基于科学思维的概念教学设计

丘城锋

摘要：基于学生的认知动机、认知行为、认知方式和认知品质，运用分析与综合、模型与建模和批判性思维等科学思维方法对“能量流动”的概念进行构建。

关键词：科学思维 能量流动 概念教学

中图分类号：G633.91 文献标志码：B

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》的基本理念以发展学生的学科核心素养为宗旨，课程的设计和实施追求“少而精”原则，内容聚焦大概念，精简容量、突出重点、明确学习要求，让学生能够深刻理解和应用重要的生物学概念，发展生物学学科核心素养。“科学思维”是生物学学科核心素养之一，是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。生物学概念建构的过程就是学生逐步发展科学思维，基于生物学事实和证据去探索求知，获取新知识的过程。

1教材和学情分析

“生态系统的能量流动”是人教版高中生物教材《必修3·稳态与环境》中第五章第二节的内容，是生态系统的三大功能之一。在学习该功能之前，学生己建立了物理学的能量、能量传递、能量守恒等基本概念，己具备生物学中光合作用和呼吸作用的物质与能量转换观念，己进行种群、群落、生态系统组成成分和营养结构的学习。教师通过上述知识铺垫，激发、培养、发展和完善学生的科学思维，聚焦能量流动概念的内涵并拓展其外延（表1）。

2教学目标

①通过构建能量流动概念，理解生态系统的能量流动过程，形成物质与能量观。

②通过构建能量流动概念模型，发展分析与综合、模型与建模、批判性思维等科学思维能力。

③通过数学方法分析赛达伯格湖的能量流动图解，运用同位素示踪法演绎推理能量流动过程，提升科学分析的能力。

④通过用能量流动规律解释研究能量流动的意义，形成人与自然和谐发展以及可持续发展的观念。

3教学设计思路

科学思维是人类对自然界中客观事物的一种认知动机、认知行为、认知方式和认知品质的反映。本节课的教学思路是对能量流动的概念进行提炼和升华：提炼过程要营造事实情境、尊重科学证据、运用科学思维加工和形成概念;升华过程包括提出观点去解释生活现象，运用方法去解决生活问题，进而提升对概念的认知品质（图1）。

4教学过程

4.1营造事实情境，激发认知动机

教师组织学生调查广州白云山森林生态系统的能量流动情况。为使调查更具有科学性和目的性，调查前，教师提出以下问题：科学家是如何研究生态系统的能量流动？能量是怎样输入生态系统？不同营养级的生物是如何获取能量？能量在不同营养级之间流动的渠道是什么？这些问题直指调查的方法和目的，明确学生的调查任务。

学生搜集资料，发现科学家研究能量流动的常用方法有直接观察法、肠胃分析法和同位素示踪法，学生比较3种方法后，结合调查的实际情况，采用直接观察法调查白云山森林生态系统的组成成分，分析各种成分之间的结构联系，并初步探讨该生态系统的能量流动途径和过程。最后，教师引导学生将各自列举的食物链（网）进行综合归纳，构建白云山森林生态系统最基本的能量流动模型：太阳光一生产者一初级消费者一次级消费者。教师依此事实情境，激发学生“崇尚真知，追求科学知识”的认知动机。

4.2依据科学证据，引发认知行为

激发学生的认知动机后，教师可将教材中林德曼的研究资料作为科学证据，指导学生分析赛达伯格湖的能量流动图解中的数据并以表格的形式呈现（表2）。设置表格时，需引导学生明确表格的表题、行标和列标。学生对数据进行处理和分析后，设置下列问题：不同营养级的生物能量流动的具体过程有哪些？每一营养级“流入”的能量和“流出”的能量是否平衡？流经上一营养级的能量为什么不能100%传递给下一个营养级？教师依据林德曼的科学证据，引发学生探析生态系统能量流动过程的认知行为，使学生初步得出能量流动的过程和能量在食物链中单向流动、逐级递减的特点。

4.3运用科学思维.发展认知方式

科学的思维方法包括分析与综合、模型与建模和批判性思维等，是形成概念的重要方法。结合科学事实与证据，教师引导学生运用多种科学思维的方法去理解能量流动的本质和构建“能量流动”的概念模型，进而发展学生的认知方式。

