“生態系統的物質循環”項目式教學設計

王潔

關鍵詞：堆肥；物質循環；項目式學習；核心素養

文章編號：1003-7586（2024）01-0025-04 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

項目式學習旨在通過創設真實情境，以問題為導向，指導學生在獨立思考和小組合作探究中，基于所學知識和拓展資料，解決一個個問題，而后通過評價總結提升、交流并展示成果的過程，該過程使得學生在深度學習中實現知識的關聯，為學生實踐能力的培育提供載體。而《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）恰恰強調“教學過程重實踐”這一課程理念，強調在主動探究并解決真實情境問題的過程中，實現知識的遷移、思維的提升、核心素養的培育。因此，項目式學習也是實現生物學學科核心素養的重要抓手之一?；诖?，本節課以高中“生態系統的物質循環”一節為例，探討如何在高中生物學課堂中運用項目式學習，實現生物學學科核心素養的塑造。

1教材分析

“生態系統的物質循環”是人教版新教材《生物學·選擇性必修2.生物與環境》第3章第3節的內容，內容涵蓋“碳循環”“生物富集”“能量流動和物質循環的關系”三個部分。本節教學重點為分析碳循環的過程、概述生態系統物質循環過程及生物富集，而比較物質循環和能量流動關系、探究土壤微生物的分解作用為本節課難點?！吧鷳B系統的物質循環”是生態系統的功能之一，對于全面理解本章“生態系統及其穩定性”具有推動作用，同時為理解下一章“人與環境”、認同生態文明建設做鋪墊。

通過前兩節的學習，學生已掌握分解者在生態系統中的地位和作用，明晰能量在生態系統中是如何流動的，因此理解生態系統的物質循環并不難。但如果僅是常規課堂講授，與生活實踐脫節，較難促發學生保護環境的社會責任感、健康生活意識和自然生成生物學學科核心素養。并且，新課標也在“教學提示”中建議在教學中拓展有關探究活動，提高學生環境保護的意識。因此，基于學生已有知識體系與實驗操作能力，教師在教學設計上以“落葉堆肥”為項目式學習的主題，讓學生在小組活動中親身實踐，在問題解決中深度思考，在總結評價中提升自我，實現知識的建構及綠色生活、保護環境意識的塑造。

2教學目標

基于新課標的要求及學生學情，制訂以下教學目標：

（1）知道微生物分解對堆肥的重要作用，能獨自制作堆肥。

（2）制作堆肥并將其埋入田野，在促進植物更好生長的過程中，體會勞動的快樂，理解生態系統的物質循環并能說出碳循環的過程，明晰物質循環與能量流動的區別，塑造生態資源可持續利用的發展觀。

（3）闡釋生物富集的成因，了解生物富集的危害。

（4）在小組制作堆肥、改良堆肥等團隊活動中，主動探究并搜集信息，團結其他成員，分工協作。

（5）在生活中尊重、保護生態的有機平衡，自發踐行健康、綠色的生活方式，有意識地借助各種媒介向同學、家人等群體宣傳綠色的生活方式。

3教學過程

3.1創設情境，引入學習項目

教師展示冬天布滿落葉的校園及落葉焚燒對環境造成污染的圖片。學生提出質疑：落葉中含有豐富的營養物質和C、N、K等元素，當作垃圾焚燒不僅污染環境還浪費資源，有什么措施既可以保護環境又可使自然資源利用最大化？而后，教師展示自然狀態下熱帶雨林更替的視頻，提出問題：沒有人為的干擾，這些落葉去了哪里？為什么熱帶雨林能夠生生不息？

設計目的：以身邊常見的落葉創設情境，讓學生在提出疑問中有效地促發學習新知的原動力，驅動學生開動腦筋，思考循環利用落葉的方法，激起學生保護環境的意識。視頻及教師的問題驅動學生聯想到“落紅不是無情物，化作春泥更護花”的詩句，進而與分解者相關聯，從而使教師順理成章地引出本節項目——落葉堆肥。

3.2實操堆肥，發現項目問題

當學生將落葉與分解者聯系起來后，學生提出問題：如何利用分解者，快速將校園落葉處理干凈并實現落葉循環利用呢？教師播放落葉堆肥的視頻，解答學生疑惑，激起學生親自動手操作的興趣。教師將班級劃分為3個小組，以小組的形式打掃校園，搜集落葉，并根據視頻在大課間制作落葉堆肥。

