基于深度学习和模型建构的教学设计

杨丹

摘   要：文章以“光合作用原理的应用”为例，引导学生在探究实验的基础上，自主构建数学模型，以系列问题为驱动，深入解读数学模型，并应用理论解决生产实际问题，促进学生的深度学习，落实学科核心素养。

关键词：高中生物；深度学习；模型建构；光合作用原理

《高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》指出，要高度关注生物学科核心素养的达成[ 1 ]。深度学习是指在主动加工、深度理解的基础上，学习者能够批判性地学习新知识，并将它们融入原有的认知结构中，经过高水平思维过程，灵活运用所学知识和能力，解决实际问题的一种学习方式[ 2 ]。深度学习的主要特征为以下五个方面：主动的知识建构、学习的内在动机、培养学生批判性思维、强调知识的迁移与应用以及元认知的参与，是有效落实生物学学科核心素养的途径[ 3 ]。深度学习是浅层学习的深化和提高[ 4 ] 。随着素质教育改革、学科核心素养的提出，深度学习理论在科学教育中受到广发关注。

基于深度学习的理念，笔者尝试在“光合作用原理的应用”这一节的课堂教学中引入建构数学模型这种重要的研究方法[ 5 ]。以加强知识之间的联系、比较、归纳和总结，形成批判思维、知识迁移等多项关键能力，进而由以知识积累为主的简单学习过渡到思维品质培养的深度学习，提升学生科学思维、科学探究和社会责任的学科核心素养[ 6 ]。

1  教材分析与设计思路

“光合作用原理的应用”是新人教版必修1第5章第4节的内容，属于《普通高中生物学课程标准》模块1“分子与细胞”中大概念 2“细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖”的下位概念。学生在第5章第3节学习了有氧呼吸和无氧呼吸以及在生活中的应用，通过第五章第4节第一、二课时掌握了光合作用光反应、暗反应的过程，光合作用所需要的原料。因此可以将光合作用原理和细胞呼吸原理联系起来，通过创设具体的问题情境，培养学生的知识运用和迁移能力，解决生产实际问题，提升社会责任意识。学生首先透彻领悟环境因素对光合作用强度的影响，才能应用理论解决生产实际问题，所以探究不同环境因素对光合作用的影响是本节的重点、难点内容。高一的学生对抽象概念的理解往往不够深入透彻，更无法在新的问题情境中灵活运用。为了培养学生运用生物理论知识解决真实问题情境的能力，促进生物学科核心素养的落地，笔者将通过构建模型，利用问题串的形式，引导学生自主思考和探究，训练探究能力和科学思维，落实核心素养。

2  教学过程

2.1  引入课题

【视频播放】   播放“植物智慧工厂”视频，提出问题：根据光合作用的反应方程式，分析哪些因素可以影响光合作用强度？在植物工厂中，为使植物的长势更好，需要人为控制哪些外界环境因素？学生思考讨论，得出影响光合作用强度的内部因素有色素种类、含量和酶的含量；外界环境因素有光照强度、CO2浓度、温度，水分含量。具体的调控水平需要借助于实验进行探究。

【設计意图】   通过化学反应方程式，初步推测影响植物生长的环境因素，从而引出本节课的探究思路和目的，激发学生的兴趣，培育学生的生命观念。

2.2  探究光照强度对光合作用速率的影响

（1）自主设计实验方案。教师指导学生自主阅读教材实验，并用幻灯片展示以下问题：有哪些方法可以设置不同的光照强度？光合速率测定可以采用什么方法？实验过程中要保证哪些无关变量相同且适宜？学生小组讨论展示答案，教师点评，师生共同总结，得出：自变量光照强度可以用不同功率的台灯，或者同一功率的台灯距离实验装置的不同的距离来设置；单位时间内圆形叶片浮起的数量表示光合速率，也可以用化学传感器测量单位时间内实验装置中氧气含量的变化来表示；在实验过程中，光照时间、温度、圆形叶片的大小、数量要相同。

（2）汇报实验，建构模型。教师通过视频播放兴趣探究小组成员的完整实验演示过程，展示探究小组测量的实验数据，得到在不同的光照强度下，装置中氧气含量变化的实验结果表格。教师引导学生依据表格中的数据，在导学案上绘出O2的释放量/吸收量与光照强度的关系曲线图。各小组展示，师生共同总结评价，得到如图1所示曲线图。

【设计意图】   教师引导学生自主设计实验方法，培养探究能力；兴趣探究小组亲身经历实验探究过程，培养学生动手实践能力；激发学习兴趣，培养学生务实、创新的科学态度。

（3）深入解读模型，建构概念。教师提出以下问题：

①图1中，A点、AB段、B点、B点以后光合作用强度（即光合速率）与呼吸速率的大小关系分别是什么？

②光照强度处于光补偿点（B点）、光饱和点（D点）时，光合速率和呼吸速率的关系是什么？

③如何表示曲线上某一点的呼吸速率、总光合速率、净光合速率大小？三者之间的大小关系如何？

④以CO2作为指标，如何表示呼吸速率、总光合速率、净光合速率？以有机物（CH2O）作为指标如何表示呼吸速率、总光合速率、净光合速率？

⑤随着光照强度的增加，光合作用强度的变化趋势是什么？

⑥C点之前和C点之后，限制光合速率的主要环境因素是什么？

学生分组思考讨论，小组展示讨论结果，教师评价归纳总结，使学生明确光合速率随着光照强度，透彻理解光合速率与光照强度的关系，能够说出净光合速率、呼吸速率、总光合速率的表示方法以及三者之间的关系。

