深度学习观照下“光合与呼吸”主题+建模教学实践

吴向阳

（闽江师范高等专科学校，福建 福州 350007）

初中“光合与呼吸”的教学常出现下列情况：教师碎片化呈现“光合与呼吸”的事实，缺乏对规律的提炼；学生公式化记背“光合与呼吸”的概念，缺乏对概念内涵的理解，这是一种基于孤立视角和机械记忆的浅层学习。《义务教育生物课程标准（2011 年版）》对该主题的目标要求是达成“概述、阐明和说明”，它需要历经对事实的描述和解释、对概念的解析和提炼等深度学习的过程。

深度学习的要旨是，学习者经历认知加工形成知识体系，在此基础上运用逻辑思维做出决策或解决问题。［1］不同类型的模型因其特征不同，具有描述、解释、预测和推理等功能［2］，教学过程中可借助模型的功能，运用建模手段推进学科能力［3］的逐步进阶，从而达成深度学习。

一、“光合与呼吸”主题的教学分析

本主题的教学设计，是在对课程标准有关要求进行分解和综合的基础上，以系统观的角度将“光合与呼吸”相关知识建立联系，形成一个单元式主题设计。本主题“教—学—评”一体化设计如表1 所示。

表1 中，教学目标的设计遵循着识记、理解、应用和分析等层次逐级递进；对目标达成的评价设计为，在一定问题情境下运用学科能力如“学习理解”“应用实践”“迁移创新”进行问题解释或问题解决；通过设计适切的建模和用模活动推进教学实施。

表1 “光合与呼吸”主题教学目标、过程、评价设计

二、建模达成学科能力进阶的深度教学实践

（一）示意图直观呈现复杂生理，形象思维助力记忆和概括

示意图是“图像和符号模型”的一种，由符号、图形组成，它将复杂和抽象的生理功能具象化，其功能是描述事物。“光合与呼吸”新授课的实验观察已经让学生获得了有关原料、产物和条件等方面的事实证据，在进一步的教学中，教师可提供如图1“光合与呼吸关系示意图”引导学生填图完善，通过图文转化评价学生对碎片知识之间是否形成联系，从而检验学生对“光合与呼吸”概念的建立。

图1 光合作用和呼吸作用关系示意图

教学过程：问题情境——回忆已经学习的知识，根据示意图，说说光合作用与呼吸作用有何关联？

①学生回忆并书写光合作用和呼吸作用物质变化及发生场所，完成图甲结构a、b 的填写；②阅读图乙，判别A、B 分别是什么过程；③教师追问“光合与呼吸，分别涉及物质的合成或分解？”

过程①需要提取记忆并观察图甲，这个过程运用到“观察记忆”能力，即识别生物现象、叙述生理过程，描述图表信息等，达成了目标分析中的T1、T2（见表1）。过程②的图乙加深了“光合与呼吸”两者的联结，对图乙的认同需要学生运用如提炼、对比和分析等“归纳概括”能力，结合过程③检验概念内涵的理解，达成T3。

（二）类比建立概念模型，促进概念扩展和问题解释

类比是利用已知事物的特性迁移理解新事物的一种建模手段。学生若要建立对“光合与呼吸”两者内涵的联结，首先要理解“植物体内的有机物，其实是植物的光合总量扣除植物呼吸消耗量之后的结果”，这个概念可以用类比教学实现（见表2）。

表2 光合/呼吸作用与水池进水/出水的类比

教学过程：问题情境——植物的呼吸与光合是一对“消”和“长”的过程，如果用“一个有出口和进口的蓄水池”来打比方，如何解释植物生长的结果？

①教师引入“资源”——水池、“目标”——植物体，师生共同完成表2。教师追问“水池中剩下的水量，是全部的进水量吗？”“如果水池水慢慢在增多，是进水多还是出水多？”等。②拓展训练：取相同生长状况的三片树叶A、B、C。A 烘干得a（重量，下同）；B、C 分别同时给予光照或黑暗条件，其他生存条件一致，一段时间后烘干，分别得b、c。求这段时间叶片光合作用制造出的总有机物量。