在制作落葉堆肥的過程中，學生對一些操作環節提出了疑問，教師進行匯總，結果如表1。

根據以上分析，學生將總項目拆解為5個子項目，分別是：落葉堆肥原理的探究、促進落葉堆肥腐熟的探究、尋找更多適合堆肥的材料、施加最適堆肥的量、堆肥效果的檢測。項目學習路徑如圖1。

設計意圖：讓學生學會用落葉制作堆肥，切身體會環境保護需要每一個人的參與，人類活動也可以對自然產生積極的影響。通過小組制作落葉堆肥，既可使學生生成協調配合、分工協作的能力，也可讓學生在實踐中發掘問題，為子項目的確立鋪陳。

3.3解決子項目，習得新知

針對確立的子項目，設計如下探究活動。

探究子項目1：為什么落葉可以堆肥？設計活動①：聯系呼吸作用、分解者在生態系統中的地位和作用，用顯微鏡觀察堆肥中的微生物，而后小組內進行思考、討論，得出是土壤、落葉中分解者將落葉分解。設計活動②：通過查閱落葉腐熟資料、觀看落葉腐熟視頻、觀察堆肥腐熟過程的變化、用鼻子嗅腐熟堆肥產生的氣味等活動，分析出落葉堆肥能使植物長得更好的原因在于落葉中的有機物被分解者分解成無機物，而后埋入土壤，使土壤中C、N、K等元素含量升高。設計活動③：結合細胞呼吸作用、植物光合作用，剖析并畫出C、N等元素從落葉（無機環境）中進人生物群落，又從生物群落進入無機環境的物質循環過程圖，并與能量流動的特點進行比較。

設計意圖：在深度探析落葉堆肥制作蘊含的生物學本質過程中，主動梳理新知與舊知，透過表象切身領悟分解者在促進物質循環、維持生態系統穩定中的地位和作用，串聯并歸納物質循環及能量流動的內在關聯。

探究子項目2：如何促進落葉堆肥的腐熟？設計活動①：查閱堆肥相關論文，小組交流、歸納得出：在材料制備中，可以采用破壁機粉碎落葉，促進微生物的分解；在腐熟過程中，適當提高堆肥溫度、向堆肥中添加適當EM菌（有效微生物群）或尿素等可以加快微生物降解。設計活動②：制作2盆堆肥，1號盆放入用剪刀剪碎的落葉，2號盆放入等量用剪刀剪碎的落葉且混合100gEM菌，后續堆肥制作過程同表1的步驟。觀察并記錄二者腐熟過程及在相同時間內的腐熟程度。設計活動③：小組匯報、交流實驗結果。

設計意圖：查閱資料的任務旨在培養學生檢索重要信息的能力，跳出思維的局限，主動探尋有效促進堆肥腐熟的方法，并從材料、技術、設備等方面對實驗進行改進。

通過小組合作制作改良堆肥，一則可以體悟實踐探究的魅力，領會應用生物學知識解決問題的樂趣及技術發展對驅動生物學實驗順利推進的積極影響，二則拉近生物學與學生生活的距離，啟迪學生保護環境也可從自身做起，從一點一滴的小事做起。安排展示交流活動旨在錘煉學生語言表達能力，提高學生邏輯思維能力以及表現自我的能力。

探究子項目3：尋找更多適合堆肥的材料。設計活動①：結合自身生活常識并查閱堆肥相關資料，得知堆肥材料不僅可以是落葉，還可以是濕垃圾、廢紙等；根據材料的不同，可以制作成固體堆肥或液體堆肥。設計活動②：組間交流查閱資料結果，討論以這些材料制作堆肥的優缺點。其中，有個別小組聯系已有的化學知識及剛學的物質循環，提出廢報紙、廢課本等不適合作為堆肥材料。隨后，教師引導學生閱讀教材生物富集相關內容，討論該小組的看法是否合理，并聯系生物富集，合理解釋廢報紙等材料不適合作為堆肥材料的原因。最后，教師提問：在日常生活中如何避免生物富集？學生通過所學知識和生活常識回答：遠離含有重金屬等難以被身體代謝的物品、食品，并將含有這些物質的物品進行分類，交由專業機構處理，不亂扔、亂燒，以免使這些有害物質流入生態系統并在生物體內富集。設計活動③：以水果皮、雞蛋殼等濕垃圾為材料制作液體堆肥，標記為3號盆，記錄并觀察液體堆肥腐熟過程。

