基于概念模型构建的“生态系统的能量流动”一节的教学设计

陈 鹏 （江苏省溧阳中学 江苏溧阳 213300）

1 教材分析及设计思路

“生态系统的能量流动”一节是人教版必修3《稳态与环境》第5 章第2 节的内容。本节内容是学生在学习了第1 节生态系统的结构内容后，对于生态系统功能的首次学习，而本节内容的学习也是以生态系统的结构（成分与食物链、食物网）为前提；同时生态系统的能量流动也是第3 节生态系统物质循环的动力，两者之间相辅相成。在必修1《分子与细胞》内容中，微观的细胞层次的呼吸作用和光合作用涉及的能量转换，是该节内容宏观生态系统层次能量流动的细胞学基础，所以必修1 相应内容的复习是本节内容学习的铺垫。

能量流动过程与特点是本节课的重点和难点。第一营养级和第二营养级能量的输入和输出是本节课学生理解的难点。鉴于抽象、宏观的内容特点，本节课以“同位素标记法”为研究方法，为学生提供思维的切入点；以“构建生态系统能量流动概念模型—校验生态系统能量流动概念模型—形成生态系统能量流动概念模型—应用生态系统能量流动概念模型”为线索。通过分析具体的农田生态系统中，同位素放射性标记的CO2在生态系统成分中出现的先后对象、形式、途径，以物质为载体渗透能量的流动分析归纳，构建生态系统能量流动的概念模型、理解能量流动的过程和特点。在形成概念模型构建整体认识的同时，帮助学生形成物质是能量的载体这一物质能量观，培养学生的核心素养。

2 学情分析

学生已学习了细胞呼吸、 光合作用能量转化过程；生态系统结构（成分与食物链、食物网）相关内容，为学习本节内容储备了良好的前知识概念。而学生在必修1 分泌蛋白的合成和分泌内容中，通过同位素标记追踪分泌蛋白的过程，已形成了同位素标记能直观呈现微观的抽象流动性这一认识，为本节课的学习提供了思考、分析的切入点。

3 教学目标

1）知识目标：分析生态系统能量流动的过程和特点，分析某个生态系统的能量传递效率，举例说明研究能量流动的实践意义。

2）能力目标：尝试运用科学方法（同位素标记）分析能量流动问题，尝试构建“能量流动”概念模型和“能量金字塔”物理模型。

3）情感态度与价值观目标：认同物质是能量的载体这一物质能量观，形成对概念模型构建的整体认识，关注生态系统能量流动生物学知识在现实生产中的应用。

4 教法分析

采用小组合作学习法。通过对问题的分析、归纳得出能量流动的概念模型；同时通过构建能量金字塔物理模型，呈现学生不同的思维过程，加深对能量流动特点的认识和理解，真正实现课堂中学生主体地位的回归。

5 教学重、难点

重点：1）生态系统的能量流动过程；2）生态系统的能量流动特点。

难点：能量流经第一、第二营养级情况的比较。

6 教学过程

6.1 创设情境，激发学习热情 呈现稻谷收割季节随处可见的“禁止焚烧秸秆”宣传标语图片，并提出问题：“秸秆有哪些用途？ ”引导学生分析、讨论秸秆中所包含的能量，引入课题。

6.2 温故知新，做好学习铺垫 学生共同回忆必修1 中细胞呼吸、 光合作用流程图中相关生理过程、能量形式，为学习宏观的生态系统能量流动做好准备。

6.3 分析案例，构建概念模型 以具体的秸秆所在的农田生态系统为对象，以林德曼的赛达伯格湖能量流动图解为案例。通过分析以14C 为标记的CO2的同位素在农田生态系统成分中的出现顺序、形式、途径等，并结合物质转换过程中的能量转化，实现由物质到能量的迁移，构建能量流动概念模型；以林德曼的赛达伯格湖具体案例为实验依据，通过与构建的能量流动概念模型进行比较，对构建的模型进行校验并形成概念模型；最后通过现实生活中的具体实例，从能量流动角度进行解释和分析，应用模型，达成学习目标。

6.3.1 同位素标记分析、构建模型 以秸秆所在的农田生态系统为例，通过14C 为标记的CO2的同位素在不同生态系统成分中出现的先后顺序、形式、借助的生理过程，并结合物质是能量的载体这一生命观念，分析能量在不同生态系统成分中的流动过程，构建模型。

教师活动1： 呈现农田生态系统典型生物类群（农作物、鼠、蛇），引导学生进行问题探讨：1）用箭头表示同位素在3 种生物中出现的先后顺序；2）在3 种生物体内14C 以怎样的形式出现？ 又要借助于怎样的生理过程才能实现？ 3）能否出现在生态系统其他成分——分解者、无机环境中？又是以怎样的形式？必须借助怎样的生理过程？引导学生以同位素标记法为切入点，探讨生态系统中的物质转换过程。

学生活动1：结合前面所学知识内容，写出食物链，完成问题探讨，标出以14CO2为起点在农田生态系统各成分中与14C 转换相关的物质存在形式和相应的生理过程。

设计意图：以同位素标记法为切入点，以物质分析为载体，首先引导学生通过物质转换的分析，为能量的转化分析做好铺垫。

教师活动2：在物质转换的基础上，反问：今天的课题要讲能量流动，但一直分析的是14C 标记的CO2的物质转换，哪里有能量流动？到底有没有？真的没有吗？借助知识回忆内容中对于光合作用、细胞呼吸生理过程中能量的转化关系，引导学生在以物质为载体的前提下，进行蕴含的能量转化的分析（图1）。

