部分国家2015年的能源消耗统计。通过比较美国、日本与中国等国家对能源的消耗，你能发现什么呢？

表1 2015年部分国家能源消耗比较表

学生分析回答：虽然中国人均耗电量及人均碳排放量低于美国与日本，但中国人均耗电量及人均碳排放量约为世界平均值的1.2倍。学生进一步分析，可知：如果要成为负责任的地球公民，理应责无旁贷地致力于节能减碳和开发绿色能源。

设计意图：图表资料来源于国际能源署，数据真实、可靠，学生能针对数据发表看法，从而建构和谐生态观。教师引导学生分析与讨论，培养学生节能减排的社会责任感和批判思考能力，从而顺利导入科学探究环节。

2.2 组织探究，发展科学探究和科学思维能力

2.2.1 实验材料准备

烧杯（500 mL）2个、试管2支、质量分数为0.4%碳酸氢钠水溶液550 mL、水550 mL（水溶液pH＜9）、漏斗2个、水蕴草6段（各约2 cm长）、实验橡胶手套、10 w白光LED灯泡（规格相同）。

2.2.2 问题引领探究，发展学生思维品质

教师提出问题：①将水蕴草放入碳酸氢钠水溶液中，使水蕴草溶液中的二氧化碳含量增加，从而探究二氧化碳对水蕴草光合作用的影响。此探究中无关变量有哪些？②实验组与对照组数据，为什么要重复测量3次后取平均值？

学生讨论后，得出：此探究中无关变量有水蕴草长度、数量、光照强度、光照时间和温度等。测量时，可能会因各种因素产生误差，如水蕴草液中微小的杂质、气泡数的测量误差等。所以，反复取多次数据后取平均值，可以减少误差对观测数值的影响。

2.2.3 实验操作，记录现象

实验操作过程：①取2个烧杯，分别标上甲、乙，在烧杯中各放入3段2 cm长的水蕴草，并将漏斗倒置罩住水蕴草。②在甲烧杯中加入水，乙烧杯中加入碳酸氢钠水溶液，两杯液面高度需要没过漏斗柄，使漏斗内充满溶液（为了保证水蕴草生长不会明显受酸碱度影响，使用pH计测量碳酸氢钠水溶液的酸碱度，并确保其维持在pH9以下）。③取2支试管，将甲试管装满水，乙试管装满碳酸氢钠水溶液。用拇指压住试管口后，将试管口倒置入烧杯水溶液中，然后移开拇指，在水溶液中将试管套入漏斗柄上。④将甲、乙两烧杯放置于强光下照射3 h。观察水蕴草枝条末端是否有气泡产生，并计数。⑤3 h后，观察并比较甲、乙两试管内气体的量。

2.2.4 讨论与结论

教师提出问题，引导学生思考：①气泡的产生代表什么意义？若有气泡产生，请推论此气泡是什么气体？②引起实验组与对照组数据差异的可能原因是什么？为什么碳酸氢钠溶液提供二氧化碳，就可以在4 h内测得对光合作用的促进效果？③甲、乙两组是否都有气泡产生？哪杯水溶液中的水蕴草气体生成量较多？④由测量实验结果，可以得到什么结论？

学生讨论、分析后，回答：①气泡代表水蕴草进行光合作用；产生的气泡主要为氧气。②因为实验组额外添加的二氧化碳可以给水蕴草提供光合作用的原料，相较对照组，光合作用效率提高，因而产生的氧气气泡增加。光合作用的四大条件为光能、叶绿体、水和二氧化碳。其中，二氧化碳是目前地球环境下光合作用的反应瓶颈，所以，少量增加二氧化碳，可明显提升光合作用效率。③两组都有气泡产生，其中甲组中水蕴草产生的是气泡数较多。学生得出结论：提高环境中的二氧化碳含量，可以促进水蕴草的光合作用速率。

2.2.5 设计意图

水蕴草在pH6.5～7.55的环境中生长状况较好，若pH高于9才会较受到影响。质量分数为0.4%的碳酸氢钠水溶液的pH不超过9。因此其酸碱度不会明显影响结果，该实验中可忽略酸碱度值的变量。在探究中，教师引导学生分析问题、观察记录数据、处理数据，得出结论，使学生形成“光合作用可以减少温室气体二氧化碳”的观点。采用碳酸氢钠溶液和水溶液来分别处置水蕴草，可以使学生明确理解对照组的作用和必要性。学生收集数据和处理数据，利用证据和逻辑推理，得出“提高二氧化碳含量可以促进光合作用速率”的结论。实验装置与气泡计数方式难度低，易使学生产生亲近感，向学生提供了一个易操作、可走进的探究实验情境。

3.3 关注问题解决，领悟社会责任

3.3.1 阅读议题与讨论议题

教师提供阅读资料①：21世纪初，因石油价格居高不下，盛行使用可再生能源做为交通工具燃料替代品。有报告指出，种植可再生能源植物，如由玉米、甘蔗、甜菜制造生物乙醇，或由大豆、油菜籽、芥菜籽、椰子油制造可再生柴油，会排挤粮食作物的生产，造成粮价飙涨。其生产过程甚至可能加剧二氧化碳的排放量。就可再生能源与节能减碳之间的关系，提出建议或看法。

教师提供阅读资料②：许多产业或机械会排放二氧化碳，如火力发电、炼钢、制造水泥、交通工具等，而二氧化碳是目前造成全球气候变化的重要原因。如何将无法避免又会造成问题的二氧化碳，转变为可以运用的资源，请提出建议或看法。

教师提供阅读资料③：目前，中国科学院大学已进行利用烟道气培养微藻的实验；并从藻类中萃取出藻多醣、藻蓝蛋白、叶绿素等成分，用来制成健康食品、保养品或生物特殊营养饲料，剩余的藻渣再做成生物燃料。这样既可以减少温室气体的排放，也开发出多元化的应用价值。请根据上述材料，就利用藻类减少二氧化碳排放做法的优缺点，进行讨论。

3.3.2 议题讨论

学生与同伴之间进行头脑风暴，多角度思考并表达自己的观点。例如，在讨论再利用二氧化碳的方式时，学生想到制造灭火器、干冰、尿素等；针对利用人类燃烧化石燃料所制造大量二氧化碳的方式，提出多种减碳的方案。对同一事件可能存在冲突的观点，如利用藻类制造中可再生燃料可达减碳效果；但如果制造过程需高温高压的步骤，则应考虑整体能源消耗是否具有实质效益。有学生提到可再生能源的生产，必须考虑是否占用过多土地资源。还有学生提到，在实验室可以观察出的预期结果，扩大为工业规模时，会面临新的挑战。

3.3.3 设计意图

在真实的、有意义的情境之中，教师引导学生积极运用生物学的知识和方法进行多元化的思考，促进学生关注节能减碳议题，理解减缓碳排放、降低温室气体排放的效果，以及创造绿色能源的可能性，从而促进生物学知识向真实生活情境的再认识和适度迁移。学生在讨论议题时，运用批判思考的对话与论证方式，做出科学性的理解与理性判断，针对测得的数据发表看法，并形成自己的观点，培养批判思考能力，从而体会到人与自然之间的互动关系需达到平衡，进一步养成爱护生物的态度。