基于“概念模型”的“生态系统的能量流动”复习课的教学设计

郑美婷 韦红群 韦朝满

摘要：以人教版高中生物学教材中的3个“生态系统的能量流动”概念模型为主线，巧妙运用同屏技术和思维导图进行生成性教学，引导学生在模型建构与模型变式的过程申对教材內容进行整合和升华，加深对“能量流动”过程的理解，完善知识体系，培养科学思维。

关键词：生态系统的能量流动，概念模型，同屏技术，思维导图，高中生物学

中图分类号 C633.91文献标志码B

1 教材分析及设计思路

“生态系统的能量流动”是人教版高中生物学《必修3·稳态与环境》第五章第二节的内容，教材通过3个能量流动图来呈现能量流动的过程和特点。这是本节的重点和难点，同时为学习物质循环和生态系统稳定性奠定基础。考纲对该部分内容的考查要求较高，要求学生掌握能量在生物群落中流动的规律及运用，解释食物网各营养级之间在个体数量、生物量和能量方面的联系，帮助人們能够更科学、更有效地利用生态系统中的资源。经过新课的学习，学生对生态系统中的能量流动过程已经有了一定的认识，理解了整个生态系统以及各营养级之间能量的来源、去路以及流动特点。但是，部分学生在有限的课堂时间内对3个能量流动图的内在联系把握不足。为帮助学生在高三复习中更好地理解能量流动的过程以及构建知识体系，笔者借助同屏技术和模型构建的方法引导学生对教材中这三个能量流动概念模型逐个进行透彻解读，并在此基础上变式能量流动模型，让学生深入理解能量流动规律，突出重点，突破难点，巧借思维导图形成知识网络。

2 教学目标

①通过对能量流动内容的学习和理解，逐步认同能量与物质观。②使用图示等方式表征和说明能量流动的特征，并对相关的生态学实践应用作出合理的分析和判断。③从能量流动的角度预测和论证某一因素对生态系统的干扰可能引发的多种潜在变化。④分析和探讨人类活动对自然生态系统动态平衡的影响以及人工生态系统带来的经济、生态和社会效益，并尝试提出人与环境和谐共处的合理化建议。

3 教学过程

3.1 课前准备

课前，教师布置作业，要求学生根据图1的提示，以生态系统的“能量流动”为主题词，自己总结归纳，尝试绘制详细的思维导图，构建知识框架。

3.2 展示考查频率，引起重视

教师展示“生态系统的能量流动”内容在2014-2018年全国卷中的考查频率（5年共出现了10题），让学生通过数据直观地认识到“生态系统的能量流动”考查频率非常高，重视对该部分内容的复习。

3.3 能量流动概念模型的构建

教师按照教材中能量流动过程图的顺序，引导学生构建“能量流动”概念模型，让学生深入理解能量流动规律。

3.3.1 视频导入，吸引注意

教师播放剪接的关于能量流动去路的“人与自然”相关视频，该视频涉及了羚羊吃草、猎豹吃羚羊、猎豹排遗、猎豹呼吸、秃鹫吃动物遗体共6个自然现象。播放视频前，教师提示学生注意观察视频中哪些现象体现了能量的哪些去向。视频播放完后，教师引导学生分析出视频体现了能量可以流向下一营养级，流向分解者，或以呼吸作用的形式散失。

3.3.2 构建“一来二去”概念模型

教师以视频中的羊吃草为例，引导学生分析能量流经第二营养级过程，并将能量流经第二营养级概念模型简化，如图2所示，A是初级消费者摄入量，B是初级消费者同化量，C是用于生长发育和繁殖量，D是次级消费者摄入量。并引导学生得出三个等式关系：初级消费者摄入量=同化量+粪便中的能量;同化量：呼吸作用散失的能量+生长发育繁殖量;生长发育繁殖量：遗体残骸+次级消费者摄入量。由于主干中的能量（最高营养级除外）都有一个来源和两个去路，所以将能量流经第二营养级示意图简称为“一来二去”图，让学生更直观地看到主干中的能量都有一个来源（一个箭头指进）和两个去路（两个箭头指出）。在引导的过程中，教师使用同屏技术实现手机和电脑之间的同屏，利用该技术的标注功能对所讲内容进行标注，让学生能及时将目光聚焦到教师讲解的内容上，快速获取相关信息，提高教学的时效性。在接下来的教学环节中均用到该功能，不再赘述。

3.3.3 构建“一来三去”概念模型

教师提问：“一来二去”是从微观的角度详细展示能量流经第二营养级的过程。那么，从宏观的角度整体分析，能量在流经生态系统多个营养级过程中又是如何输入、传递、转化和散失的呢？从而引发学生思考，引出生态系统能量流动示意图，并将生态系统能量流动概念模型进行简化，如图3所示。D、E、F分别代表第一、第二、第三营养级同化量。师生一起分析该概念模型中主干中的能量均有一个来源和三条去路（最高营养级除外）：呼吸作用散失，流入下一营养级，分解者利用，简称为“一来三去”图。然后，将图2和图3同时展示在同一张课件中，让学生对比分析“一来二去”和“一来三去”的区别，引导学生得出两个主要区别：①主干中的能量代表的含义不同，“一来二去”有摄入量，同化量和用于生长发育繁殖量，“一来三去”全是同化量。②“一来二去”关注局部，“一来三去”关注整体。

