基于5E教学模式的模型建构教学设计——以“生态系统的结构”为例

刘美玲

（安徽省含山中学 安徽马鞍山 238100）

1 5E教学模式

5E教学模式由美国生物科学课程研究创立一种建构主义教学模式，主要由5个阶段构成，即引入（engage）、探究（explore）、解释（explain）、迁移（elaborate）、评价（evaluate）。5E教学模式的实施流程如图1所示。

图1 5E教学模式流程图

2 教学设计思路

“生态系统的结构”是2020年人教版《选择性必修2·生物与环境》第三章第一节。笔者结合5E教学模式对本节教学内容进行重新组合。课前，带领学生开展本章第五节中“设计制作生态缸，观察其稳定性”探究实践活动。教师将该活动作为课程资源，服务于本节乃至本章的教学。本节课上，教师以学生制作的“生态缸”这一真实情境为引入点，借助于其形象、直观的特点来突破重难点。各小组展示交流制作的生态缸，思考教师设计的问题串，建立生态系统的概念。再围绕“如何分析生态缸这一生态系统的结构？”这一核心问题开展探究评价活动，学生通过对生态缸的组分进行分析、归类，讨论组分之间的联系，初步建构生态系统的结构模型。在此基础上，学生开展阅读思考、分组讨论等活动，探讨生态系统组分作用和营养结构，并对建构的模型进行修正和完善；比较简单的食物网和复杂的食物网，进一步理解食物网的复杂性对生态系统的意义。这样的教学思路既符合学生的认知规律，又达成建构模型的科学思维训练目标。

3 教学目标

①设计并制作生态缸，观察其稳定性。

②通过分析具体生态系统中生物与生物、生物与非生物环境的关系，建立生态系统的概念。

③对生态系统的组成成分进行分析、比较、归类，归纳概括各组成成分的作用及相互关系，建构生态系统的结构模型。

④通过对实例的分析讨论，建立食物链和食物网的概念。

4 教学过程

4.1 引入、评价：创设真实情境，建立生态系统的概念

课前，学生开展探究实践活动“设计制作生态缸，观察其稳定性”。课堂上，每组小组长交流展示各组制作的生态缸，教师针对学生制作的生态缸中的某一植物如铁线蕨，提出以下问题：

①铁线蕨与生态缸中其他生物可能存在什么关系？

②铁线蕨的根系会给土壤带来哪些变化？

③生态缸就是一个生态系统。通过以上分析，你认为什么是生态系统？

针对问题①，学生回顾“种间关系”，讨论铁线蕨与生态缸中其他生物可能存在的种间关系。例如，铁线蕨与其他植物之间存在竞争关系；生态缸中一些草食性鱼类会吃铁线蕨叶，二者为捕食关系等。在认识了生态缸中生物间关系的基础上，对问题②，学生能想到：铁线蕨根会吸收土壤中的水和无机盐，根细胞的呼吸作用会增加土壤中CO的含量。教师引导学生进一步思考生态缸中生物与非生物环境之间还有哪些相互联系，引导学生认识到生态缸中除了研究生物之间的关系，还要研究生物与非生物环境之间的相互关系。通过思考问题③，学生归纳、概括，形成生态系统的概念：由生物群落与它的非生物环境相互作用而形成的统一整体。学生从而认同“生态系统”与上一章“群落”研究层次相比，还要研究生物与非生物环境之间的相互关系。

教师接着展示生物圈、森林、草原、荒漠、城市、农田以及学生制作的生态缸图片，请学生确认各个生态系统的范围。学生观看图片，讨论各个生态系统，认识到生态系统的范围有大有小，可根据需要界定。

设计意图：教师以学生制作的生态缸为引入点，将学生置身于真实的情境中，通过问题串衔接新旧知识，导入新课的学习，激发学生的好奇心和求知欲。

4.2 探究、评价：开展探究活动，建构基本的生态系统结构模型

教师紧接着抛出本节课的核心问题：“如何分析生态缸这一生态系统的结构？”并布置以下活动，学生以小组为单位思考讨论，协作探究。

活动①：写出生态缸中的组分，找出其共性，并进行归纳。

学生对所写的组分归纳为生物组分和非生物组分。生物组分又分为植物、动物和微生物；非生物组分包括非生物的物质和能量，如光、热、水、空气、无机盐等。

活动②：生物的生存都离不开物质和能量。生态缸中植物、动物、微生物是如何获取物质和能量呢？

学生列表讨论不同生物组分获取物质和能量的方式，小组展示交流。教师对各小组进行点评。

活动③：尝试用箭头和文字等绘制生态缸中生物组分之间联系的图解。在已建立生物组分之间联系的基础上，生态缸中生物组分与非生物组分的关系是怎样的呢？继续进行补充。

学生积极讨论：生态缸中植物吸收光能通过光合作用合成有机物；动物吃植物或其他动物获得物质和能量；动植物遗体等为微生物提供物质能量；而生态缸中CO和O的含量也会随着植物和动物的生理活动而变化。学生补充图解，小组之间相互展示交流和点评，教师及时反馈，初步建构生态系统的结构模型（图2）。

