基于“教学过程重实践”理念的“研究土壤小动物类群丰富度”的教学设计和实施.pdf

24通生报2023年第7 期月总第58 卷学物基于“教学过程重实践”理念的“研究土壤小动物类群丰富度”的教学设计和实施朱承慧陈加敏（中国科学院附属实验学校北京100029)摘要基基于普通高中生物学课程标准（2 0 17 年版2 0 2 0 年修订）“教学过程重实践”的基本理念，以研究土壤小动物类群的丰富度为例，阐述在单元教学设计的框架下，通过学生主动参与探究实践活动，在实践中发现问题、分析问题，发展学生的科学思维、探究能力和创新精神，并以该研究结果为案例，引导学生应用知识解决实际问题，落实核心素养教学目标。关键词土壤小动物勿丰富度实践教学学核心素养中国图书分类号：G633.91文献标识码：A普通高中生物学课程标准（2 0 17 年版2 0 2 0修订）（以下简称课程标准）提倡教学过程重实践理念，即强调学生学习的过程是主动参与的过程，使学生通过探究性学习活动，理解生物学概念，提升应用知识的能力，培养创新精神，并建立科学的思路和方法，探讨或解决实际问题。“研究土壤中小动物类群的丰富度”是课程标准在模块2“生物与环境”教学提示中为了帮助学生达成对“不同种群的生物在长期适应环境和彼此相互适应的过程中形成动态的生物群落”概念的理解，促进学生核心素养的提升而开展的实验。在该实验实际教学中，存在2 个问题：1)由于该研究需课堂内、外结合，受时间、地点等限制，很少教师真正开展实践活动，大多通过资料分析进行教学，或成为“土壤小动物丰富度的调查方法”的知识记忆教学；2)将“研究土壤中小动物类群的丰富度”的课题教学变为“土壤中小动物类群丰富度的调查”，将教学重点过于放在调查方法和物种丰富度统计教学上，而缺乏分析土壤小动物与环境相适应的原因，更加缺乏对土壤小动物类群结构的分析，没有理解该研究在单元中的地位与在落实课程标准概念教学和素养培养中的意义。已有的文献资料案例，也难以落实课程标准的要求。基于“教学过程重实践”的教学理念，以落实学生核心素养目标为导向，设计并实施了本教学案例。1背景分析1.1孝教材分析“研究土壤小动物类群的丰富度”是人教版普通高中生物学选择性必修2 生物与环境“群落的结构”中“探究实践”的内容。从“探究实践”标题的比较来看，2 0 17 年版教材将2007年版本的“土壤小动物类群丰富度的研究”改为“研究土壤小动物类群的丰富度”，“研究”一词由名词改为动词，更加强调了研究活动的实践性和过程性。该研究活动的开展：一方面利于加深生物群落结构相关概念的理解；另一方面该案例利于引导学生分析群落的结构及生物与环境之间的关系，也为群落的类型和演替、生态系统等概念的理解奠定基础，便于达成课程标准的要求。从教材文本内容来看，在“探究实践”的引言中，除提到土壤小动物丰富度的调查方法外，还提到要关注土壤小动物类群结构，在“提出问题”中提到可探究不同时空中土壤小动物的丰富度，这些内容提示，在教学中应结合案例引导学生分析土壤小动物与环境的关系、土壤小动物的*基金项目：安徽省教育科学研究项目“基于项目式学习的高中生物实验教学设计及实施研究”（JK20062）；安徽省教育科学研究项目“生物学实验教学与信息技术融合创新的行动研究”（JK20060）通25报学生物2023年第7 期月总第58 卷种间关系、生态位等。在“提出问题”和“讨论”栏目中，鼓励学生自主提出值得探究和讨论的问题，具有较大的开放性，培养学生创新精神。制订计划”栏目中留白，鼓励学生自主制订计划。