模型建构在能量流动图解分析中的应用

2020-11-18广东

教学考试(高考生物) 2020年1期

广东

生态系统的能量流动在高考中属于高频考点，一般会结合图形来考查，试题比较抽象，难度较大。本文通过模型建构帮助学生分析、理解能量流动，为课堂教学和高考备考提供参考。

人教版教材必修3第五章第2 节“生态系统的能量流动”在高中生物教学中占据重要地位，几乎是每年高考的必考考点。试题常常结合能量流动的过程示意图考查能量流动的过程分析。这一部分的内容比较抽象，学生不容易理解，教师也不容易讲授。笔者结合自己多年的教学经验总结出可借助模型建构的方法来突破本节内容的重点和难点。教师在课堂教学中可以按照下列环节来推进教学。

1.环节一：教材示意图的解读

教材在本节课程中共给出了3 个示意图（如图1），这是帮助学生理解能量流动过程最好的材料。因此，教师在课堂教学中一定要利用好这些材料，引导学生通过反复拆分、合并这些示意图来理解能量在不同营养级之间的输入、传递、转化和散失的过程，掌握能量流动的本质。

图1

假设教材中的3 个能量流动示意图是根据同一个生态系统得出的。教师在教学中，第一个环节就是精读教材中的文字和示意图，对3 个示意图进行比较和分析，针对某个营养级找出3 个示意图中能量流动过程的相同之处和不同之处，做上标记。笔者以第二营养级为例做的标记如图1 所示，将拆为两项的称为二项图，拆为三项和四项的分别称为三项图和四项图。然后引导学生思考：3 个示意图中能量流动的不同点之间有没有联系？是本质不同还是本质相同。学生精读教材和示意图并动脑思考后一定会对能量流动的过程有一个全新的理解，为后面的环节提供基础。

2.环节二：模型建构

有关模型建构的知识在人教版教材必修1 中已有详细的介绍，模型的形式有很多，包括物理模型、概念模型和数学模型等。本环节核心任务是理解生态系统中能量的去向。能量流动是抽象的，因此可采用建构概念模型的方法来帮助学生理解能量流动（以第二营养级为例）。

任务1：根据能量的去向完成第二营养级同化量的拆分；

任务2：标出每部分能量的含义，并能体现3 种图（二项图、三项图、四项图）之间的联系（如图2）。

图2

设计意图：基于学生的最近发展区，以物质转换为外在显性线索，分析伴随的内在隐性能量转化过程，使学生形成能量转化是以物质转换为前提和载体的生命观念。

简化模型思路：即每个营养级只用一个方框代表。经过模型建构过程，学生不但理解了模型对于教学的作用，也更加深入地理解了“能量流动”这一重要概念，从模型的评价中不断地分析，进而建构出第二营养级之后的概念模型，发现各营养级模型的共性特征。通过上述评价，学生概括总结出“能量流动”的内涵：输入每一营养级的能量，一部分通过呼吸作用以热能的形式散失，一部分用于自身的生命活动或储存在体内，另一部分被下一营养级的生物摄入，或者以遗体、残枝败叶等形式被分解者分解而释放出来。概念内涵的达成有助于学生接下来学习“能量流动特点”的相关内容。模型建构的教学对培养学生的科学思维至关重要，对于科学概念的应用也大有裨益。

3.环节三：模型应用

任务3：标出模型1、模型2、模型3 中第二营养级的同化量并标出能量去向；

任务4：与相应模型匹配。

解答流程：阅读题干→分析图形→选择模型→找出答案。

上述解题模型可以使解题思路更加清晰，但还需要一定的熟练程度才能快速解答。下面笔者以3 道试题为例运用上述解题模型进行分析。

【例1】生态系统中存在食物链“马尾松→松毛虫→杜鹃”，如图3 表示松毛虫摄入能量的流动方向，回答下列问题。

图3

从能量流动的角度来看，图3 中A 表示______________；B表示_____________；D 表示________________。

【答案】松毛虫的同化量松毛虫用于生长发育和繁殖的能量松毛虫遗体、残骸被分解者分解利用的能量

【分析】先按上文中提到的四个环节（阅读题干→分析图形→选择模型→找出答案）进行审题并进行题文信息的转换，结合图3 中箭头的数量和方向，确定图3 符合二项图模型，然后结合二项图模型及A、B、D 三者之间的关系，很容易确定A 为“松毛虫的同化量”；B 为“松毛虫用于生长、发育和繁殖的能量”；D 为“松毛虫遗体、残骸被分解者分解利用的能量”。

