例谈基于真实情境的模型建构教学<br/>——以“能量流动”为例

例谈基于真实情境的模型建构教学
——以“能量流动”为例

2020-03-20

中学生物学 2020年11期

（江苏省南京市雨花台中学江苏南京 210012）

素养时代，如何在课堂教学中落实学科核心素养？首先，教师需要深刻理解核心素养的概念及此概念的形成过程。崔允漷教授用考驾照来类比知识与能力的关系。他认为交通规则是知识，倒库移库是技能，有了知识技能之后，还要路考，在真实情境中才能形成能力。而形成素养还需要反思，在反思中，形成安全驾驶的关键能力、文明行车的必备品格和尊重生命的价值观念。学生的学习也经历同样的过程。因此，教师需要精心创设真实的情境，引导学生发现问题并解决问题，让学生在体验科学探究的过程中形成核心素养。那么，在高中生物课堂教学中，针对不同的教学内容，教师如何创设真实的情境？如何在真实情境中引导学生主动探究？笔者在“能量流动”一节中进行了尝试。

1 真实情境的创设

1.1 真实情境的概念

这里所说的情境，是针对教材的去情境化而言的，是还原教材中抽象符号、术语所表达的概念、定律和原理的形成的背景、过程等真实、具体、生动的事实。因此，真实的情境因具有学科知识性，与生物核心概念有密切联系；生活性，与学生生活密切联系，可以让学生感受到知识学习的意义与价值；可探究性，可以引发问题解决型的学习任务；可结构化，即利于学生形成结构化的图式。可见，真实情境不仅仅在导入时引发学生的学习兴趣，更是应该贯穿于知识学习的全过程。

1.2 从赛达伯格湖到生态瓶

能量流动是选择性必修3的重要内容。从《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中的概念层级分析，能量流动作为生态系统的主要功能是建立在生态系统的结构的基础上的，也是学生理解生态系统稳定性的基础。因此，从生态系统的稳定性的单元整体教学设计角度看，创设的情境是基于生态系统的结构，又贯穿于功能学习和稳态学习。

从科学发现史的角度看，生态系统能量流动的模型是林德曼对赛达伯格湖进行定量研究的基础上构建的。因此，学习情境也应该与赛达伯格湖有相似的结构和功能。

基于以上考虑，在生态系统的结构的学习基础上，笔者指导学生模拟学校附近的花神湖，构建小型人工生态系统——生态瓶，使生态瓶成为学习探究生态系统能量流动的真实情境。

2 情境中的模型教学

2.1 模型教学的意义

模型是抽象和形象的有机结合，能抽象表达本质特征。模型研究是科学研究方法之一。生态学的研究是在大量野外观察和调查的基础上，分析各成分的关系，再通过构建生态模型来研究真实系统的本质和规律的。因此，教师可引导学生像科学家一样在构建模型中认识科学现象，亲身体会科学家发现问题、构建模型解释现象、使用和研究模型并不断地修正模型的过程，从而促进学生发展逻辑推理、批判性思维等科学思维。基于情境的模型教学就是要引导学生充分分析情境中原型的各要素的结构和功能，充分理解情境中原型各要素之间的生物学联系，在从原型中抽象出本质特征的同时，又能形象将本质特征具体化、直观化，充分调动和发挥学生的主体性，使学生在科学思维与动手实践等方面体验模型建构的过程。

2.2 初步建模：从细胞的能量转化到生态系统的能量流动

能量是一切生命活动的动力。能量的概念既抽象又微观，同时也是跨学科的概念。教师从学生已有的知识基础入手，可以帮助学生理解生命现象中的能量，进而理解能量的动态流动。学生在必修1中已学习光合作用和细胞呼吸的过程与本质，从细胞水平上理解了物质是能量的载体，能量是物质合成的动力；理解了光合作用过程中光能转化为化学能，储存在有机物中；理解了细胞呼吸分解有机物，释放的能量一部分转化为热量释放，另一部分转化为活跃的化学能，储存在ATP中，用于自身的生命活动。在复习巩固的基础上，教师利用问题引导学生初步建模：（1）自然界中能量有多种形式，生物体中主要的能量形式是什么？存在于哪里？如何测量生物体所含能量？（2）结合光合作用和呼吸作用，以及ATP的形成的知识，你能用箭头和框图（图1）示意动植物细胞能量的输入、转化和输出吗？（3）分析生态瓶中各生物的能量输入、储存和释放，根据各成分间的食物关系，尝试建立能量在生态瓶内各生物间传递的示意图（图2）。在问题讨论与模型建构过程中，学生从理解细胞水平上的能量输入、转化与输出，过渡到个体水平，再到种群水平，最后到营养级水平理解系统中能量的动态流动。