鉴于本研究难度较大，在“方法步骤”栏目中给出较为详细的方法指导，为学生提供探究实践的脚手架，同时强调探究的科学性、方法性。1.2学情分析学生在义务教育阶段学习了生物学中的食物链、生态系统、生物与环境相适应等相关内容，但不够深人，为学习本节课建立了前概念。此外，本节课与生活实际联系紧密，学生对学校附近的生态系统非常熟悉，具有在自已生活中建立起来的经验概念，这些前概念和经验概念是学习本节课良好的基础。但限于中学生的学习和生活经历，多变量的实验探究设计能力、逻辑思维、科学论证能力、迁移创新能力等均较弱。根据中学生的素养水平和生活实际，本节课的设计重在依据教学实际，发展学生的探究、论证、思维和迁移能力1.3设计思想基于教材分析、学情分析和课程标准，本节课的设计思想主要有：1)以群落概念为统领，贯穿单元教学的大情境创设下的课时设计；2)以任务为驱动，让学生主动参与学习、研究过程，在亲历自主设计、获取信息、发现规律等过程中学习知识和科学思维方法；3)以问题为主线，在实践中，鼓励学生主动发现问题、分析和解决问题，在探究活动中着力于思维的开发、创新精神和探究能力的提升；4)以结构化知识应用为导向，充分引导学生分析土壤小动物及其与环境的关系，理解群落和群落结构中种间关系、生态位、群落的动态变化等概念，助力文明生态观的建立。根据背景分析，本课时的内容架构设计如图1所示。细胞个体种群群落生态系统不群落结构群落类型群落演替等木作为情境建立前概念物种组成空间结构动态变化生态位不不研究结果用于分析丰富度种间关系研究土壤小动物类群的丰富度图1“研究土壤小动物类群的丰富度”课时教学内容架构2教学目标1通过自主探究土壤小动物的丰富度，领悟探究实验的方法和过程（科学探究、科学思维）。2)通过分析土壤小动物类群差异的原因，理解群落是各物种相互联系和适应环境的产物，生物群落是一个有机整体（科学思维、生命观念）。3）运用生态位、种间关系等概念，分析土壤小动物类群结构，关注环境保护，发展生态文明观（社会责任、生命观念）。3教学重、难点基于课程标准、教材和学情分析，设定本课时的教学重、难点1）教学重点：科学设计和实施土壤小动物类群丰富度的研究实验，得出结论，分析土壤小动物类群种类和丰富度差异的原因。2)教学难点：研究土壤小动物类群丰富度实验的多因素设计，土壤小动物的分类和类群结构分析。26生通报学物2023年第7 期月总第58 卷4课前准备1）确定学习小组：教学班级每3人分成1个小组，分工合作进行土壤小动物的采集、分类和统计，自主推荐学习组长，组织交流和汇报。2)教具准备：取样器、托盘、解部针、放大镜、体视镜、吸虫器、试管、酒精等，中国土壤动物检索图鉴 2 。3)课前预习：在学生课外观察农田、人工林等群落的基础上，布置课前预习教材文本知识的任务，准备土样，为进人实验室开展探究活动做好准备5教学活动5.1回顾单元大情境，导入新课首先展示单元大情境群落图片：农田群落和退耕还林的人工林群落。前2 节课，通过观察这2种群落，学生学习了群落的物种组成、丰富度、优势种、种间关系、生态位以及群落的季节性等内容，请学生依据所学知识，完成任务单（图2）。农田人工林群落概念：物种组成：物种丰富度比较：森林农田。优势种举例：群落结构种间关系：举例，森林一，农田空间结构：森林，农田群落的季节性：描述生态位：概念：举例描述O图2农田和人工林群落结构比较的任务单教学目的：从农田到退耕还林是本单元学习的大情境，本课时的教学也在该大情境的子情境下进行设计。通过察看任务的完成情况，评价学生对前2 节课时的学习效果，也为本课时的学习做好知识准备5.2阅读教材，设计并实施研究5.2.1自主阅读，提出问题教师过渡：前面通过观察、分析，比较了农田和人工林的地上部分生物，学习了群落结构的相关知识。