“生态系统的物质循环”项目式教学设计

王洁

关键词：堆肥；物质循环；项目式学习；核心素养

文章编号：1003-7586（2024）01-0025-04 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

项目式学习旨在通过创设真实情境，以问题为导向，指导学生在独立思考和小组合作探究中，基于所学知识和拓展资料，解决一个个问题，而后通过评价总结提升、交流并展示成果的过程，该过程使得学生在深度学习中实现知识的关联，为学生实践能力的培育提供载体。而《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）恰恰强调“教学过程重实践”这一课程理念，强调在主动探究并解决真实情境问题的过程中，实现知识的迁移、思维的提升、核心素养的培育。因此，项目式学习也是实现生物学学科核心素养的重要抓手之一。基于此，本节课以高中“生态系统的物质循环”一节为例，探讨如何在高中生物学课堂中运用项目式学习，实现生物学学科核心素养的塑造。

1教材分析

“生态系统的物质循环”是人教版新教材《生物学·选择性必修2.生物与环境》第3章第3节的内容，内容涵盖“碳循环”“生物富集”“能量流动和物质循环的关系”三个部分。本节教学重点为分析碳循环的过程、概述生态系统物质循环过程及生物富集，而比较物质循环和能量流动关系、探究土壤微生物的分解作用为本节课难点。“生态系统的物质循环”是生态系统的功能之一，对于全面理解本章“生态系统及其稳定性”具有推动作用，同时为理解下一章“人与环境”、认同生态文明建设做铺垫。

通过前两节的学习，学生已掌握分解者在生态系统中的地位和作用，明晰能量在生态系统中是如何流动的，因此理解生态系统的物质循环并不难。但如果仅是常规课堂讲授，与生活实践脱节，较难促发学生保护环境的社会责任感、健康生活意识和自然生成生物学学科核心素养。并且，新课标也在“教学提示”中建议在教学中拓展有关探究活动，提高学生环境保护的意识。因此，基于学生已有知识体系与实验操作能力，教师在教学设计上以“落叶堆肥”为项目式学习的主题，让学生在小组活动中亲身实践，在问题解决中深度思考，在总结评价中提升自我，实现知识的建构及绿色生活、保护环境意识的塑造。

2教学目标

基于新课标的要求及学生学情，制订以下教学目标：

（1）知道微生物分解对堆肥的重要作用，能独自制作堆肥。

（2）制作堆肥并将其埋入田野，在促进植物更好生长的过程中，体会劳动的快乐，理解生态系统的物质循环并能说出碳循环的过程，明晰物质循环与能量流动的区别，塑造生态资源可持续利用的发展观。

（3）阐释生物富集的成因，了解生物富集的危害。

（4）在小组制作堆肥、改良堆肥等团队活动中，主动探究并搜集信息，团结其他成员，分工协作。

（5）在生活中尊重、保护生态的有机平衡，自发践行健康、绿色的生活方式，有意识地借助各种媒介向同学、家人等群体宣传绿色的生活方式。

3教学过程

3.1创设情境，引入学习项目

教师展示冬天布满落叶的校园及落叶焚烧对环境造成污染的图片。学生提出质疑：落叶中含有丰富的营养物质和C、N、K等元素，当作垃圾焚烧不仅污染环境还浪费资源，有什么措施既可以保护环境又可使自然资源利用最大化？而后，教师展示自然状态下热带雨林更替的视频，提出问题：没有人为的干扰，这些落叶去了哪里？为什么热带雨林能够生生不息？

设计目的：以身边常见的落叶创设情境，让学生在提出疑问中有效地促发学习新知的原动力，驱动学生开动脑筋，思考循环利用落叶的方法，激起学生保护环境的意识。视频及教师的问题驱动学生联想到“落红不是无情物，化作春泥更护花”的诗句，进而与分解者相关联，从而使教师顺理成章地引出本节项目——落叶堆肥。

3.2实操堆肥，发现项目问题

当学生将落叶与分解者联系起来后，学生提出问题：如何利用分解者，快速将校园落叶处理干净并实现落叶循环利用呢？教师播放落叶堆肥的视频，解答学生疑惑，激起学生亲自动手操作的興趣。教师将班级划分为3个小组，以小组的形式打扫校园，搜集落叶，并根据视频在大课间制作落叶堆肥。