步骤①通过类比将“水池总进水量=水池剩余水量+出水量”迁移建立了“光合总量=净光合量+呼吸消耗量”的概念模型，达成T4。步骤②中，教师可引导学生利用上述模型得出该时段总光合量=a-c+b-a（该时段呼吸消耗=a-c、净光合量=b-a），即b-c，完成T5。这个过程需要学生在“光合与呼吸”两者的原理建立联系的基础上，借助核心概念和原理进行多重推理，训练了“概念拓展”的能力。

（三）从质性描述走向量的分析，数学模型训练简单推理

生理曲线图是人们分析综合生命现象的本质属性后，将其发展规律表示为“不具备函数关系”的一种数学曲线模型，它有助于描述、解释和推测生命现象。［4］高考评价体系提出语言表达素养应包括能够熟练运用图表等方式表征抽象概念。［5］以曲线表示“光合与呼吸”生理活动，有助于引导学生提炼规律，进而应用规律。图2 和图3 呈现生理曲线建模过程。

图2 光照与光合作用强度关系表达选项

图3 光照与光合强度关系数学建模过程示意

教学过程：问题情境——光照越强光合作用就越强吗？“光合与呼吸”随外界条件而变化是否有什么规律？

①识别模型：从图2 中选取表达“随光照增强，光合强度变化趋势”的选项。教师利用a 点解读生命现象的特殊性。②解释完善模型：图3-甲中“由b 到c，表明光合和呼吸哪种生理活动占优势？”“当CO2释放量为零时，曲线应该与X 轴的o 点还是a 点连接？”③运用模型：出示图3-乙，推测A、B 两种作物哪个更适合在光下生长。

上述建模和用模过程中，学生需要结合“光合与呼吸”主题的核心知识，解释和推测曲线走势，并以此为证据进一步对生物学现象进行预测和推理，在训练“简单推理”能力的过程中达成T6、T7。

（四）构建知识网络形成概念框架，系统思维帮助建立远迁移

思维导图可表征概念与概念的内在关系，将宏大复杂的过程可视化，利于学生形成整体视角。“光合与呼吸”的核心内容是物质和能量的变化，它统整了植物各个生理活动。教学中整合“光合与呼吸”与“细胞生命活动”相关概念，帮助学生搭建知识系统，还原概念应有位置和关系，以系统角度解释问题（如图4）。

图4 有关“光合与呼吸”的跨主题知识网络系统模型（局部）

教学过程：问题情境——项目学习小组设计微型大棚种植西红柿，利用植物的“光合与呼吸”的知识，该从哪些方面设计装置以提高产量？

①建构模型：确立核心词，如由“光合作用”自由发散出“物质变化”“能量变化”“影响因素”等方向；深入联想，将“物质变化”拓展为“无机物转化为有机物”“无机物从哪来”“有机物有什么用”等线索；聚焦交集，如“呼吸”和“光合”都涉及物质变化，又如“光合作用的原料”与“植物的吸收、运输”产生联系等；知识结构化，以关键词联结跨主题的知识形成网络。②问题解决：教师提供现实问题，引导学生在思维导图中提取相关因素解决问题。

上述知识网络涉及诸多大概念，如“细胞的生活需要物质和能量、细胞的生活受环境影响、植物体维持碳—氧平衡”等。学生在建立知识网络的过程中，沿着概念内涵的深入和外延的拓展，将跨课时和跨主题的概念碎片有机整合，发展了“远迁移”能力，达成T8；问题②的解决需要提取“光合与呼吸是生命必需的生理活动、这些生理活动受外界条件影响”等多种信息的关联性，提炼“如何保障光合与呼吸的正常进行，并最大可能增进光合的产出和抑制呼吸的消耗”，这个过程运用了远迁移能力，达成T9，远迁移的训练是进一步达成创新能力的台阶。

综上所述，学生思考和解决问题能力的获得，源于深度学习的真正发生。通过学科思维能力进阶推动教学，能促进知识从内涵理解到迁移运用，最终达成知识内化为素养。