学生活动2：联系知识回忆内容，对14C 标记的CO2的物质转换过程中蕴含的能量流动过程进行分析、讨论。

设计意图：基于学生最近发展区，以物质转换为外在显性线索，分析伴随的内在隐性能量转化过程，使学生形成能量转化是以物质转换为前提和载体的生命观念。

教师活动3： 以农田生态系统中的其他同营养级生物为例设置问题，让学生演绎推理它们的能量流动情况，进行归纳、总结，构建能量流动概念模型，并通过问题巩固模型。

学生活动3：分析、归纳得出农田生态系统中的不同营养级生物的能量流动情况，构建能量流动概念模型。借助问题分析、讨论，加深对模型的理解。

设计意图：概念的形成、模型的构建要基于大量的事实依据，因此以其他生物并推而广之到某一营养级生物的能量流动情况，构建能量流动概念模型。

6.3.2 利用赛达伯格湖案例校验模型 以赛达伯格湖的能量流动定量分析图为实验依据，通过表格对该案例进行定量分析，了解赛达伯格湖的能量流动情况；并通过表格对能量流动概念模型及赛达伯格湖的实验数据从过程、 特点2 个方面进行分析、比较，校验模型。

教师活动1： 展示赛达伯格湖能量流动定量分析图，设计表格（表1），让学生完成数据填写，并计算能量流动传递效率。

学生活动1：完成表格，并对能量流动过程传递效率进行计算。通过整理、计算数据，了解赛达伯格湖的能量流动过程。

表1 赛达伯格湖能量流动分析表［单位:J/（cm2，a）］

设计意图： 在构建能量流动概念模型的基础上，通过对赛达伯格湖能量流动过程的定量分析，收集具体案例数据，为模型校验提供依据。

教师活动2：设计表格（表2），引导学生对构建的模型和实际案例进行比较分析，判断模型的科学性、正确性，校验模型，得出实验结论。

学生活动2：依据表格，完成理论模型和实际案例的比较，校验模型，得出实验结论。

设计意图：构建的理论模型正确与否，需要实验现象和数据的验证。通过表格对比理论模型和实际数据的一致性，对模型进行校验，得出结论。

表2 能量流动概念模型和赛达伯格湖能量流动案例比较分析表

6.3.3 比较分析、 形成模型 在比较理论模型、实际案例数据的基础上，对模型进行修正，形成生态系统能量流动的正确概念模型（图2）。

教师对模型进行简化和说明，使学生形成正确的生态系统能量流动模型和概念。

学生借助问题，对模型进行分析、说明，理解模型。

设计意图： 归纳总结得出正确的生态系统能量流动概念模型。

6.3.4 构建物理模型、解释现象原理、应用模型解决实际问题 通过对能量金字塔物理模型的构建及现实生活中相关应用领域的现象和原理解释，让学生应用生态系统的能量流动概念模型解决实际问题，加深对模型原理、特点的理解。

教师活动1： 提供白纸、3 种不同颜色的其他纸、胶水、剪刀。不同颜色代表不同营养级生物，纸片大小表示所含能量多少（传递效率为20%），构建第一、第二、第三营养级之间能量多少的物理模型。

学生活动1：小组合作，动手完成用纸片表示第一、第二、第三营养级生物之间能量多少的物理模型构建。

设计意图：学生通过亲自动手构建模型，体会能量流动过程的特点。

教师活动2：展示实际生活中相关现象或应用，让学生运用能量流动相关知识进行说明和解释：1）虎等大型肉食动物容易成为濒危物种；2）饲养牛、羊等动物，成本低、产量高；3）农作物栽种时要及时清除杂草；4）依据草场的实际情况，确定载畜量；5）苏北农村将秸秆做饲料喂牲畜；牲畜粪便进行沼气发酵。并进行点评。

学生活动2：运用生态系统能量流动概念模型相关知识进行解释和说明。

设计意图：通过对现实生活中相关实例的分析和说明，加深学生对能量流动的理解，并体会研究生态系统能量流动的现实指导意义。同时借助最后一方面的应用引入对于粪便中能量的讨论，进而突破能量流经第一、 第二营养级情况差异这一难点。

教师活动3：展示概念图（图3），让学生将与第二营养级相关的能量概念按照相互的大小、包含关系填入概念图中相应位置：摄入的能量、固定的能量（同化量）、用于生长发育繁殖的能量、呼吸作用散失的能量、粪便量。

学生活动3：通过小组分析、讨论各能量概念的含义、大小关系，完成概念图。

设计意图： 借助概念图这一直观形式表示能量之间的相互包含关系，帮助学生理解能量流经第二营养级的具体情况，突破难点。

本节课以物质转换分析为切入点，在此基础上进行能量转化的分析，并在整个教学过程中以完整的概念模型构建为线索，借助具体的案例、现实应用和概念图，帮助学生理解相关内容、突破难点、达成学习目标，较为顺利地使学生形成物质能量观、体会概念模型构建的一般过程。