基于科研方法的“生态系统的能量流动”教学设计

王魏然 付 鑫

(北京市十一学校 北京 100039)

1 教材分析与设计思路

生物学是一门实验科学，任何生物学结论和规律都是以实验结果为基础而得出的。新课标提出的“科学思维”与“科学探究”等核心素养很好地体现了生物学的本质。因此，在落实新课标的过程中，学生和教师都应当像科学家一样去思考课本结论和规律都是基于什么样的实验方法、实验结果和数据而得出的。

“生态系统的能量流动”是人教版必修3第5章第2节内容，能量流动作为生态系统的一大功能，以生态系统结构为基础，依赖光合、呼吸等细胞代谢过程，遵循能量守恒定律，为物质循环提供动力，对生态工程的实施有重要指导作用。所以，能量流动不仅在本章承上启下，还建立了学科之间的联系，体现了生物界与非生物界的统一性。同时，学习本节课的学生已经经历了分子、细胞、个体、种群、群落和生态系统等生命系统结构层次的学习，对生态学宏观规律的把握并不困难。

基于此，本节课的教学突破常规教学思路，从科学研究的思路出发，将真实的科研材料引入到课堂教学中，引导学生从科学家在实验过程中所得结果和现象的角度去解释教材结论，以此方式来教授能量流动的特点和过程等基础概念。让学生不仅可以更加深刻地理解能量流动的特点和过程，抓住课标要求的基本知识点；也可以体会科学家进行生态学实验、分析和处理实验结果的方法，了解科学研究的真实情况，体会科学研究的本质。

2 教学目标

依据课程标准并围绕培养学生核心素养的要求，制订了如下教学目标：

(1) 通过从实际案例中得出的能量流动的过程和一般特点，初步形成生态学的整体性观点，认同生物界与非生物界的统一性。

(2) 通过对实际生态系统中生物的食物组成和各营养级的能流量数据进行分析，构建能量流动模型，体会生态学中能量流动的研究方法和流程。

(3) 能够应用能量传递的规律解释或解决实际问题，如对使人工生态系统效益最大化、维持自然生态系统的长期稳定等问题提出合理化建议。

3 教学过程

3.1 导入 教师介绍科学家研究长江口生态系统中生物间捕食关系的方法和结果——根据生物胃中的食物残渣，鉴定残渣所属物种、重量，反推食物比例。结果如表1。提出以下要求： ①根据表1写出以上生物所形成的食物网，标明营养级；②体会科学家分析生物间捕食关系的方法。

学生通过分析生物的食物组成，可以厘清捕食关系，通过画食物网、标营养级，可以回顾上节内容。然后教师根据学生所写食物网中蕴含的能量流动，引出能量流动的主题。

表1 长江口生态系统部分生物间的食物组成[1]

3.2 能量流动的特点(1)——单向流动 教师带领学生分析表1展示的生物间捕食关系(单向性)。提出以下问题： ①表1所展示的生物之间有互相捕食的吗？②由此可知，沿着食物网发生的能量流动有什么特点？

学生通过思考教师提出的问题，结合所画食物网，可以总结提炼出能量流动有单向、不可循环的特点。

3.3 能量流动的特点(2)——逐级递减 从现象到原因，最后总结概念。

3.3.1 能量流动逐级递减(现象) 教师介绍科学家获得能流量数据的方法和结果——通过以上分析胃内容物的方法得到该生态系统整体的食物网，将食物网中所有生物归到各自的营养级，测定各营养级生物的有机物量，结合各生物呼吸消耗量(二氧化碳释放速率)和被捕食量(其捕食者的胃内容物)等参数，推算出流经各营养级的能流量(以有机物重量表示),结果如表2。提出以下问题： 观察表中数据，营养级从低→高，能流量如何变化？

学生通过分析表2所示数据，可以非常直观地从实际数据中得出能量流动逐级递减的特点。

表2 长江口、俚岛鱼礁、海藻场生态系统各营养级能流量情况

3.3.2 能量流动逐级递减的原因 教师提出以下问题，启发、引导学生思考： 哪些原因可能导致流经上一营养级的能量不能100%地流入下一营养级？

学生通过思考以上问题，理解能量逐级递减的原因，并明确正是因为遵循能量守恒，在除去呼吸消耗、流向分解者、流向人类(捕捞)之后，流向下一个营养级的能量才逐级递减。

3.3.3 能量传递效率 教师提出能量传递效率的概念，展示能量传递效率的数据(表3)，简单介绍利用第一四分位数(Q1)和二四分位数(Q3)，得出最大、最小非异常值，进而得出能量传递效率在10%～20%的一般范围(图1)。提出以下问题： 你打算如何描述表3所示数据的大致范围？

学生可理解能量传递效率的一般范围，思考描述一组数据一般范围的方法，并体会如何从数据出发，分析其一般范围的科学方法。

表3 长江口、俚岛鱼礁、海藻场生态系统各营养级间能量传递效率

图1 利用四分位数计算生态系统能量传递效率的一般范围

3.3.4 能量金字塔 教师提出能量金字塔的概念。学生根据表3数据可画出能量金字塔，体会其将能量流动逐级递减定量且直观化的一般特点。

3.4 能量流动的过程和概念 教师提出问题： ①生物通过什么过程从外界获取能量？②什么过程使得能量离开该生物？学生通过思考以上问题，小组讨论，厘清能量流动的过程，在纸上画出能量流动具体过程的概念图。教师给出长江口生态系统各营养级的呼吸消耗量、流向分解者量等数值，帮助学生直观感受能量流动过程。

教师通过以上分析，归纳、总结能量流动的概念。

3.5 能量流动规律的应用 教师提出以下问题： ①解释“一山不容二虎”的原因；②食物链中营养级个数有限(一般4～5个)的原因；③超大型动物(蓝鲸、象)都是植食动物的原因。学生可根据能量流动的规律，回答以上问题。检验学生对以上能量流动特点的理解。

4 教学反思

能量流动是生态学中的宏观内容。本教学设计选择了长江口、俚岛鱼礁、海藻场生态系统作为实际情境，克服了单纯讲解难以提起学生兴趣、印象难以持久的缺点。通过展示以上生态系统中生物的食物组成、能流量的具体数据，得出能量流动的特点；通过介绍科学家获得以上数据的方法，让学生体会生态学中能量流动的研究方法；通过介绍四分位数的思想，让学生理解能量流动研究中数据处理的方法和思路。部分学生在上课过程中难以理解胃内容物、能流量推算的研究方法，以及四分位数的数据处理方法。但课下辅导后问题不大。所以，上课过程的引导需要更加严密。