在制作落叶堆肥的过程中，学生对一些操作环节提出了疑问，教师进行汇总，结果如表1。

根据以上分析，学生将总项目拆解为5个子项目，分别是：落叶堆肥原理的探究、促进落叶堆肥腐熟的探究、寻找更多适合堆肥的材料、施加最适堆肥的量、堆肥效果的检测。项目学习路径如图1。

设计意图：让学生学会用落叶制作堆肥，切身体会环境保护需要每一个人的参与，人类活动也可以对自然产生积极的影响。通过小组制作落叶堆肥，既可使学生生成协调配合、分工协作的能力，也可让学生在实践中发掘问题，为子项目的确立铺陈。

3.3解决子项目，习得新知

针对确立的子项目，设计如下探究活动。

探究子项目1：为什么落叶可以堆肥？设计活动①：联系呼吸作用、分解者在生态系统中的地位和作用，用显微镜观察堆肥中的微生物，而后小组内进行思考、讨论，得出是土壤、落叶中分解者将落叶分解。设计活动②：通过查阅落叶腐熟资料、观看落叶腐熟视频、观察堆肥腐熟过程的变化、用鼻子嗅腐熟堆肥产生的气味等活动，分析出落叶堆肥能使植物长得更好的原因在于落叶中的有机物被分解者分解成无机物，而后埋入土壤，使土壤中C、N、K等元素含量升高。设计活动③：结合细胞呼吸作用、植物光合作用，剖析并画出C、N等元素从落叶（无机环境）中进人生物群落，又从生物群落进入无机环境的物质循环过程图，并与能量流动的特点进行比较。

设计意图：在深度探析落叶堆肥制作蕴含的生物学本质过程中，主动梳理新知与旧知，透过表象切身领悟分解者在促进物质循环、维持生态系统稳定中的地位和作用，串联并归纳物质循环及能量流动的内在关联。

探究子项目2：如何促进落叶堆肥的腐熟？设计活动①：查阅堆肥相关论文，小组交流、归纳得出：在材料制备中，可以采用破壁机粉碎落叶，促进微生物的分解；在腐熟过程中，适当提高堆肥温度、向堆肥中添加适当EM菌（有效微生物群）或尿素等可以加快微生物降解。设计活动②：制作2盆堆肥，1号盆放入用剪刀剪碎的落叶，2号盆放入等量用剪刀剪碎的落叶且混合100gEM菌，后续堆肥制作过程同表1的步骤。观察并记录二者腐熟过程及在相同时间内的腐熟程度。设计活动③：小组汇报、交流实验结果。

设计意图：查阅资料的任务旨在培养学生检索重要信息的能力，跳出思维的局限，主动探寻有效促进堆肥腐熟的方法，并从材料、技术、设备等方面对实验进行改进。

通过小组合作制作改良堆肥，一则可以体悟实践探究的魅力，领会应用生物学知识解决问题的乐趣及技术发展对驱动生物学实验顺利推进的积极影响，二则拉近生物学与学生生活的距离，启迪学生保护环境也可从自身做起，从一点一滴的小事做起。安排展示交流活动旨在锤炼学生语言表达能力，提高学生逻辑思维能力以及表现自我的能力。

探究子项目3：寻找更多适合堆肥的材料。设计活动①：结合自身生活常识并查阅堆肥相关资料，得知堆肥材料不仅可以是落叶，还可以是湿垃圾、废纸等；根据材料的不同，可以制作成固体堆肥或液体堆肥。设计活动②：组间交流查阅资料结果，讨论以这些材料制作堆肥的优缺点。其中，有个别小组联系已有的化学知识及刚学的物质循环，提出废报纸、废课本等不适合作为堆肥材料。随后，教师引导学生阅读教材生物富集相关内容，讨论该小组的看法是否合理，并联系生物富集，合理解释废报纸等材料不适合作为堆肥材料的原因。最后，教师提问：在日常生活中如何避免生物富集？学生通过所学知识和生活常识回答：远离含有重金属等难以被身体代谢的物品、食品，并将含有这些物质的物品进行分类，交由专业机构处理，不乱扔、乱烧，以免使这些有害物质流入生态系统并在生物体内富集。设计活动③：以水果皮、鸡蛋殼等湿垃圾为材料制作液体堆肥，标记为3号盆，记录并观察液体堆肥腐熟过程。