2.3 修正模型：从表象的分析到规律的发现

显然，学生初建的模型是不完善的。此时，教师需要精心设计问题，引导学生深度思维，修正模型，阐释规律：（1）生态瓶中除可见的动植物外，还有什么成分？其能量的来源与去路是什么？请修正你的模型（图3）。（2）动物粪便是未消化吸收的食物残渣，粪便中的能量来自哪里？摄入量与同化量有何关系？你能进一步修正模型吗？（图4）此时，教师出示教材中的能量流动示意图（图5），引导学生比较，使学生理解：生态系统作为一个开放的能量耗散系统，其最终能量来源是太阳能，流经生态系统的总能量是生产者固定的太阳能。系统内的能量是通过各生物呼吸作用以热能形式散失的。生态系统内能量传递的渠道是食物链和食物网，各营养级传递的能量是该营养级生物同化的能量。

2.4 检验模型：来自赛达伯格湖的真实数据

课堂中基于生态瓶的能量流动的研究是通过思想实验构建的模型，缺少定量的实验研究。教学中，教师为学生提供了林德曼的赛达伯格湖和佛罗里达洲的银泉的实验方法和分析数据，为学生检验模型提供事实证据。

资料1：分析生态系统的能量流动，是把每个物种都归属于一个特定的营养级中，然后精确地测定每一个营养级能量的输入值和输出值。这种分析目前多见于水生生态系统。因为水生生态系统边界明确，便于计算能量和物质的输入量和输出量。整个系统封闭性较强，与周围环境的物质和能量交换量小，内环境比较稳定，生态因子变化幅度小。

资料2：1940年，美国生态学家林德曼对赛达伯格湖的能量流动进行了定位定量测定，对湖泊生态各类生物有机体的生物量、各类生物有机体之间的营养关系以及与无机环境之间的能量关系深入研究与分析，依据获得的实验数据绘制了赛达伯格湖能量流动的数学模型（图6）。

资料3：1957年，美国的生态学家H.T.Odum对佛罗里达洲的银泉进行了生态系统营养级和能量流动情况的调查，表1表示能流分析的结果。GP表示总同化量，NP表示净积累量，R表示呼吸消耗量，NP=GP-R。

表1 银泉的能量流动分析结果（单位：102kcal·m-2·a-1）

通过资料1的学习，学生知晓生态系统能量流动的研究方法，理解选择水域生态系统更易开展定量分析。分析资料2的数据，学生发现赛达伯格湖生产者固定的能量大部分未被利用。未利用的能量是未被呼吸作用散失，未被下一级利用，也未被分解者利用的能量。那么，为什么会有大量的未利用能量？这部分能量到哪里去了呢？教师引导学生分析获得数据的时空，发现林德曼的研究是某一年的数据，这就不难理解每年每一营养级都会有未被利用的能量。而赛达伯湖是泥碳型沼泽湖这一事实也帮助学生理解赛达伯湖大部分能量未补充利用能量的原因，这部分能量最终沉到湖底形成沉积物。在验证了生态系统的能量流动遵循能量守恒定律的基础上，教师引导学生用模型中的数据分析能量流动逐级递减的原因：生产者总光合量（464.6）—呼吸量（96.3）—分解者利用量（12.5）—未利用量（293）=初级消费者同化量（62.8）（单位：J·cm-2·a-1）。

比较分析资料3，学生发现银泉中的能量大部分用于呼吸作用散失了，说明银泉生物代谢速率更快。那么，不同生态系统的传递效率相同吗？教学中，教师将学生分组，分别计算两个不同生态系统中各营养级间的能量传递效率（表2）。学生在比较中，思考赛格伯湖的能量流动只有3个营养级而银泉有4个营养级的原因。在师生共同讨论中，学生发现生产者固定太阳能的能力和生产者的传递效率是主要的影响因素。生产者的传递效率越高，食物链一般较长，营养级也就越多。学生在比较中认同不同的生态系统的能量流动基本遵循1/10定律，也存在着差异性，从而理解生态系统的复杂性。

表2 赛达伯格湖、银泉的能量传递效率

2.5 应用模型：在迁移比较中整合

应用模型解决新情境中的新问题是深入理解模型本质特征的策略，也是教学中进行教学评价的基本途径。分析人工鱼塘生态系统的能量流动，可知生态系统的能量输入不仅来自绿色植物固定的太阳能，还来自人工输入的现成有机物中的化学能。这是为什么？从能量传递的递减性分析可知，人工输入能量才能更好地维持鱼塘高产量，保障消费者对能量的需求。此时，教师出示能量流动的普适图（图7），引导学生观察从外向内能量的输入通道，从内向外能量的输出通道，进一步巩固生态系统能量流动的基本规律。同时，教师强调自然生态系统中由于可变因素很多，如年龄不同代谢速率不同、季节变化能量转化率的差异对生态系统能量流动的实验是非常困难的。不同的生态系统的能量流动的效率也是存在差异的。