基于模型建构的生物学概念教学——以“绿色植物有助于维持生物圈碳—氧平衡”为例

(山东省青岛市城阳第四中学山东青岛266109)

《义务教育生物学课程标准(2022版)》(以下简称《课程标准》)强调“发展科学思维是培育学生理性思维、批判质疑、勇于探究等科学精神的重要途径”。模型建构作为发展科学思维的重要方法,可以为学生学习生物学知识、解决生物学问题构建相应的思维框架,并帮助学生进一步揭示生物学现象的本质和规律。《课程标准》在“科学思维”中指出,模型建构体现在以经验事实为基础,对客观事物进行抽象和概括,进而建构模型,运用模型分析、解释现象和数据,描述系统的结构、关系及变化过程。

下文以“绿色植物有助于维持生物圈碳—氧平衡”一节的教学设计为例,探索模型建构在生物学概念教学中的应用。

“绿色植物有助于维持生物圈碳—氧平衡”是济南版《生物学·七年级·上册》第二单元第一章第五节“绿色植物在生物圈中的作用”中的内容。通过前面的学习,学生已经对绿色植物光合作用吸收二氧化碳释放氧气、呼吸作用分解有机物释放二氧化碳有了初步的了解,但对绿色植物如何维持生物圈中二氧化碳和氧气含量的相对稳定缺乏深入理解。

本节课以“生态瓶”为切入点,借助问题引导和数字化实验装置,让学生监测生态瓶中二氧化碳和氧气72小时内的数据变化。学生经过“推测—验证”、分析、讨论气体含量变化的原因及趋势,逐步构建并完善“碳—氧平衡”模型。然后由微观生态瓶到宏观生物圈,学生经过进一步论证、深化和应用“碳—氧平衡”模型,由此突破“绿色植物有助于维持生物圈中碳—氧平衡”这一重要概念。

(1)尝试运用所学知识解释生态瓶中各种生物处于相对稳定的原因,推测瓶中气体含量变化。熟练使用数字化实验仪器进行探究实践,基于真实的实验数据逐步建构“碳—氧平衡”模型,并尝试运用模型建构的方法分析、解决问题,发展逻辑思维、实证意识和严谨务实的科学态度。

(2)结合生活经验,通过小组合作对真实事例进行分析,进一步感悟物质与能量观、生态与平衡观等生命观念。

(3)通过对社会热点实例的论证,进一步加深绿色植物对生物圈具有重要作用的理解。认同绿色植物有助于维持生物圈中的碳—氧平衡,树立环保意识,提高责任担当,倡导绿色、低碳生活的价值观,践行“绿水青山就是金山银山”的生态文明观念。

教师分组准备处于相对稳定状态的生态瓶,然后以“生态瓶”为切入点,引导学生思考下列问题:①利用所学的光合作用、呼吸作用以及生态系统相关知识解释,为什么生态瓶中各种生物及其所占的比例能够维持在相对稳定的状态?②判断此生态瓶中氧气和二氧化碳的含量变化,并说出判断的依据,初步构建“碳—氧平衡”模型。学生第一次构建的“碳—氧平衡”模型如图1所示。

图1第一次构建的“碳—氧平衡”模型

设计意图:教师通过创设情境、问题引导、对比分析和大胆推测,激发学生的思维,为学生构建“碳—氧平衡”模型做铺垫。

教师引导学生借助“数字化探究实验仪器”对生态瓶中的氧气和二氧化碳含量进行连续监测。监测前教师提出引导性问题:密闭生态瓶中氧气或二氧化碳的含量在24小时内的变化趋势是怎样的?并让学生带着问题进行推测:你认为在更长的时间内这两种气体含量的变化趋势应该是怎样的?接着,教师呈现实验数据,结合实验数据绘制图像(图2),并及时引导学生将此图像与“生态平衡”的模型进行类比,要求学生类比“生态平衡”示意图尝试画出“碳—氧平衡”示意图。学生最终通过“大胆推测—实验验证—类比推理”在第一模型建构的基础上进行第二次“碳一氧平衡”的模型建构。

图2同一生态瓶中氧气和二氧化碳含量变化趋势图

设计意图:教师引导学生先经历推测、再基于探究实验测得的真实数据进行验证,并要求学生运用模型分析、解释现象和数据,发展学生获取数据、分析数据和评价数据的能力,使学生在推测—验证中进一步完善生态瓶中的“碳—氧平衡”模型。

教师引导学生思考:若密闭生态瓶中氧气和二氧化碳的含量处于动态平衡状态,这种平衡是瓶中哪类生物在起关键作用?请设计实验进行论证。学生在设计以绿色植物为自变量的基础上,利用数字化实验设备进行进一步的探究实践。

探究过程中,学生共设置了四个生态瓶,其中一个生态瓶中无绿植,另外三个生态瓶中分别装有绿色植物黑藻、金鱼藻和小球藻。通过监测数据图,学生可以清晰地看出:有绿色植物的生态瓶中的氧气和二氧化碳的含量在一定的变化范围内波动,处于相对稳定状态,而没有绿色植物的一组,氧气含量一直在减少,二氧化碳含量一直在增加(图3)。学生由此得出结论:绿色植物有助于维持生态瓶中的碳—氧平衡。

教师让学生对比分析生态瓶和地球上最大的生态系统—生物圈中的能量流动和物质循环过程,引导学生思考:处于“生态平衡”的生物圈中,氧气和二氧化碳的含量是否也应处于相对稳定状态?教师要求学生描述系统的结构、关