基于物质与能量观的内容锚定与教学策略

黄伟文

（江苏省奔牛高级中学 江苏常州 213131）

生物学学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。其中，生命观念是生物学科区别于物理、化学等其他科学学科的重要体现与核心特质，分为物质与能量观、结构与功能观、进化与适应观、稳态与平衡观等。生命活动的基本立足点是生命自身及其与外界环境的物质与能量的不断交换与转化，也只有在此基础上才能够随着环境的改变，不断适应、调整完善自身的结构功能与稳态平衡。由此可见，物质与能量观的建立应当是为培育学生的生命观念核心素养奠定基础。下面选择生命观念中的“物质和能量观”，从教学内容中所涉及物质与能量观的锚定入手，以精炼相关教学策略来进阶式培育学生的物质和能量观。

1 物质与能量观的内容锚定分析

诚如“通过物质与能量代谢实现自我更新是生命的本质特征”所述，无论是生物体自身细胞水平或个体水平的生命活动里离不开物质与能量的相互转化，还是生态环境中的本质特征离不开进行的物质循环或能量流动来看，“物质与能量观”可以统领生命系统各层次上的物质代谢和能量转化。生命观念在各类事实性概念基础上方能形成的，且《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《新课标》）中明确将生物学知识概念的体系构成明确为“大概念+主要概念+次位概念”的结构。次位概念能在40周之内逐步生成，是需要在课堂中予以关注的。因而，针对“物质与能量观”的培育，教师应当在《新课标》与教材中找到相应的概念内容锚定点，并以之作为抓手探寻适切的教学方法。

笔者将物质与能量观的课标次位概念与教材显性内容的锚定点梳理分析得出，其在必修部分主要体现在《必修1·分子与细胞》的内容中，而在选修部分主要分布于《选修1·稳态与环境》中（具体见表1）。这也恰恰印证了上文所述的“物质与能量观”体现在生物体自身及其与外界环境的物质能量转化中。

表1 物质与能量观的《新课标》次位概念及教材具象知识锚定

在生物学教学过程中，教师应当加强自身对所列物质与能量观的深刻理解，再以多样化的教学手段帮助学生建构出次位概念、下属各个概念的内涵意义与复杂关系，并将概念应用于探究生命活动的规律以及解决实际问题。

2 建构物质与能量观的教学策略分析

2.1 以关联探求促进“物质与能量观”的渗透

在生物学概念教学中如果只注重概念含义的辨析，不注重概念本质的探讨、交互的关联与实际的应用，则会让学生陷入“只见树木不见森林”的窘境。教师只有充分注重概念体系广度、深度与关联度，才能以关联探求的问题链铺陈，使学生通过概念依附的复杂情境理解概念之间的内在联系，从而渗透“物质与能量观”。所谓关联探求，就是寻找生物学概念间相互关系来提升学生对概念体系的理解力、建构力与实践力的过程。具体而言，教师在帮助学生建构物质与能量观时，要以促进学生进行概念之间广泛联系的问题为指引，引导学生层层递进、逐步探究，通过学生自主探究建构实物模型、语义图示等可视化知识表征加以呈现，从而逐渐自主抽象、逐层聚类地渗透物质和能量观。

例如，进行光合作用与呼吸作用的教学时，教师以植物叶肉细胞为例，设计以下问题链让学生关联探求：光能在植物细胞内如何转化成贮存在有机物中的化学能？呼吸作用如何把有机物的化学能转化为被生物体直接利用的能量？光合作用和细胞呼吸在物质和能量转化之间以及和环境之间有何联系？学生沿着这三个问题，分小组构建植物叶肉细胞内的物质与能量转换图示。这样既帮助学生梳理了细胞水平上能量与物质的转变过程，也使学生加深对净光合作用速率等概念的理解。

又如，在讲授生态系统的物质循环时，教师可以关联能量流动的内容设置相应的问题：能量流动与物质循环的渠道均依托于食物链（网）吗?为什么两者可以基于相同的渠道？能量流动与物质循环基于同样渠道为何其传递特征不同?这三个问题的探究既向学生渗透了物质是能量的载体；又使学生明白了物质与能量的转化不一定完全重合，因为植物进行光合作用时不能利用各营养级所释放出来的热能，但却可以利用各营养级所释放出来的CO2。