【设计意图】  通过设置问题串，引发学生自主思考，培养学生利用模型获取分析信息的能力，科学思维和科学探究能力，落实核心素养。

（4）应用于生产，增强责任。回归到植物智慧工厂中的问题情境，教师进行提问：

①在阴天应如何提高蔬菜大棚内植物的光合速率？

②光照强度在某一点时（分别选取低于补偿点和在补偿点的光照强度），如果使一昼夜植物能够积累有机物，大棚内的光照时间范围是多少？

③“新疆哈密地区夏季白天较长，昼夜温差大，盛产哈密瓜、大枣、葡萄等水果，尝试运用光合作用原理对此做出解释。

【设计意图】  通过实际农业生产中的事例，将社会责任的培养渗透于高中生物课堂实践中，引发学生思考和讨论，培养学生学以致用和解决问题的能力、落实核心素养中的社会责任。

2.3  探究CO2浓度对光合作用强度的影响

（1）自主设计实验方案。教师利用幻灯片展示实验材料和用具，提出问题：如何设置不同的CO2浓度？光合速率怎么样测量？需要控制哪些无关变量？学生小组讨论，得出：通过不同浓度的 NaHCO3溶液设置CO2浓度；测量单位时间内小圆形叶片浮起的数量表示光合速率；实验过程中需要控制光照强度、温度、小圆叶片的大小、总数量等无关变量，要保证无关变量相同且适宜。

（2）汇报实验，建构模型。教师通过视频播放兴趣探究小组成员的完整实验演示过程，展示探究小组测量的实验数据，得到在不同的CO2浓度下，小圆叶片浮起的数量实验结果表格。教师指导学生根据表格实验数据，建构数学模型，在导学案上绘出CO2浓度与该植物叶片光合作用强度的关系曲线图。各小组展示，师生共同分析评价，得到如图3所示的曲线图。

（3）深入解读模型。教师提出以下问题：

①CO2 浓度的变化影响光合作用的光反应阶段还是暗反应阶段？

②随着环境中CO2浓度的增加，短时间内C3、C5以及（CH2O）含量的变化如何？

③随着环境中CO2浓度的增加，光合速率的变化趋势是什么？

④B'点之前和之后，限制光合速率的因素有哪些？

（4）联系实际。回归到植物智慧工厂中的问题情境，教师进行提问：

①农业生产中“正其行，通其风”的原理是什么？

②“午休”现象的原因是什么？

③蔬菜大棚补充二氧化碳的时机是？

④有哪些补充二氧化碳的方法？

【设计意图】这一教学过程与探究光照强度对光合速率影响过程类似，通过对实验结果的分析，锻炼学生推断实验结论的能力，通过建构模型，从具体表象中抽象出本质，能够有效发展学生的理性思维。

2.4  总结归纳，拓展提升

教師首先展示课堂小结，展示本节课需要理解记忆的基础知识，总结归纳出影响光合速率的内部因素和外部因素。内部因素包括光合色素和酶。外部因素有光照强度、温度和CO2浓度。在一定范围内，增大光照强度或者温度或者CO2浓度，可以增强光合速率，增加有机物的积累。在实际农业生产应用中，可以适度增加光照强度、CO2浓度或温度，提高植物的光合速率，增加有机物的积累，实现农业增产增收的目的。

3  教学反思

建构模型方法是理性思维发展的重要形式。本节课教师以“智慧工厂”情境导入，提出探究“环境因素对光合速率影响”这一主题。通过分析“生物兴趣小组探究实验”实验数据，引导学生自主建构光照强度、CO2浓度与光合作用强度关系的数学曲线模型。设计问题串，深入解读模型。该过程能够有效提升学生的图文转化能力。通过分析数学模型中随着自变量的变化，因变量发生的相应变化，学生透彻理解光照强度、CO2浓度等因素对光合作用强度的影响。在此过程中培养了学生理性思维，促进深度学习，基本达成了学科核心素养教学目标。

在学生对“环境因素对光合速率的影响”有了深刻理解的情况下，回归到农业生产和实际生活，提出在大棚生产中提高农作物产量的措施，激发学生的生命观念、责任担当以及社会意识，有效促进了学生的深度学习，发展了科学思维。

参考文献：

［1］ 中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版） ［S］.北京： 人民教育出版社，2017：2.

［2］ 吴举宏.促进深度学习的中学生物学教学策略[J].生物学教学，2017，42（10）：18-20.

［3］ 刘月霞， 郭华. 深度学习： 走向核心素养[M]. 北京： 教育科学出版社， 2018：19-32.

［4］ 杨玉琴，倪娟.促进“深度学习”的教学设计［J］.化学教育，2016，37（ 17）：1-8.

［5］ 李博.数学模型建构在高中生物课堂教学中的创新尝试——以“光合作用原理的应用”一节为例[J].中学生物学，2019，35（6）：7-8.

［6］ 章丹华. 建构模型，促有效教学［J］.考试周刊，2016（53）：134-135.