4.3.1分析与综合

分析是把研究对象的整体分解为各个组成部分，分别进行研究的思维方法。综合是在分析的基础上，从整体上把握事物的属性和本质，是思维的延续和发展。依据赛达伯格湖的能量流动图解，教师引导学生从生态系统能量的最初来源——太阳能入手来分析，根据光合作用和呼吸作用的关系，分析能量在第一营养级的流动情况。接着，引导学生比较能量输入消费者与生产者的不同之处，根据消费者的同化量和摄入量的关系，剖析能量在第二营养级流动过程。以此类推，得出各级消费者能量流动的共性，再综合概括生态系统中各营养级能量的来源和去向（图2）。

4.3.2模型与建模

模型能反映事物的本质特征和共同属性，能说明认知对象的结构组成、过程特点及规律。建模有助于学生抓住事物的关键要素，解释生物现象和过程，加深对概念的理解，形成系统思维。

构建生态系统的能量流动模型过程中，各营养级能量的来源和去向是本节课学生理解的难点。教师以“同位素标记法”为研究思路，为学生提供思维的切入点，借助物质为能量的载体去分析能量的来源和去向，演绎推理以¹⁴C为标记的CO2同位素在白云山生态系统中不同组成成分出现的先后顺序、方式来分析能量在该生态系统中的流动过程（图3），同时培养学生的物质与能量观。

学生根据图2和图3构建“四向能量流动图”。教师提出问题：未被利用的能量储存在哪里？时间足够长的情况下，未被利用的能量又会去哪里？这样使学生认识到“四向能量流動图”是“三向能量流动图”（图4）在时间属性上的变形。依据同位素标记法的分析，流入下一营养级和分解者分解的能量均来自于上一营养级生长、发育和繁殖的能量，据此构建“二向能量流动图”（图5）。学生通过“多向能量流动图”可以更为清晰地理解能量流动的去向。

结合赛达伯格湖的能量流动图解和白云山生态系统的“同位素标记法”的演绎推理，教师促进学生运用分析与综合、模型与建模的科学思维方法分析各营养级能量的来龙去脉，可有效地培养学生的科学思维，并对“能量流动”的概念进行提炼。依托对各营养级同化的能量去向分析，最终构建生态系统能量流动的概念模型（图6）。

4.4培养批判精神，提升认知品质

构建能量流动概念模型的过程中，需培养学生敢于用质疑批判的精神去发现、分析和解决问题，提升学生的认知品质。例如，在讲授“能量单向流动的特点”时，学生提问：“人食用秸秆培育的食用菌，这是否符合能量单向流动的特点？”学生指出，食用菌作为分解者，得出人食用菌类不符合能量单向流动的特点。此时，教师引导学生拓展食物链除具有捕食链、还有寄生链和腐生链，指出“农作物秸秆一食用菌一人”的食物链是腐生链。学生由此可理解，腐生链中生物的能量同样沿着营养级流动，遵循能量单向流动的特点。借此腐生链，教师可进一步引导学生理解能量流动的意义：农民对秸秆的处理通常是直接燃烧，致使能量浪费和环境污染，而利用秸秆培育食用菌，可以实现能量的多级利用，提高能量利用率，使能量流向对人类有益的部分，促进人与自然和谐，可持续发展。

此外，教师还可以让学生运用质疑和批判的精神去解释生活现象：饲养植食性动物成本低，产量高;农田农作物种植需及时清除杂草和虫子;老虎和狮子等肉食动物容易成为濒危物种;食物链（网）各营养级之间在个体数量、生物量和能量方面呈金字塔形的原因。学生尝试将所学知识运用于生活情境中，解决实际问题，提升对“能量流动”的认知品质。

5教学反思

在构建“能量流动”概念的教学活动中，学生对概念的认知动机、认知行为、认知方式和认知品质是逐渐提升的，体现科学思维的逻辑层次。教师立足学生的认知水平，引导学生调查白云山森林生态系统能量流动情况，结合林德曼的科学证据与同位素标记法的演绎推理构建能量流动的概念，并运用多种科学思维的方法说明生态系统中能量流动的过程和特征，能对相关的生态学实践应用作出合理的分析和判断。