但农田和人工林土壤中的生物和环境有无差异？本节课研究土壤中小动物类群的丰富度。请阅读教材第30 31页的内容，回答下面5个问题：1)土壤小动物有何特点？如何取样？为什么？2）如何采集土壤小动物？3）如何科学地观察和分类土壤小动物？4）如何测定土壤小动物的丰富度？5)依据前面所学的群落结构知识，结合该“探究实践”中“提出问题”栏目中的文字提示，请提出期望探究的问题由于该研究对学生的要求较高，一些实践方法也比较陌生，教材给出了较为详尽的指导。通过问题引导，学生自主阅读，了解土壤小动物类群丰富度的研究方法和步骤。对学生提出的期望探究的问题进行汇总、讨论、指导，确定研究的主题：研究农田和人工林0 5和5 10 cm深处的土壤小动物类群的丰富度5.2.2制订方案，合作修正依据教材提示，并经过小组讨论、修正，制订计划，见表1。27通报学生物2023年第7 期用总第58 卷表1“研究土壤小动物类群的丰富度”计划步骤时间地点内容方法备注1)2021年1 1 月1 3 日野外农田和人工林等群落结构观察观察、记录课外活动、注意安全2）2021年1 1 月1 8 日学校或家庭土壤小动物类群研究计划讨论、制表课前预习记录时间、地点、3）2021年1 1 月1 9 日野外不同群落土壤取样取样器取样法位置等信息简易采集法，利用放大镜、4)2021年1 1 月1 9 日实验室土壤小动物采集、观察与分类小组分工合作图鉴等观察分类5)2021年1 1 月1 9 日实验室统计、分析、得出结论讨论、交流、书写报告实验报告教师提问：推测森林和农田0 5和5 1 0 cm深处的土壤中小动物丰富度大小？依据是什么？学生根据地上部分的物种丰富度推测人工林的土壤小动物丰富度大于农田，依据地表枯枝败叶较多，推测离地表近的土壤中小动物丰富度较大，即0 5cm深处土壤中的小动物丰富度大于510cm深处土壤中的小动物丰富度。教学目的：鼓励学生根据所学知识和生活经验提出假设，促使开展实验检验假设是否正确。5.2.3动手实践，实施研究根据研究计划，将课前采集的土壤分发给每个小组，每小组1 袋土壤样品（以下简称土样）（共1 2 个小组，1 2 份土样，每个土样贴有取样时间、地点、位置深度的标签，在标签上覆盖有1，2，1 2 数字的标签）。小组内分工合作，将土样倒人托盘中，用解剖针、镊子、吸虫器等工具按照教材提示采集土壤小动物，较大的土壤小动物放人烧杯中，较小的土壤小动物放人盛有酒精的试管中。借助放大镜、体视镜观察，对照中国土壤动物检索图鉴鉴别小动物，记录土壤小动物的类群丰富度和数量（图3）。土壤取样采集小动物土祥维粥第姐土塔小动物类群土耀小动物个体总数绿工线蜂端类群丰富度（8）个体总数（小）体视镜观察观察记录图3土壤小动物类群的观察与记录但明确告知学生，识别小动物名称并非重点，对于不知名的小动物，物种可用字母代替，对照图鉴，只要识别纲、目即可学习小组完成土壤小动物的采集、鉴别后，各小组代表将各组数据汇总到表2 中。采用班级合作的形式，完成研究计划中数据的收集。表2土样小动物数据采集汇总表（只）土样编号一23456789101112物种数826一32502131个体总数115103537033 35教师提问：各小组的土样只标记了编号，并没有标注土样的来源，能否推测出土样的来源？请小组间学生观察土样进行交流、讨论。学生尝试归类后，教师提醒学生将序号标签去掉，查看土样的真实来源与推测是否一致。课堂实践表明，大多小组通过观察能够判断出土样来源（表3）。