谈多模型教学中思维的起点、发散点和收敛点

黄德强

[摘   要]高中生物学的重要概念往往采用建模的方式进行学习。由于研究者研究的目的不同，同样的生物学概念就会建构出多种多样的模型。文章以“生态系统的能量流动”这一重要概念为例，立足思维的整体性，分别寻、探、聚思维的起点、发散点和收敛点，提出“建构一般模型—辨析特殊模型—回归一般模型”的多模型教学策略。

[关键词]多模型;起点;发散点;收敛点

[中图分类号]    G633.91        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2020）20-0087-02

“模型与建模”是重要的科学思维方法，建构模型的过程能加深对生物学概念的理解，建构起的模型是持久保留对概念记忆的重要载体。针对某个重要概念建构的模型，由于研究者研究的目的不同，建构出的模型就会有差异。本文以人教版高中生物必修3《生态系统的能量流动》一节为例，提出“寻思维的起点——建构一般模型”“探思维的发散点——辨析特殊模型”“聚思维的收敛点——回归一般模型”的教学策略，以帮助学生从系统和细节的角度学习同一概念的多种模型问题。

一、不同能量流动模型的相关指标比较

将人教版高中生物必修3教材图5-6、图5-7、图5-8中的能量流动模型的相关指标进行比较（见表1）。

从表1中可以看出，不同能量流动的模型研究的对象、指标、时间、目的是有差异的。教材设计的建模顺序是先建构营养级能量流动模型（图5-6），再建构生态系统能量流动模型（图5-7），最后再通过赛达伯格湖实验数据统计模型总结生态系统能量流动的特点。这种由局部到整体、由抽象到具体的模型建构过程符合学生认知的逻辑。但由于图5-6、图5-7、图5-8的研究对象、研究指标等方面不完全相同，如果完全按照教材的顺序进行教学，学生在初学生态系统能量流动模型时会很困难。

二、不同能量流动模型的教学策略

1.寻思维的起点——建构能量流动的一般模型

生态系统的能量流动指的是生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程。该重要概念的研究范围是生态系统，研究指标是能量流动，研究指标的具体细化是生态系统能量的输入、生态系统内部能量的传递和转化、生态系统的能量向环境中散失的过程。研究指标“能量流动”要求从能量值的角度考虑如何建构。结合物理学内容，可以确定该类模型的本质特征是能量守恒。对照表1的相关分析，可以先确定图5-7为一般模型，在建构时关键是将“能量守恒”这一观点贯穿建构模型过程的始终。建构模型的基本思路是从个体到营养级再到生态系统依次建构，但无论哪个层次的模型，具体指标均为“同化量、呼吸消耗量、流向分解者的量、流向下一个体（或营养级）的量”。该过程特别要注意，不要将摄入量等指标代入，否则学生会陷入认知的混乱。具体如下：

先引导学生写出一条食物链，如“草→兔→鹰”，并思考草的能量的来源和去路。关于草的能量来源，学生能比较容易地得出答案“能量的来源是草的光合作用，能量储存在有机物中”;对于草的能量去路，教师可设置问题串引导学生思考，如草中的有机物的能量自己能用吗？如果能，是怎么用的？用后能量到哪里去了？草的能量能流向兔吗？怎么流入的？草会被全部吃完吗？没有被吃完的能量到哪里去了？设置这些问题的目的是让学生总结出从个体到营养级能量流动的三条通用去路，即自身呼吸消耗、流向下一营养级、流向分解者。

2.探思维的发散点——辨析能量流动的特殊模型

建构能量流动的一般模型后，可引导学生从研究对象和指标比较图5-6和图5-7的差异，并讨论两个模型在建模思维上的共性。图5-6的研究对象是营养级，研究的指标是“摄入、粪便、同化、呼吸、储存、遗体残骸、分解者”，这样的指标考虑了具体认识事物的实际情况。该处的分析不仅仅是让学生明白“摄入量=同化量+粪便量”“同化量=呼吸消耗量+储存量”“同化量=呼吸消耗量+流向下一级营养级的量+流向分解者的量”，更要让学生明白两个不同的模型在建构时它们的相同点是从能量守恒的角度进行考虑，不同点是研究指标有差异。基于这样深刻的理解，学生进一步领悟了一般模型和能量守恒的本质特征是辨析不同能量流动模型问题时思维的起点，而研究对象、研究指标、研究时间等的差异是建构不同能量流动模型的思维发散点。这样的发散为学生或理解其他不同的模型，或自己建构模型提供了关键思路。

继续将图5-8赛达伯格湖生态系统能量流动模型和一般模型做比较，要探讨的第一個重点应转移至“研究指标、研究时间”，即对图5-8中数据的来源和模型中的“未利用”进行讨论。学生通过探讨及教师的帮助，深入理解了“未利用”这个指标是指在有限的时间内、在实验研究的过程中，流入某营养级的能量不会全部用完。思维的起点仍然是基于能量守恒建构的一般模型，思维的发散点是实验状态和实验指标。经过这样的探讨再总结“同化量=呼吸消耗量+流向下一级营养级的量+流向分解者的量+未利用”会更有意义。有了这样的分析，学生在见到未曾出现过的能量流动模型时，也能游刃有余地进行分析。这一难点问题探讨清楚了，再通过处理数据、计算效率得出“能量流动是单向流动、逐级递减的”这一特点也就比较容易了。

3.聚思维的收敛点——回归能量流动的一般模型

生物学知识的学习要尽量和农业生产、日常生活、社会议题等相结合。能量流动的一般模型既是我们在教学中联系问题、深化知识的出发点，也是在解答相关实际问题时思维的回归点和收敛点。

例如，在农业生产中，从一般模型中的能量源头考虑，可通过合理密植或者延长光合作用时间来提高输入生态系统的总能量;从一般模型中能量流动的渠道考虑，可以通过除虫除草等活动使能量更多地流向人类;从一般模型中分解者的角度考虑，让流向分解者的能量流向蘑菇或者变为沼气等进而流向人类，这也是生态农业中桑葚鱼塘的生态学原理;从一般模型的适用范围看，城市生态系统与自然生态系统相比，需要储备更多的能量，仅仅依靠自然生态系统中生产者的光合作用的能量输入是远远不够的，还需要人工输入物质和能量。生态系统的能量流动涉及的众多问题，都可聚焦在能量流动的一般模型中去解答，这是分析该类问题时思维的收敛点。

（责任编辑 黄春香）