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.docx

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基于模型建构的生物概念教学：以“绿色植物有助于维持生物圈碳氧平衡”为例 高阳（山东省青岛市城阳四中，山东青岛）《义务教育生物课程标准（2022年版）》（以下简称《课标》）强调“发展科学思维是培养学生理性思考、批判性质疑、勇于探索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知识、解决生物问题构建相应的思维框架，帮助学生进一步揭示生物现象的本质和规律。《课标》在“科学思维”一节中指出，模型建构体现在基于经验事实对客观事物进行抽象、概括，进而构建模型，用模型分析、解释现象和数据，描述系统的结构、关系和变化过程。下面以“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，探讨模型建构在生物学概念教学中的应用。1教材分析与设计思路“绿色植物有助于维持生物圈碳氧平衡”是济南版《生物·七年级·上册》第1章第2单元第5节“绿色植物在生物圈中的作用”的内容。通过前期的学习，学生对绿色植物如何通过光合作用吸收二氧化碳、释放氧气，如何通过呼吸作用分解有机物并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性缺乏深入的了解。

本课以“生态瓶”为切入点，借助问题引导和数字化实验装置，学生在72小时内监测生态瓶内二氧化碳和氧气的数据变化，通过“推理—验证”，分析、讨论气体含量变化的原因和趋势，逐步建立和完善“碳氧平衡”模型。然后，从微观生态瓶到宏观生物圈，进一步论证、深化和应用“碳氧平衡”模型，从而突破“绿色植物有助于维持生物圈碳氧平衡”这一重要概念。 2 教学目标 (1) 尝试运用所学知识解释生态瓶内各类生物相对稳定的原因，并推断瓶内气体含量的变化。熟练运用数字化实验仪器进行探索实践，逐步构建基于真实实验数据的“碳氧平衡”模型，并尝试运用模型构建方法分析问题、解决问题，培养逻辑思维、实证意识和严谨务实的科学态度。（2）结合生活体验，通过小组合作进行真实事例分析，进一步理解物质与能量、生态与平衡等生命概念。（3）通过社会热点案例的演示，进一步深化对绿色植物在生物圈重要作用的认识。认识到绿色植物有助于维持生物圈碳氧平衡，树立环保意识，增强责任感，倡导绿色低碳生活价值观，践行“绿水青山就是金山银山”的生态文明理念。 3 教学过程 3.1“真实情境”中“碳氧平衡”模型的初步构建 教师分组准备相对稳定状态的生态瓶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.docx，然后以“生态瓶”为切入点，引导学生思考以下问题： ①运用所学的光合作用、呼吸作用、生态系统的知识，说明为什么生态瓶中的各种生物及其比例能保持相对稳定的状态？ ②判断此生态瓶中氧气和二氧化碳含量的变化，并陈述判断的依据，初步构建“碳氧平衡”模型。

学生首次构建的“碳氧平衡”模型如图1所示。 图1 首次构建的“碳氧平衡”模型 设计意图：教师通过创设情境、引导性提问、比较分析、大胆推测等方式激发学生思维，为学生构建“碳氧平衡”模型奠定基础。 3.2 在“推测—验证”中完善“碳氧平衡”模型 教师指导学生利用“数字化探究实验仪”连续监测生态瓶中的氧气和二氧化碳含量。监测前，教师提出一个引导性问题：在24小时内，密封的生态瓶中氧气或二氧化碳含量的变化趋势是什么？并让学生以问题的方式进行推测：你认为在更长的时间内，这两种气体的含量变化趋势应该是什么？然后，教师呈现实验数据，根据实验数据画出图像（图2），并及时引导学生将此图像与“生态平衡”模型进行对比，并要求学生对照“生态平衡”图尝试画出“碳氧平衡”图。学生最终通过“大胆推测—实验验证—类比推理”在第一个模型的基础上构建出第二个“碳氧平衡”模型。 图2 同一生态瓶内氧气与二氧化碳含量变化趋势 设计意图：教师引导学生根据探索实验测得的真实数据，先推测后验证，要求学生用模型来分析、解释现象和数据，培养学生获取数据、分析数据和评价数据的能力，使学生通过推测—验证，进一步完善生态瓶中的“碳氧平衡”模型。