图2 初步建构生态系统结构模型

活动④：展示教材中池塘生态系统图解和补充展示某荒漠生态系统的图片和物种名称，并结合制作的生态缸，分析这些组分在生态系统中的作用，评价绿色植物对生态系统的贡献。

学生思考每一类生物组分对生态系统的作用，找出不同生态系统的结构共性。教师引导学生从对生态系统的贡献的角度，进行生态组分归类。这样可以使学生认识到生态系统的成分分类是按生物在生态系统中的功能或作用分类，而不是物种分类。在此基础上，学生讨论、总结生态系统的各组分之间的关系，理解生命系统的组分之间存在密切的内在联系和相互影响，是一个有机的整体。同时，进一步修正生态系统的结构模型（图3）。

图3 修正后的生态系统基本结构模型

设计意图：探究是5E教学模式中的核心环节。教师继续利用学生制作的生态缸，引导学生进行系列的探究活动，完成对生态系统基本结构模型的建构。各个活动由浅及深，符合学生的认知特点。在每个活动中，教师都针对学生的回答进行评价，鼓励学生之间相互点评，促进科学思维的形成。

4.3 解释、评价：分析生态系统的营养结构，完善结构模型

4.3.1 绘制食物链、食物网，解析相关概念

教师展示阅读资料“研究生物间食物关系的方法”，请学生以生态缸为对象，画出食物链，并与小组同学交流点评展示。教师以其中一条食物链为例分析，如“绿藻→黑壳虾→孔雀鱼→乌龟”。生产者——绿藻属于第一营养级；直接以绿藻为食的黑壳虾是初级消费者，属于第二营养级；次级消费者是以初级消费者为食的动物，如孔雀鱼们属于第三营养级；三级消费者是以次级消费者为食的动物，如乌龟属于第四营养级。

接着，教师提出问题：什么是营养级？学生归纳：营养级是指处于食物链某一环节上的所有生物的总和。教师及时点评并强调：营养级是一种功能上的分级，并不限于某个物种。在食物链中处于相同层次或级别的生物群体，就属于同一营养级。这样有助于加深学生对营养级概念的理解。

教师进一步引导学生观察、思考：若某些物种出现在不同的食物链中，以这些物种作为交点，多条食物链相互交错连接成复杂的营养关系，即食物网。学生在已画食物链的基础上，绘制该生态缸的食物网。教师以其中一个小组绘制的食物网为例，提出质疑：观察该食物网，每种生物的营养级是固定的吗？请举例说明。例如，乌龟在不同的食物链中，可分别占据第三或第四营养级。这取决于乌龟从什么渠道获取能量。

4.3.2 课堂小结，完善结构模型

学生总结对生态系统的组成成分和营养结构的学习，思考外界环境中的CO、无机盐、太阳能是不断地输入的过程及经历的变化。教师指导学生建立各组分之间物质和能量的关系，再进一步完善该结构模型（图4）。接着小组点评、教师及时反馈评价，引导学生归纳建构生态系统的结构模型的基本步骤。

图4 完善生态系统的结构模型

设计意图：解释是5E教学模式中的关键环节。在探究环节之后，教师仍然利用学生自制的生态缸，鼓励学生动手绘制食物链、食物网，解释营养级等概念。学生基于完成营养结构的学习后，深化知识，补充完善生态系统的结构模型，达成建构模型的思维训练目标，同时体会到知识体系是不断发展和修正的。

4.4 迁移、评价：探讨食物网的复杂程度对生态系统稳定性的意义

教师展示某陆地生态系统食物网示意图，引导学生将其与前述某生态缸食物网进行比较，思考：哪个食物网所在的生态系统更加稳定？原因是什么？

学生观察比较2个食物网，发现某陆地生态系统的食物网更复杂。教师引导学生积极讨论并进行评价总结：如果食物网过于简单，某个物种减少或消失将导致食物链无法继续维持。如果食物网复杂，同一营养级的生物种类会更丰富，如果一条食物链中的某个物种减少或消失，它在食物链中的位置，可以由同一营养级的其他生物取代。这样就不会对生态系统造成过大的影响，所以食物网复杂的生态系统更加稳定。

最后，教师布置“课后思考”：试比较各组制作的生态缸的稳定性大小，尝试找出原因。如何提高生态缸的稳定性？组内反馈评价，讨论并提出生态缸的改进方案。这样可进一步提升学生的探究实践能力，并渗透“结构与功能”和“稳态与平衡观”，为后续章节的学习埋下伏笔。

设计意图：教师将学生自制生态缸这一简单的生态系统与某复杂的生态系统进行比较，促进学生思考并比较两种生态系统的稳定性大小，使学生认识到生态系统稳定性与食物网复杂程度的关系。学生学会利用所学知识，尝试去解决新情境中的问题。这就是知识的迁移，加深并拓展了学生对知识的理解。

5 教学反思

建构概念模型的方法是本节教学内容的重点，而5E教学模式正是围绕帮助学生建构新的概念而设置的。该模式通过情境的引入，使学生产生探究的兴趣。在教师的引导和学生的探究交流过程中，学生获得了新的概念，掌握了概念模型建构的思路，从而运用已学知识去解释新的情境问题。同时，教师在5E教学模式的每个环节中都结合评价，采用多样化的评价方法，可通过提问、小组讨论、纸笔记录等多种形式，积极鼓励学生小组间进行自评和互评。这与传统的讲授式教学有着本质的区别，学生在思考讨论、交流评价、建构模型的活动中发挥了主体地位，注重建模过程而不是结果，培养了建模能力，达成科学思维训练目标。