邵紹元

（江蘇省南通中學(xué)附屬實驗學(xué)校 江蘇南通 226010）

“光合作用利用二氧化碳釋放氧氣”是人教版七年級上冊生物學(xué)教材第五章“綠色植物與生物圈中的碳-氧平衡”第一節(jié)的內(nèi)容，在“探究二氧化碳是光合作用必需的原料嗎？”實驗的基礎(chǔ)上，開展“二氧化碳對水蘊草光合作用的影響”探究拓展實驗，形成“實驗是科學(xué)探究的基本過程和方法”的生物學(xué)核心觀念；以議題“可再生能源與節(jié)能低碳”為紐帶，貫穿議題的閱讀、討論、反思和評價。教師引導(dǎo)學(xué)生在科學(xué)探究基礎(chǔ)上產(chǎn)生真正需要解決的社會性議題，從而使教學(xué)指向生物學(xué)核心知識、方法和素養(yǎng)，提升學(xué)生的高階思維能力。

1 深度學(xué)習(xí)理論簡述

深度學(xué)習(xí)是指在教師的引領(lǐng)和活動設(shè)計支持下，學(xué)生針對具有挑戰(zhàn)性的項目化主題，通過主動加工和深度理解的探究性學(xué)習(xí)，在原有的認知基礎(chǔ)上采用分析、歸納、應(yīng)用、評價和綜合等高水平思維，靈活運用所學(xué)知識、技能和方法解決社會生活、生產(chǎn)中實際問題，獲得發(fā)展的、有意義的一種學(xué)習(xí)方式。深度學(xué)習(xí)以內(nèi)在學(xué)習(xí)需求為動力，以高階思維的發(fā)展和實際問題的解決為目標，以知識的聯(lián)通與構(gòu)建為內(nèi)容，在新的情境中遷移已有的知識和方法，學(xué)生不斷掌握生物學(xué)科的核心概念、把握學(xué)科本質(zhì)和思想方法，形成積極的內(nèi)在學(xué)習(xí)動機、高級的社會性情感、積極的態(tài)度和正確的價值觀，最終形成能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展的必備品格和關(guān)鍵能力。因此，深度學(xué)習(xí)是一種高階思維為主導(dǎo)的學(xué)習(xí)過程，是一種更接近知識本質(zhì)和智能內(nèi)核的學(xué)習(xí)方式。

2 深度學(xué)習(xí)理論下的實驗拓展

2.1 創(chuàng)設(shè)社會化情景，引發(fā)探究欲望

教師出示資料，引導(dǎo)學(xué)生思考：近代文明與科技發(fā)展不但導(dǎo)致化石燃料的大量使用，甚至引發(fā)了石油危機。而人類所排放的二氧化碳已經(jīng)對生物圈的環(huán)境造成影響，危及生態(tài)系統(tǒng)的平衡以及人類的生存。表1為國際能源署（International Energy Agency，2017）所公布的部分國家2015年的能源消耗統(tǒng)計。通過比較美國、日本與中國等國家對能源的消耗，你能發(fā)現(xiàn)什么呢？

表1 2015年部分國家能源消耗比較表

學(xué)生分析回答：雖然中國人均耗電量及人均碳排放量低于美國與日本，但中國人均耗電量及人均碳排放量約為世界平均值的1.2倍。學(xué)生進一步分析，可知：如果要成為負責(zé)任的地球公民，理應(yīng)責(zé)無旁貸地致力于節(jié)能減碳和開發(fā)綠色能源。

設(shè)計意圖：圖表資料來源于國際能源署，數(shù)據(jù)真實、可靠，學(xué)生能針對數(shù)據(jù)發(fā)表看法，從而建構(gòu)和諧生態(tài)觀。教師引導(dǎo)學(xué)生分析與討論，培養(yǎng)學(xué)生節(jié)能減排的社會責(zé)任感和批判思考能力，從而順利導(dǎo)入科學(xué)探究環(huán)節(jié)。

