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本刊2024年第10期刊发的《“碳中和，我能做什么”跨学科单元设计与实践》一文，采用基于探究的学习作为教学策略，开发了新的实验装置，通过定量测算耗氧量和放氧量来反映二氧化碳浓度变化的实验方法，探究密闭生态系统中的碳中和现象，本期荐读。
“碳中和，我能做什么”
跨学科单元设计与实践
杜康 （北京第一实验学校）
李艳芳 郑纪元 王美军 （北京市十一学校）
杭跃男 （北京市海淀区教师进修学校）
摘要
在“生物和生物圈”单元课中，采用基于探究的学习作为教学策略，开发了新的学生实验装置，通过定量测算耗氧量和放氧量来反映二氧化碳浓度变化的实验方法，探究密闭生态系统中的碳中和现象，并以生态缸为模型，探讨生态系统中影响碳中和的因素。
关键词
跨学科实践 生态系统 碳中和
《义务教育生物学课程标准（2022 年版）》 （以下简称《课程标准》）对生命观念、科学思维、探究实践和态度责任的核心素养均提出了新的要求。第一次提出了生物学与社会·跨学科实践专题，涉及核心概念 9“真实情境中的问题解决，通常需要综合运用科学、技术、工程学和数学等学科的概念、方法和思想，设计方案并付诸实施，以寻求科学问题的答案或制造相关产品”。在跨学科实践部分建议进行“设计并制作能较长时间维持平衡的生态瓶”活动。
这一单元涉及《课程标准》内容要求的大概念 3“生物与环境相互依赖、相互影响，形成多种多样的生态系统”和重要概念 4.3“植物通过光合作用和呼吸作用获得生命活动必需的物质和能量，有助于维持生物圈中的碳氧平衡”。基于《课程标准》的要求，本单元的学习目标为：1）能够运用所学的知识，以生态缸为模型，探讨测定一个生态系统是否达到碳中和的原理和方法。2）能够根据测试数据，设计并制作一个达到碳中和的生态系统。3）能够分析影响生态系统碳中和的因素，并设计实验进行探究，使生态系统长期维持碳中和。4）能够理解碳中和的重要意义，以及碳中和与个人生活的关系，制订个人下一年度碳中和方案，为碳中和作出实际贡献。
教师引入主题，提出碳中和的概 念。学生依据碳中和的示意图，说出对碳中和概念的理解。通过观看视频资料，学生归纳出二氧化碳大量排放可能引发的危害，认同碳中和对生物圈稳定的重要意义。
教师引导学生回顾所学知识，总结生态系统碳循环的模型（图 1），指导后续的研究过程。同时，学生会发现，研究生物圈、全国、城市或森林公园等大范围的生态系统的碳中和情况非常困难，最终将目光锁定在教室内的生态缸上，用生态缸作为模型来研究生态系统的碳中和情况，该过程体现了“系统和系统模型”这一跨学科概念。
了解碳中和的意义和原理之后，引导学生讨论测定生态缸整体是否达到碳中和的方法，主要讨论测试时间、生态系统是否密封、数据处理等关键细节。最终学生能够明白：使用溶解氧测试 仪测定密闭生态系统在 24 h 内的溶解氧变化，代表二氧化碳的变化，用来反映生态系统碳中和的波动情况。同时，学生能够用类似的方法来测试每种生物的二氧化碳排放量，从而配置一个能够达到碳 中和的生态系统。
学生根据测试曲线分析生态缸的耗氧量和放氧量，得到碳中和的状态。根据学生的测试结果可知，教室内的生态缸并未达到碳中和，而是处在吸收氧气、排出二氧化碳的状态。同时，学生通过分工测量和计算，得到了植物（绿菊，光照和黑暗下）和动物（鳑鲏鱼、斑马鱼、金鱼、红草金鱼、马来螺等） 每天的耗氧量数据。
学生根据已有的数据进行讨论和计算并设计一个能够达到碳中和的生态系统。每个小组的代表在课堂中展示制作方案，其他学生借助量规（表 1）对方案进行评价，学生以小组为单位制作生态系统。
学生在设计和制作生态缸的过程中，调用了“尺度、比例和数量”和“系统与模型”这 2 个跨学科概念。一个达到碳中和的生态缸，实际上是一个能够较长时间维持平衡的生态系统。