3.3.4 构建“一来四去”概念模型

教师展示赛达伯格湖的能量流动概念模型，让学生模仿“一来三去”对该概念模型进行化简，如图4所示。由此图学生可以很快发现赛达伯格湖的能量流动图解只比“一来三去”图多了一条去路，即“未利用”部分，因而很容易得出主干中的能量均有一个来源和四个去路。将该概念模型简称为“一来四去”图，D、E、F分别代表第一、第二、第三营养级同化量。

较多学生对“未利用”部分的能量去向不够明确，因而将“一来四去”再次化简，如图5所示.教师引导学生得出W₁和D₁均代表同化量，W₁等于A₁、B₁、C₁、D₁之和，学生较容易判断出D₁是流向下一营养级的能量，B₁是暂未利用的能量。由于教材和大部分习题习惯于把呼吸作用散失的能量放在图的上方，分解者利用放在图的下方，学生容易形成惯性思维，认为A₁是呼吸作用，C₁是分解者利用。教师需进一步指出生物体的同化量大部分通过呼吸作用的形式散失了，流向分解者的能量只占了少量，从而帮助学生顺利得出A₁代表分解者利用，C₁代表呼吸作用。最终，学生从这个图中直观得看出暂未利用的能量可以有“被自身呼吸作用消耗、流向下一营养级和流向分解者”3个去向。此时，教师指出暂未利用的能量被利用完后，就回到了“一来三去”图，让学生更好地理解“一来三去”和“一来四去”的区别与联系。

3.4 能量流动概念模型的变式

高考题中很多题目源于教科书又高于教科书，因此，教师需要对课本中的图进行变式，让学生深刻理解所学知识，灵活应变。

（1）变式“一来二去”概念模型。

教材出现的是能量流经第二营养级示意图，教师可提问：若将初级消费者摄入量改为生产者同化量，“一来二去”图该如何变化？引导学生画出能量流经第一营养级示意图，如图6所示。

（2）变式“一来三去”概念模型。

教材中出现的全是自然生态系统的能量流动图解，教师可引入人工生态系统，对“一来三去”图进行变式，如图7所示。

在出示图7之前，教师可提问：从“一来三去”图中可以看出，生态系统的能量流动呈现出“单向流动，逐级递减”的特点，那后一个营养级的同化量一定比前一营养级的同化量少吗？引发学生思考，并引出图7，促进学生分析出：在人工生态系统中，由于存在人为的补偿输入量，后一营养级的同化量可能比前一营养级的同化量更多，如圖7中的肉食动物的同化量比植食动物和生产者的同化量更多。接着，让学生计算图7中第二营养级到第三营养级的能量传递效率，大多数高考复习资料书将能量传递效率的计算公式写为：（下一营养级同化量/上一营养级同化量）x100%，因此很多学生会错误地将第三营养级的补偿输入量列入计算范围，或者第二第三营养级的补偿输入量均不考虑，导致计算失误。因此，教师需强调：能量传递效率应等于（下一营养级同化上一营养级的同化量/上一营养级同化量）x100%。学生得出图7中第二营养级到第三营养级的能量传递效率为[2.5x103kJ·m-2·a^-1/（85+14）x103kJ·m^-2·a^{-1-]x100%，从而学会正确的计算方法。}

教材中还出现了一个重要的人工生态系统——桑基鱼塘，教师可借此生态系统说明能量利用率可以提高，能量传递效率不能提高。再通过分析桑基鱼塘是一种将种桑、养蚕与池塘养鱼相结合的生产经营模式，引导学生得出科学规划、设计人工生态系统的意义是：帮助人们合理地调整生态系统中的能量流动关系，实现物质循环和能量的多级利用，使能量持续高效地流向对人类最有益的部分。

3.5 思维导图小结课堂

高三复习注重夯实教材基础知识，全面覆盖所有考点，完善相应知识体系，因而通过思维导图的形式进行课堂小结，如图l所示。在小结时，教师通过同屏技术，利用希沃授课助手中的拍照上传功能将几个学生绘制的思维导图展示到屏幕中，并进行实时点评，让学生看到自己绘制的思维导图中存在的优点与不足。在点评的过程中，其他学生对自己绘制的思维导图的优缺点也有了清晰的认识。最后，学生课后继续拓展和完善思维导图，对能量流动涉及的知识进行有意义的建构。

4 教学反思

本节内容考查频率高，内容繁杂，且学生容易混淆能量流动图解。教师通过引导学生构建概念模型，并进行简化，让学生通过模型规律区别三个能量流动模型示意图，快速判断能量流动类型，提高解题效率;再对模型进行变式，减少学生对生态系统的能量流动知识的片面认识，使学生循序渐进地完善认知，并能够活学活用。教师通过让学生绘制思维导图自主梳理教材知识点，发挥学生的主观能动性，将零散知识重新优化组合，建构起更加坚实的知识体系。在整个教学过程中均使用同屏技术，将学生所学知识和出现的问题及时呈现在屏幕中，实时解决，提高了教学的时效性。