北师大版初中生物七上第3单元：基于真实情境的跨学科实践实验教学研究--以《改造校园天台绿化》为例

北师大版初中生物七上第3单元：基于真实情境的跨学科实践实验教学研究--以《改造校园天台绿化》为例 一、使用教材：北师大版生物七年级上册（第3单元） 二、实验器材 （一）实验仪器：多功能探测器（可测土壤温度、湿度、pH、光照强度）、便携式光合作用仪、二氧化碳传感器、氧气传感器、小气象站、激光测距仪等。 （二）实验用品：透明蛋糕包装盒、Led灯带、苏打水、恒温杯垫、烧杯、黑色塑料袋、碘液、凡士林、锡箔纸、透明胶、氢氧化钠溶液等 三、实验改进要点 （一）实验方法与教学方法的改进 （1）进行教材实验整合重构：北师大版七年级上册第三单元中涉及到大量与植物生理和生长的实验，如：“验证绿叶在光下合成淀粉”、“检验光合作用释放氧气”、“检验光合作用需要二氧化碳”、“研究不同光谱成分对植物生活的影响”、“植物的蒸腾失水”、“探究植物气孔的数目和分布”。而这些实验相对耗时长、步骤多且多为验证实验，无法培养学生对植物生活的整体认识。我们结合教材第七章第3节建议的“设计校园绿化方案”这一活动，将教材中零散的、低阶的植物演示、验证实验整合为对能力要求更高的探究实践，有利于学生形成对植物生活的系统认识。 （2）由教师创新走向学生创新：促进科学实践深入探究，完成了新课标中要求的学生应学会设计单一变量的实验，探究关于植物生活的影响因素，弥补了教材在此部分内容上的空白。体现了新课标中对探究活动、跨学科实践活动的提倡，提高了学生分析和解决实际问题的能力，培养了学生的社会责任感、创新精神和实践能力，为学生提供了深入探究、充分实践的平台。 （3）基于真实情境问题解决：围绕改造校园天台绿化项目，基于学生生活中的真实问题，引发探究思考，利用科学实验的方式辅助问题的解决，从而推进改造项目的进一步开展。 （4）开展学科融合多维实验：重构整合的实验，不单单只在生物学方面探究植物生活生长的因素，并且利用相关设备和仪器，结合实际问题，利用信息化技术辅助、融入化学因素等的探究，促成多学科融合的多维实验。 （5）定性探究融入定量分析：在教材原有的实验中，要求对初中学生只涉及定性的宏观探究思考，而创新改造的实验通过统整、引入具体定量的测定分析，培养学生学会使用数据、分析数据得出实验结论的方法。 （二）实验仪器的创新 本节课引入了大量便携式的数字化设备来对影响植物的各类因素进行探究，加强了科学、技术社会相互关系的教育，推进了现代信息技术与教学深度融合，促进了学生综合能力的发展。 （多功能探测计） （ CO2/O2传感器 ） （ 便携式光合作用测量仪 ） （ 小气候站 ） （三）教学评价的创新 本节课是一堂基于真实情境的融入了跨学科知识的探究实践，课堂产物为完成天台绿化改造，过程中主要以探究影响植物生长的环境因素的实验设计与实施情况，天台绿化方案的设计，植物的真实生长及学生汇报的形式呈现。因此，本节课的课堂评价结合了各小组实验设计与实施、方案设计、植物长势、学生探究过程表现互评、学生汇报情况等多种因素，对学生进行了多维度、全方面的过程性表现评价与终结性项目探究学习评价。 （四）学生成果的创新 实验探究是此项目推进的催化剂，学生不仅仅因为探究某一问题而开展相关探究实验活动，而更是把实验的结果及结论具体运用、解决实际问题，促进项目的开展。学生大胆进行实验设计，针对天台环境中可能影响植物生长的因素进行了多次、多组对照实验以探究环境因素对植物生长的影响，并根据实验结果筛选出了适宜栽种在该花园的植物。待植物生长稳定后再次进行实验，并根据该结果对植物的分布进行了调整，最终使得整个花园同时具有了“科学性、美观性、实用性、生态性”，完成了天台花园设计的多次迭代。 图1 植物筛选过程 第一代花园（改造前） 第二代花园（初步改造后） 第三代花园（调整后） 图2 花园迭代过程 四、实验设计思路 在大概念统领下，基于真实情景，运用单一变量实验的结论指导解决真实问题。 (一)设计依据： （1）2022年版义务教育生物学课程标准将跨学科实践视为促进学生综合素养发展的重要途径，不仅促进学生对生物学知识本身的学习还通过与其他学科的融合，使学生能够更深入地理解生物学的原理和概念，并将其应用于实际问题中。 （2）义务教务生物学课程标准主题四植物的生活中，明确提出学生要能设计单一变量探究关于植物生活的影响因素。