2.2 組織探究，發(fā)展科學(xué)探究和科學(xué)思維能力

2.2.1 實驗材料準備

燒杯（500 mL）2個、試管2支、質(zhì)量分數(shù)為0.4%碳酸氫鈉水溶液550 mL、水550 mL（水溶液pH＜9）、漏斗2個、水蘊草6段（各約2 cm長）、實驗橡膠手套、10 w白光LED燈泡（規(guī)格相同）。

2.2.2 問題引領(lǐng)探究，發(fā)展學(xué)生思維品質(zhì)

教師提出問題：①將水蘊草放入碳酸氫鈉水溶液中，使水蘊草溶液中的二氧化碳含量增加，從而探究二氧化碳對水蘊草光合作用的影響。此探究中無關(guān)變量有哪些？②實驗組與對照組數(shù)據(jù)，為什么要重復(fù)測量3次后取平均值？

學(xué)生討論后，得出：此探究中無關(guān)變量有水蘊草長度、數(shù)量、光照強度、光照時間和溫度等。測量時，可能會因各種因素產(chǎn)生誤差，如水蘊草液中微小的雜質(zhì)、氣泡數(shù)的測量誤差等。所以，反復(fù)取多次數(shù)據(jù)后取平均值，可以減少誤差對觀測數(shù)值的影響。

2.2.3 實驗操作，記錄現(xiàn)象

實驗操作過程：①取2個燒杯，分別標上甲、乙，在燒杯中各放入3段2 cm長的水蘊草，并將漏斗倒置罩住水蘊草。②在甲燒杯中加入水，乙燒杯中加入碳酸氫鈉水溶液，兩杯液面高度需要沒過漏斗柄，使漏斗內(nèi)充滿溶液（為了保證水蘊草生長不會明顯受酸堿度影響，使用pH計測量碳酸氫鈉水溶液的酸堿度，并確保其維持在pH9以下）。③取2支試管，將甲試管裝滿水，乙試管裝滿碳酸氫鈉水溶液。用拇指壓住試管口后，將試管口倒置入燒杯水溶液中，然后移開拇指，在水溶液中將試管套入漏斗柄上。④將甲、乙兩燒杯放置于強光下照射3 h。觀察水蘊草枝條末端是否有氣泡產(chǎn)生，并計數(shù)。⑤3 h后，觀察并比較甲、乙兩試管內(nèi)氣體的量。

2.2.4 討論與結(jié)論

教師提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考：①氣泡的產(chǎn)生代表什么意義？若有氣泡產(chǎn)生，請推論此氣泡是什么氣體？②引起實驗組與對照組數(shù)據(jù)差異的可能原因是什么？為什么碳酸氫鈉溶液提供二氧化碳，就可以在4 h內(nèi)測得對光合作用的促進效果？③甲、乙兩組是否都有氣泡產(chǎn)生？哪杯水溶液中的水蘊草氣體生成量較多？④由測量實驗結(jié)果，可以得到什么結(jié)論？

學(xué)生討論、分析后，回答：①氣泡代表水蘊草進行光合作用；產(chǎn)生的氣泡主要為氧氣。②因為實驗組額外添加的二氧化碳可以給水蘊草提供光合作用的原料，相較對照組，光合作用效率提高，因而產(chǎn)生的氧氣氣泡增加。光合作用的四大條件為光能、葉綠體、水和二氧化碳。其中，二氧化碳是目前地球環(huán)境下光合作用的反應(yīng)瓶頸，所以，少量增加二氧化碳，可明顯提升光合作用效率。③兩組都有氣泡產(chǎn)生，其中甲組中水蘊草產(chǎn)生的是氣泡數(shù)較多。學(xué)生得出結(jié)論：提高環(huán)境中的二氧化碳含量，可以促進水蘊草的光合作用速率。