但通过土壤小动物的丰富度和个体总数进行判断，判断依据不够充分，也导致3 个小组判断错误。经教师提示，学生观察其他小组土样的性质，如颜色、湿度、颗粒大小和腐殖质含量等，可以得出正确的结论表3 学学生推测土样来源和实际来源对照情况土样来源深度(cm)学生推测组号实际组号森林051,3,71,3,5森林5102,4,6,92,4,6农田055,117,9,11农田5108,10,128,10,12“观察、判断和检验土样的来源”教学环节，学生表现出极大的兴趣。综合比较土壤动物种类和数量与土样的性质，即从生物特征和环境特征2 个方面推测土样的来源，进一步加深生物进化与适应观。教学方法也蕴含解决问题的思想即当面临新的情境或事物等，可以从多个方面分28生通报物2023年第7 期总第58 卷学析，发现它的本质特征，再依据这些特征来找出相应的规律，从而解决问题。但是也应提醒学生，科学探究要严谨，如标签的科学记录，否则可能会导致研究结果的误判5.2.4表达交流，得出结论如何评价土壤小动物类群的丰富度和结构？重复间土壤小动物种类和数量皆不同，如何科学得出结论？请学生根据类群丰富度的概念，重新整理调查数据，统计出不同土样中小动物类群丰富度，并大致描述结构关系的复杂性此处数据的处理难度较大，教师提示学生根据土样来源，对数据进行整理、归类，汇总成表4。表4 土壤小动物类群丰富度和数量统计土样深度不同位置不同位置类群丰富度土壤小动物土样来源重复类群数（个）物种数量（个）(cm)类群数(个）数量均值（个）(个/cm）数量均值（个）1811053610119535森林12122255104134462375705923641133农田778005101013231215注：不同来源和深度的土样各重复3 次。表中“类群数”和“物种数量”指每个重复中的土壤小动物类群数和物种个体总数；“不同位置类群数”和不同位置数量均值”指3 次重复归纳统计后的土壤小动物类群数和物种个体数量均值；“类群丰富度”和“土壤小动物数量均值”指森林和农田0 1 0 cm深处的土壤中小动物类群丰富度和土壤中小动物个体数量均值。根据表4 数据可以看出，不同来源和不同位置的土样中，小动物类群数和个体总数皆有差异，能得出什么规律？不同重复间土样小动物类群数和个体总数存在差异，可能原因是什么？通过引导学生回归丰富度的概念，重新整理数据，客观评价土壤小动物类群丰富度，得出结论：1）森林的土壤小动物类群丰富度比农田大，数量多；同一地点0 5cm深处的土壤小动物数量比5 1 0 cm深处的多，验证了假说。2)取样的随机性会导致小动物种类和数量在重复间的误差。5.3检测评价，发展知识迁移应用能力根据调查结果，学生还能提出什么问题？鼓励学生自主提出问题，师生讨论回答。随后，教师列举问题：1）不同群落中土壤小动物丰富度差异的原因有哪些？2）不同深度土壤中小动物类群有差异，反映了群落的什么结构特点？3)列举土壤小动物和群落中其他物种间的种间关系。4）以某种土壤小动物为例，描述其生态位。5）是否地上物种数量越多，其土壤中小动物类群丰富度也越高？6)如何计算和评价土壤小动物的种群密度？鼓励学生自主提出问题，培养创新精神。通过学生的回答，评价学生对群落与环境的相互作用、种间关系、生态位和群落空间结构等概念的理解与迁移应用能力。