学生得到一个可以达到碳中和的生态系统，则该生态系统是否可以一直保持碳中和？将学生的分析总结归纳为影响生态系统碳中和的 2 类因素，即生物因素和非生物因素。然后由小组选择感兴趣的因素，按照量规（表 2）设计和改进实验方案。
学生分享实验过程和得到的结论，并提出问题：夏季的室温一般在 25℃，如何让生态缸保持碳中和状态？学生定性回答“增加生态缸中绿植的数量”，进而定量回答“夏季室温在 25℃左右，增加绿色植物数量，这些绿色植物需要使生态缸内氧气质量浓度每天增加 93.6 mg/mL 才可以”，后者更容易操作。
3 个不同的研究团队分别发表了“二氧化碳含量升高对于鱼听力的影响”的论文，在介绍论文之前，先引导学生根据实验目的设计实验方案。学生在了解鱼类听觉的形成之后，提出多种方式来检测鱼的听力，如耳石的结构，对外界声音刺激的反应等，这时引入 3 个研究团队的实验：在第 1 个实验中，研究人员通过分析鱼耳石的大小，发现二氧化碳浓度上升使鱼耳石变大，可能导致鱼听力增强。第 2 个实验，研究者在鱼缸的一侧播放鱼天敌的声音，观察记录鱼在天敌声音一侧停留的时间比例。发现二氧化碳浓度升高后，鱼不再对天敌声音有躲避行为，因此得出结论：二氧化碳浓度上升，鱼听力减弱。第 3 个实验检测了使鱼脑产生听觉信号的 最低响度，可以发现在更高二氧化碳浓度的条件下生长的鱼，需要更高分贝值的声音才能引起听觉信号的产生，因此得到与第 2 个实验相同的结论。至此，学生发现 3 个实验选择的检测指标不同，结论也不同。
提示学生从反射弧的角度来进行思考，在反射弧中标记出 3 个实验检验的对应环节。第 1 个实验检测的是内耳的结构，第 2 个实验检测了躯干和尾部肌肉收缩，第 3 个实验检测了听觉中枢 的电信号。通过分析，学生发现第 3 个实验能直接检测鱼的听力，因为听觉产生于听觉中枢，如果只检测耳石，则海水酸化对传入神经和听觉中枢神经细胞的影响是未知的；而如果检测的是效 应器，很有可能海水酸化影响的是运动中枢而非听觉中枢。通过此实验，学生可以意识到，检测指标的选择可能对实验结论的正确与否有很大的影响。学生也发现，要有质疑精神，联系所学的知识进行质疑，科学才会不断进步。同时，引导学生对完成的实验进行反思：使用耗氧量这个指标来反映碳中和的情况是否科学。
经过上一环节，学生发现，鱼类的生存受到二氧化碳浓度变化的影响。通过前一课时的调查作业，学生已经发现人们的衣食住行各方面都涉及二氧化碳的排放。学生发现由于生活方式有差异，不同学生的年度二氧化碳排放量差异很大（图 2）。
在这里，引导学生思考如何减少碳排放，同时提出最后一个子任务：制订下一年度个人碳中和方案。让学生在调查表中标记出可以减少的项目，生成个人年度碳中和方案，同时呼吁学生和教师互相监督，共同为碳中和的实现贡献力量。
“碳中和，我能做什么”这一单元的设计，从真实的社会环境出发，将碳中和的社会议题与学生的生活方式结合起来，充分调动了学生运用学科知识解决真实问题的能力，很好地达成了教学目标。
在探究实践方面，本单元教学开发了以耗氧量作为指标来反映碳中和的测试方法和装置，在实验中引入定量分析。在生态系统的制作中引入了捕食关系和分解者，使学生制作的生态系统真正能够实现物质循环和能量流动。同时，计算生态系统中的每一种生物的数量和比例，计算依据则来自学生的实验结果。在核心素养方面，本单元的设计培养了多种科学思维：抽象和概括、创意创造、实验探究、调查研究、决策等；强调质疑与思辨，通过实例分析，克服了单一实验指标的局限性，使学生意识到引入多种实验指标互相印证更科学。本单元的设计将国家层面的碳中和与学生个人日常生活相联系，每个人的年度碳中和方案都实现了量化，且可操作性极强。在课程评价方面，本单元的设计引入了多种评价方式，将学生自评、学生互评和教师评价相结合，进行形成性评价，并且通过表现性作品进行终结性评价。
本次推送仅节选了文章部分内容，全文阅读详见本刊2024年第10期。欢迎订购！
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