2.2.5 設(shè)計意圖

水蘊草在pH6.5～7.55的環(huán)境中生長狀況較好，若pH高于9才會較受到影響。質(zhì)量分數(shù)為0.4%的碳酸氫鈉水溶液的pH不超過9。因此其酸堿度不會明顯影響結(jié)果，該實驗中可忽略酸堿度值的變量。在探究中，教師引導(dǎo)學(xué)生分析問題、觀察記錄數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，得出結(jié)論，使學(xué)生形成“光合作用可以減少溫室氣體二氧化碳”的觀點。采用碳酸氫鈉溶液和水溶液來分別處置水蘊草，可以使學(xué)生明確理解對照組的作用和必要性。學(xué)生收集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，利用證據(jù)和邏輯推理，得出“提高二氧化碳含量可以促進光合作用速率”的結(jié)論。實驗裝置與氣泡計數(shù)方式難度低，易使學(xué)生產(chǎn)生親近感，向?qū)W生提供了一個易操作、可走進的探究實驗情境。

3.3 關(guān)注問題解決，領(lǐng)悟社會責(zé)任

3.3.1 閱讀議題與討論議題

教師提供閱讀資料①：21世紀初，因石油價格居高不下，盛行使用可再生能源做為交通工具燃料替代品。有報告指出，種植可再生能源植物，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，會排擠糧食作物的生產(chǎn)，造成糧價飆漲。其生產(chǎn)過程甚至可能加劇二氧化碳的排放量。就可再生能源與節(jié)能減碳之間的關(guān)系，提出建議或看法。

教師提供閱讀資料②：許多產(chǎn)業(yè)或機械會排放二氧化碳，如火力發(fā)電、煉鋼、制造水泥、交通工具等，而二氧化碳是目前造成全球氣候變化的重要原因。如何將無法避免又會造成問題的二氧化碳，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢赃\用的資源，請?zhí)岢鼋ㄗh或看法。

教師提供閱讀資料③：目前，中國科學(xué)院大學(xué)已進行利用煙道氣培養(yǎng)微藻的實驗；并從藻類中萃取出藻多醣、藻藍蛋白、葉綠素等成分，用來制成健康食品、保養(yǎng)品或生物特殊營養(yǎng)飼料，剩余的藻渣再做成生物燃料。這樣既可以減少溫室氣體的排放，也開發(fā)出多元化的應(yīng)用價值。請根據(jù)上述材料，就利用藻類減少二氧化碳排放做法的優(yōu)缺點，進行討論。

3.3.2 議題討論

學(xué)生與同伴之間進行頭腦風(fēng)暴，多角度思考并表達自己的觀點。例如，在討論再利用二氧化碳的方式時，學(xué)生想到制造滅火器、干冰、尿素等；針對利用人類燃燒化石燃料所制造大量二氧化碳的方式，提出多種減碳的方案。對同一事件可能存在沖突的觀點，如利用藻類制造中可再生燃料可達減碳效果；但如果制造過程需高溫高壓的步驟，則應(yīng)考慮整體能源消耗是否具有實質(zhì)效益。有學(xué)生提到可再生能源的生產(chǎn)，必須考慮是否占用過多土地資源。還有學(xué)生提到，在實驗室可以觀察出的預(yù)期結(jié)果，擴大為工業(yè)規(guī)模時，會面臨新的挑戰(zhàn)。

3.3.3 設(shè)計意圖

在真實的、有意義的情境之中，教師引導(dǎo)學(xué)生積極運用生物學(xué)的知識和方法進行多元化的思考，促進學(xué)生關(guān)注節(jié)能減碳議題，理解減緩碳排放、降低溫室氣體排放的效果，以及創(chuàng)造綠色能源的可能性，從而促進生物學(xué)知識向真實生活情境的再認識和適度遷移。學(xué)生在討論議題時，運用批判思考的對話與論證方式，做出科學(xué)性的理解與理性判斷，針對測得的數(shù)據(jù)發(fā)表看法，并形成自己的觀點，培養(yǎng)批判思考能力，從而體會到人與自然之間的互動關(guān)系需達到平衡，進一步養(yǎng)成愛護生物的態(tài)度。