通过分析土壤小动物的生活特性得出结论，即土壤湿度、通气性等性质和其中所含的腐殖质含量适于相应土壤小动物的生存，加深了对重要概念“不同种群的生物在长期适应环境和彼此相互适应的过程中形成动态的生物群落”的理解本节影响、相互作用的关系发展学生推理能理解生物和环境相互显的差异，通过弓对十镶类型进行分类工林这2 种土壤的通气性、颜色等性质有明方面是农田和人有相互联系的统有机体；另物类群与地内物种是具方面便于分析地下动农田和工林土壤在开展研究活的情境，采用电的结构化的草地、菜地、树林等。为活动中的土壤资源来源丰富，如可选择校园附近该研究29通报学生物2023年第7 期总第58 卷5.4回归单元情境，导向群落类型和演替0.4向叶浴全典百内容教师展示单元情境“农田和人工林”图片。讲解：通过“群落的结构”这一节的学习，可以看出农田退耕还林后，物种丰富度明显提高，种间关系和空间结构都变得复杂，同时土壤条件得到改善，适合更多的生物生长，形成了良性循环。但是与天然林相比，人工林还存在着一些问题，如在本章的首页中提到的，人工林容易暴发虫害，这与物种丰富度、食物网相对简单有关。这提示人们，从农田到人工林，再向天然林升级改造，可以使生态环境变得更加美好。具体如何改造，后面的章节将会给出答案。此环节的目的在于通过回顾单元大情境，导向对群落的类型和演替及生态系统的学习。此外，引导学生逐渐建立生态文明观，培养爱护群落生态，以及改造环境、建立美好家园的社会责任意识。6教学反思6.1创设大情境，开展研究活动该研究活动属于“群落结构及其演替”单元中的内容。在学习本单元时，为了使群落结构层次知识结构化，创设了统领该单元的大情境，即学校附近的农田群落和退耕还林的人工林群落。学生通过实地观察2 类群落的差异，以及物种间关系的分析，构建了群落的概念，且涵盖了群落的结构、类群和演替等所要学习的内容本研究活动开展前2 课时，通过观察农田和人工林地上部分，学习了群落结构中的物种组成、丰富度、种间关系、生态位及群落的季节性等概念。在开展本研究教学时，首先继续展示农田和人工林群落大情境，目的：1 使学生置身于大情境下，系统、整体、结构化地学习知识；2 通过比较农田和森林2 种群落，回顾、巩固上节课所学内容，并为本节学习所用；3)在此情境下，自然引导学生质疑2 种群落土壤中的生物类群是否有差异。通过分析生物与土壤环境关系，逐步建立生物与环境相适应的观念。课时教学最后，回顾单元情境，为群落的类型、群落演替和生态系统的学习建立前概念，也帮助学生逐步建立爱护小动物、保护环境的生态文明观。6.2密切利用当地资源，开展教学6.3在探究过程中，发展科学思维提出值得探究的问题是探究的关键。本教学是在学生学习群落的结构内容和自主阅读教材文本内容的基础上，让学生提出可行性的探究问题，充分自主设计、讨论、修正实验方案，实施实验，观察实验现象，讨论并得出实验结论。此外，考虑到探究时间，利用小组分工合作，并通过观察、分析、比较，对小组间的土壤进行归类。目的在于：1）使学生自主养成科学探究的思维习惯；2)引导学生面对新情境时，养成“分析事物的特征，抽象事物的本质，并加以概括”的逻辑思维习惯。6.4充分利用研究案例，指向迁移应用课的教学设计和实施，不仅注重学生自主研究土壤小动物的丰富度，而且充分利用研究的结果，鼓励学生进一步提出值得思考、讨论或探究的问题，如分析不同土壤中小动物类群丰富度差异的原因，举例说明并比较土壤小动物的生态位等。这些问题的回答既可反映出学生对本节知识的迁移应用能力，也可以很好地评价学生概念、思维等素养水平主要参考文献1中华人民共和国教育部.义务教育生物学课程标准(2022年版)S.北京：北京师范大学出版社，2 0 2 2:8.2尹文英，胡圣豪，沈芬，等.中国土壤动物检索图鉴 M.北京：科学出版社，1 9 9 8.(E-mail:)