2.2 以实验探究验证“物质与能量观”的存在

生命科学的形成过程是在观察、发现生命现象与探求其背后规律与原因中不断形成的。可见，对物质与能量观的学习仅仅依靠于教师对概念体系的关联探求、观念提炼必然是捉襟见肘。教师只有让学生亲历生物学知识的发现过程，感悟知识中蕴含的生物学科思想，生命观念素养培育才能有效落地。此点从《美国新一代科学教育标准》不断重视科学实践，以发展核心概念中也可见一斑。为了显现生物学的理科属性与科学本质，教师应当在教学中以实验探究的形式帮助学生去发现、理解并验证物质与能量观的存在。具体而言，教师可以引导学生进行合作学习的实验探究，通过记录并梳理实验中物质与能量的转换来深入理解物质与能量观。

例如，在进行呼吸作用与光合作用的教学时，教师引导学生利用金鱼藻、金鱼以及溴麝香草酚蓝溶液进行实验，以试剂颜色的变化帮助学生感知生物体光合作用与呼吸作用中CO2与O2物质的交换随时在发生。再辅之以有无光照这一条件变量的控制，通过其影响颜色变化，从而让学生去实际感受物质的转化需要能量的供应这一生物学事实。又如，进行“设计与制作生态瓶”时，让学生小组合作选择各自的材料制作微型生态系统。实验探究中有小组是利用饮料瓶、水生植物、金鱼等材料制作；有的小组则选择家用金鱼缸、黑藻、小鱼、少量泥沙等材料制作。教师可以一方面，让学生探寻生态瓶中的物质与能量的转变，帮助其理解物质是能量的载体，但物质转化不一定与能量转化完全重合，两者既相互依存又有所区别；另一方面，让学生通过比较不同生态瓶维持稳定性的时间长短，去理解物质与能量是生态环境适应性稳定的基础。

2.3 以情境感悟内化“物质与能量观”的应用

学习科学的最新理论表明，如果学生所学的知识体系、思维观念与情感态度等不能使其明确世界的运作方式，并将之更好地运用于现实世界中，那么，学校教育执行的内容必然是无效的。此时，教师则需要运用情境“注重学生的客观感受，满足学生的心理需求”，以现实生产生活的情境帮助学生感悟所学知识的内涵和本质。反观物质与能量观的培育，即深度体验物质与能量观在社会实践中的应用方式和实际意义，才能最终让学生感悟内化至陪伴学生一生成长所需的素养层面。具体教学中，教师可以扩展教学的时空，以实践活动、课外调研与研学参观等一系列的方式，引导学生内化“物质与能量观”的应用。

例如，在学习“腐乳的制作”时，教师带着学生去制作的工坊，带着他们去采访工坊中的制作人员，询问腐乳制作的关键步骤及原因。之后，教师再提示学生这些关键措施其实是以能量供应了毛霉的生长与繁殖，促进豆腐自身的物质分解，让学生清楚传统工艺中很早就采用微生物促进物质与能量的转化。

又如，学习光合作用的影响因素时，教师可以先带领学生参观并初识一些蔬菜大棚，并提醒学生观察大棚中的湿度计、温度计、CO2钢瓶等设备物件。之后，教师引导学生从大棚的设施去思考光合作用中物质与能量转化的相应过程，并据此帮助学生分析农业生产中提高农作物产量的方法。最后，学生以小组合作学习的形式按照物质与能量转变的相应原理设计未来大棚，进而在真正意义上感悟与内化物质与能量观在现实生活中具有的重要作用。

生命观念与生物学基本概念不同，其既蕴藏在生物学基本概念中，又以众多的生物学事实与概念为依托，进行了高度的特征总结与思想提炼。这也恰恰印证了部分研究中所述的“生命观念表述为生物学学科的基本思想”。因而，对于培养学生形成如此高度提炼的“物质与能量观”的基本观念或思想，并非短时间的教学就可以完成。在生物教学过程中，教师既应当去锚定该观念的相关知识内容或概念体系，更应当通过多元化的教学策略，以“渗透观念——验证存在——内化应用”为连贯性、递进式的阶梯去不断深化学生的理解认识。