【例2】如图4 为某生态系统中能量传递过程，其中甲、乙、丙表示三个不同的营养级，请据图4 回答下列问题：

图4

（1）图4 中的甲表示第一营养级，其同化的总能量为_______________；其能量传递过程中的175、200、875 分别表示_______________、_______________、_______________。

（2）甲→乙的能量传递效率为_______________。

【答案】（1）1 250 kJ 呼吸作用散失的能量流入下一营养级的能量以遗体、残骸流向分解者的能量（2）16%

【分析】按照上述步骤，确定符合题意的模型，依据箭头的数量和方向，确定图4 符合三项图模型，结合题干并对照三项图模型，很容易确定“175”表示的是“呼吸作用散失的能量”、“200”表示的是“流向下一营养级的能量”、“875”表示的是“以遗体、残骸流向分解者的能量”。因此甲同化的能量为1 250 （175+200+875） kJ；甲→乙的能量传递效率为16%（200/1 250 kJ×100%）。

【例3】如图5 是某人工鱼塘生态系统能量流动过程中部分环节涉及的能量值[单位为103kJ/（m2• a）]。请据图5 回答下列问题：

图5

（1）如图5 所示，A 代表________________。

（2）能量从第一营养级流到第二营养级的传递效率是________________。

【答案】（1）各营养级呼吸作用散失的能量（2）12.73%

【分析】继续上述步骤，依据箭头的数量和方向，确定图5 符合四项图模型，对比图5 和四项图模型，很容易得出A 代表“各营养级呼吸作用散失的能量”；要得出第一营养级到第二营养级能量的传递效率，先要求出两个营养级各自的同化量，依据四项图模型，第二营养级（植食性动物）的同化量为14[0.5+9+4+流向肉食性动物的能量（0.05+0.25+5.1+2.1-5）-2] ；第一营养级的同化量为110[3+70+23+流向植食性动物的能量（14）]，因此，两个营养级之间能量的传递效率为12.73%（14/110×100%）。

4.模型建构融入教学的实践反思

上述内容只是高中生物教学中的一个参考，高中生物学知识面广、科学性强、内容抽象，在教学中合理利用模型来解释生物学事实和生物学问题，可以提升学生的科学思维素养，这也是培养学科核心素养的重要环节。但在实际运用模型建构辅助教学的过程中，教师应注意以下三点。

（1）重视教材分析

模型建构前的教材分析非常重要，但这一步骤往往容易被教师忽视。建构模型的目的是为了更好地理解和运用教材知识，忽视对教材的解读会造成本末倒置，方向“跑偏”的情况。其次，并非教材上的每个内容都可以运用模型建构的方法，如果不对教材内容进行科学分析，盲目地套用模型建构的方法，反而会造成学生理解上的困难。教师只有在分析教材内容，了解概念与模型、实例与表征物之间的关系后，才能提高教学剖析的针对性和逻辑的可靠性。

（2）关注学生的学情

教师教学的目的是为了服务学生，学生才是课堂教学的主体，模型建构的目的是将抽象的生物学概念形象化、复杂的知识系统化。教师在课前必须结合学生的实际情况，综合考虑本次教学内容对学生而言是否存在难点、如何帮助学生突破难点、是否需要模型的帮助、或者利用模型建构能否引导和启发学生等问题。如果不关注学生的实情和教学的实际，机械地套用模型，反而会将问题变得更加复杂，造成学生的畏难情绪。