而北师大版七年级上册第三单元中涉及到大量与植物生理和生长的实验，我们结合教材建议的设计校园绿化方案这一活动，将教材中零散、低阶的植物验证实验整合为对能力要求更高的探究实践。基于真实情境中的经费限制，我们先在实验室中进行小成本的设计单一变量实验探究环境对植物的生长的影响，筛选出最适合生长在校园天台的植物，完成校园绿化方案的设计，解决真实问题，有利于学生形成对植物生活的系统认识。 （3）基于学习进阶，目前的实验教学只能培养孩子低阶记忆和理解知识，只有在跨学科实践活动中运用才可能触及高阶思维，提升学生科学素质。而实验到实践的进阶也符合我们的生产生活规律，能更加高效、经济的解决真实问题。 (二)设计背景： （1）教育部关于加强新时代中小学科学教育工作的意见中明确提出要推进基于探究实践的科学教育，实施探究式教学，培养学生深度思维和解决问题能力，教师应积极探索利用现代技术手段改进和强化实验教学，为中小学生提供更加优质的科学教育。 （2）不断升级迭代的育才校园环境中刚好存在1一块老旧荒废的天台亟需绿化改造，学生十分渴望参与到改造项目中，学校为此拨款1万元经费予以支持。这为位跨学科实践实验教学提供了真实情境。在真实情境中学生有较强的运用实验去解决现实问题的主观能动性。 五、实验教学目标 （一）设计对照实验探究环境因素对植物长势的影响，培养实验设计与实施的科学思维及探究实践素养。 （二）根据实验结论指导校园天台绿化改造，通过勘测、筛选、设计、栽种、监测等开展跨学科实践活动，发展学生核心素养，形成人与自然和谐共生的态度责任。 六、实验教学内容 图3 实验教学内容 七、实验教学过程 图4 实验教学过程 本实验教学分为2个活动元，第一个活动元，设计对照实验分别探究5大因素对植物光合作用的影响，本活动元包含5个实验设计，学生分别探索了如何控制单一变量，如何进行目标环境的实验处理等，完成了本实验教学从验证实验转变为探究实践的改进。在学生完成初步实验后，开展小组交流进行实验改进。在课堂上为学生提供了一系列的实验装置的微课视频，如二氧化碳传感器的使用，让学生可以根据自身实验的需求完成实验仪器的选择。最终学生将在本活动元完成方法创新、设备创新和仪器创新。 活动元1得出的实验结论将用于指导活动元2的实践探索。活动元2分为5个小活动，分别是天台环境的勘测、结合实验结论指导天台绿化的选种设计绿化方案和监测植物长势等，最终完成天台绿化的改造。体现了生物学到学科融合的改进。 八、实验效果评价 （一）方法创新 （1）学生自主探究：本课程最大的创新点在于将创新实验的对象由教师转变为了学生，学生自主探究了凡士林涂抹叶片上下表皮对植物光合作用的影响。 （2）跨学科探究：巧妙运用化学知识通过苏打水调节土壤酸碱性。在天台环境的勘测活动中，学生运用地理学知识自创了立竿见影法来判断天台方位，利用多功能探测计掌握天台土壤理化性质，利用数学和工程学知识对天台环境进行测量，计算天台坡度。 图5 设备及仪器创新 （二）设备创新 在探究光合作用强度对植物光合作用的影响中，学生利用透明蛋糕包装盒自制了光照培养箱，通过在黑色垃圾袋上打出大小不同的空洞控制光照强度，为避免实验受限制于天气状况，在该装置中贴上可调节光线强弱的led灯带，实现了装置的迭代。 （三）仪器创新 （1）学生选择了微课视频中出现的酸碱计使得实验结果更加精确，使用光照计精准判断光照强度。使用二氧化碳传感器让未学过化学知识的学生亲眼看见二氧化碳会被氢氧化钠所吸收，随着光合作用的进行二氧化碳浓度会降低，氧气浓度会升高，完成了该实验从定性到定量的改进。 （2）引入了新设备小气象站，连接到手机，学生直观监测到天台风速、大气温湿度、太阳辐射等信息，对天台信息进行整合，绘出平面图。 （3）自主操作便携式光合仪。该仪器可将教材中的多个实验整合到一起，快速测得植物的多种生理信息，节省时间，学生可以通过屏幕直观看到植物光合速率的变化，通过设置不同的二氧化碳浓度和光照强度，可直观看到不同植物光饱和点等的不同，实现初高衔接。 图6 改造后的天台绿化情况 整个实验教学过程中我们能不断听到学生惊呼连连，讨论不断，这样充满活力、充分发挥学生动手能力和科学探究实践能力课堂正是我们所需要的。学生表示通过本次基于真实情境的探究实践教学他们提升了深度思维和解决问题能力，提升了科学素质。 学科网（北京）股份有限公司 $$