设计意图：在完成设计活动①过程中，打破学生思维定式。设计活动②旨在引起学生思维的碰撞，在交流中产生质疑，为生物富集的提出做铺垫。学生在教师的层层追问中驱动深度思考，寻得某些物质不能作为堆肥材料的根本原因，明晰生物富集的危害及特点，并自发践行绿色生活方式。

探究子项目4：施加最适堆肥的量。设计活动：通过查阅资料，得知固体堆肥与田土的适宜比例，若为液体堆肥，则将液体堆肥按堆肥与水的质量比为1：30稀释后喷洒最佳。

探究子项目5：堆肥效果的检测。设计活动①：查阅资料，得知可以通过观察种子萌发率获悉堆肥效果。根据实验资料，设计并实施检测堆肥效果的实验方案，方案设计见表2。设计活动②：一个月后各小组将成果以实验报告形式呈现，并安排各小组查看其他小组种子萌发情况及实验报告，进而获悉与清水、土壤浸提液相比，腐熟的堆肥促进豌豆种子萌发效果更佳。最后小组之间互相点评，教师进行总结，并将制作的堆肥埋入班级农场，促进农场植物更好地生长。

设计意图：设计实施对照实验，提升学生实验探究思维。通过学生互评、教师点评，让学生认识到制作堆肥过程中的优缺点，进一步完善该实验，并提高合作意识和实践能力。将堆肥埋入土壤，让学生切身理解物质循环对生态系统的现实意义及人类活动对生态环境的积极作用。

3.4拓展延伸——开展宣传，提高社会责任

组织学生以小组为单位，一方面将制作堆肥、改进堆肥的过程及结果以实验报告或论文的形式呈现，另一方面将生物富集的途径、危害等知识以海报、学校公众号等形式进行宣传，呼吁大家有效利用资源、学会环保生活。同时，在学校艺术节、运动会等重大活动中，开设专门的宣传位点，各小组成员开展有奖应答、知识竞赛等形式的科普活动。

设计意图：通过论文或实验报告的书写提高学生学术写作能力。通过设计海报、发布公众号等形式锻炼学生语言表达、网页制作等能力。学生通过开展知识竞赛等活动，可深入理解物质循环、堆肥的重要作用，自觉做到绿色生活，并能真实体悟社会活动的参与感，提升社会认同与社会责任。

4教学反思

本节课以身边常见的落叶如何处理为出发点，以小组查阅资料、实验探究等形式，较为全面地了解落叶处理常用方法——堆肥，以及制作堆肥存在的问题。以保护环境、促进生态系统物质循环为落脚点，设计和开展项目活动。学生通过制作堆肥并将腐熟成功的堆肥埋入土壤，不仅掌握制作堆肥的方法，理解生态系统物质循环的现实意义，还促进植物更好生长，体悟亲身劳动的快乐，收获成功的喜悦，感受到科技发展对生物学研究的现实意义，并有效地激发学生绿色生活的观念。在项目活动中，学生搜集资料、查阅资料、筛选有用信息、合作探究的能力也得到锤炼。开放式的学生展示、交流活动，一则挖掘学生语言表达、策划活动的能力，二则让学生体悟到“星星之火，可以燎原”，驱动学生更加积极主动参与社会活动。

在堆肥腐熟过程中，小组成员观察到有些液体堆肥出现白色菌膜并伴有酸味，有些表面覆盖一层白膜并散发酒的香甜。对于学生的疑问，教师可先有所保留，将实验现象记录下来，作为选择性必修3“传统发酵技术的应用”一节的情境素材。有的小组也提出可否找到“超级微生物”快速分解堆肥，因此可在学习选择性必修3“微生物的选择培养和计数”一节或“发酵工程的应用”中以该视角进行探究实践、拓展延伸。

此外，在项目式学习中，不仅要有学生的主动探究，教师适时适当的指导、点评也应贯穿整个项目。当学生遇到思维的迷思时，教师要及时以问题串等形式引导学生拨开迷雾；当学生探究的方向与本节重点相背离时，教师也要及时发现并拨正；当学生呈现阶段性成果时，教师更应给予准确、正向的反馈与评价。帮助学生攻坚破难，顺利完成项目式学习，正确、有效架构新知体系，真正发挥项目式学习的优势，有效促进高中生物学教学及学科核心素养落地。