設計意圖：在完成設計活動①過程中，打破學生思維定式。設計活動②旨在引起學生思維的碰撞，在交流中產生質疑，為生物富集的提出做鋪墊。學生在教師的層層追問中驅動深度思考，尋得某些物質不能作為堆肥材料的根本原因，明晰生物富集的危害及特點，并自發踐行綠色生活方式。

探究子項目4：施加最適堆肥的量。設計活動：通過查閱資料，得知固體堆肥與田土的適宜比例，若為液體堆肥，則將液體堆肥按堆肥與水的質量比為1：30稀釋后噴灑最佳。

探究子項目5：堆肥效果的檢測。設計活動①：查閱資料，得知可以通過觀察種子萌發率獲悉堆肥效果。根據實驗資料，設計并實施檢測堆肥效果的實驗方案，方案設計見表2。設計活動②：一個月后各小組將成果以實驗報告形式呈現，并安排各小組查看其他小組種子萌發情況及實驗報告，進而獲悉與清水、土壤浸提液相比，腐熟的堆肥促進豌豆種子萌發效果更佳。最后小組之間互相點評，教師進行總結，并將制作的堆肥埋入班級農場，促進農場植物更好地生長。

設計意圖：設計實施對照實驗，提升學生實驗探究思維。通過學生互評、教師點評，讓學生認識到制作堆肥過程中的優缺點，進一步完善該實驗，并提高合作意識和實踐能力。將堆肥埋入土壤，讓學生切身理解物質循環對生態系統的現實意義及人類活動對生態環境的積極作用。

3.4拓展延伸——開展宣傳，提高社會責任

組織學生以小組為單位，一方面將制作堆肥、改進堆肥的過程及結果以實驗報告或論文的形式呈現，另一方面將生物富集的途徑、危害等知識以海報、學校公眾號等形式進行宣傳，呼吁大家有效利用資源、學會環保生活。同時，在學校藝術節、運動會等重大活動中，開設專門的宣傳位點，各小組成員開展有獎應答、知識競賽等形式的科普活動。

設計意圖：通過論文或實驗報告的書寫提高學生學術寫作能力。通過設計海報、發布公眾號等形式鍛煉學生語言表達、網頁制作等能力。學生通過開展知識競賽等活動，可深入理解物質循環、堆肥的重要作用，自覺做到綠色生活，并能真實體悟社會活動的參與感，提升社會認同與社會責任。

4教學反思

本節課以身邊常見的落葉如何處理為出發點，以小組查閱資料、實驗探究等形式，較為全面地了解落葉處理常用方法——堆肥，以及制作堆肥存在的問題。以保護環境、促進生態系統物質循環為落腳點，設計和開展項目活動。學生通過制作堆肥并將腐熟成功的堆肥埋入土壤，不僅掌握制作堆肥的方法，理解生態系統物質循環的現實意義，還促進植物更好生長，體悟親身勞動的快樂，收獲成功的喜悅，感受到科技發展對生物學研究的現實意義，并有效地激發學生綠色生活的觀念。在項目活動中，學生搜集資料、查閱資料、篩選有用信息、合作探究的能力也得到錘煉。開放式的學生展示、交流活動，一則挖掘學生語言表達、策劃活動的能力，二則讓學生體悟到“星星之火，可以燎原”，驅動學生更加積極主動參與社會活動。

在堆肥腐熟過程中，小組成員觀察到有些液體堆肥出現白色菌膜并伴有酸味，有些表面覆蓋一層白膜并散發酒的香甜。對于學生的疑問，教師可先有所保留，將實驗現象記錄下來，作為選擇性必修3“傳統發酵技術的應用”一節的情境素材。有的小組也提出可否找到“超級微生物”快速分解堆肥，因此可在學習選擇性必修3“微生物的選擇培養和計數”一節或“發酵工程的應用”中以該視角進行探究實踐、拓展延伸。

此外，在項目式學習中，不僅要有學生的主動探究，教師適時適當的指導、點評也應貫穿整個項目。當學生遇到思維的迷思時，教師要及時以問題串等形式引導學生撥開迷霧；當學生探究的方向與本節重點相背離時，教師也要及時發現并撥正；當學生呈現階段性成果時，教師更應給予準確、正向的反饋與評價。幫助學生攻堅破難，順利完成項目式學習，正確、有效架構新知體系，真正發揮項目式學習的優勢，有效促進高中生物學教學及學科核心素養落地。