3.3 在“探究练习”中认识“碳氧平衡”模型 教师引导学生思考：如果一个封闭的生态瓶内氧气和二氧化碳的含量处于动态平衡状态，那么瓶内哪一类生物对这种平衡起着关键作用？请设计一个实验进行演示。在绿色植物作为自变量的设计基础上，学生利用数字化实验设备进行进一步的探究练习。探究过程中，学生设置了四个生态瓶，其中一个生态瓶内没有绿色植物，另外三个生态瓶内分别装有黑藻、浮萍、小球藻等绿色植物。通过监测数据图表，学生可以明显看到，有绿色植物的生态瓶内氧气和二氧化碳的含量在一定范围内波动，处于相对稳定的状态，而无绿色植物的组氧气含量一直在降低，二氧化碳含量一直在增加（图3）。学生得出绿色植物有助于维持生态瓶内的碳氧平衡。 3.4 深化“从特殊到一般”中的“碳氧平衡”模型 教师要求学生对比分析生态瓶与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：在“生态平衡”中的生物圈中，氧气和二氧化碳的含量是否也应该处于一个相对稳定的状态？ 教师要求学生描述系统的结构、关系和变化过程，并构建生物圈中的“碳氧平衡”模型图（图4）。 图4 生物圈中的“碳氧平衡”模型图 最后，教师基于模型，用一般的语言概括“碳氧平衡”的概念： 绿色植物进行光合作用，消耗大气中的二氧化碳，产生的氧气以气体形式进入大气，使生物圈中氧气和二氧化碳的浓度处于一个相对平衡的状态，简称“碳氧平衡”。

设计意图：从微观的生态瓶到宏观的生物圈，教师进一步论证、深化和应用“碳氧平衡”模型，帮助学生突破“绿色植物有助于维持生物圈碳氧平衡”这一重要概念。在此过程中，教师让学生体验知识形成的过程，使学生在深刻理解的基础上主动建构概念。 3.5在“社会问题”中强化“碳氧平衡”模型 教师首先引导学生思考：人类的哪些活动破坏了生物圈的“碳氧平衡”？请结合建构的“碳氧平衡”模型，尝试分析其原因。接着，教师播放我国造林绿化杰出代表塞罕坝林场的视频，让学生从视觉和数字两个角度直观感受塞罕坝林场一分钟内吸收的二氧化碳和释放的氧气量，并要求学生在每天10小时充足日照的前提下，计算塞罕坝林场每小时、每天、每年吸收的二氧化碳和释放的氧气量。最后，教师结合学生构建的“碳中和”图表和“碳氧平衡”模型，进一步引导学生思考：作为新时代的年轻人，为了建设美丽中国，我们应该如何做才能绿色低碳？设计意图：教师利用当前社会热点问题引发学生的深入思考，结合生物圈“碳氧平衡”造成的危害以及我国在减碳节能方面所做的各项举措和贡献，用生动的例子、真实的数据，让学生进一步认识到绿色植物在维持生物圈“碳氧平衡”中的重要作用，这不仅加深了学生对“碳氧平衡”概念的理解，也增强了学生的社会责任感。

4 教学反思 本课采用模型建构法，引导学生经历了“初步建构—不断完善—进一步深化—学习运用”的过程，学生对模型建构的认识更加深入，认知水平不断提高，最终建构并完善了“绿色植物有助于维持生物圈碳氧平衡”的概念。在模型建构活动的设计中，教师不仅注重学生的自主学习，还提倡学生的探究学习、合作学习，为学生科学思维能力、探究实践能力、创新能力的发展创造了有利条件。-全文结束-