“生态系统的能量流动”教学案例∗

张春菊 田树青 柳忠烈

（1中国地质大学附属中学 北京 100083 2北京市海淀区教师进修学校 北京 100195）

生物学是研究生命现象和生命活动规律的一门基础自然科学。生物学的研究经历了从现象到本质、从定性到定量的发展过程。高中生物学课程既要让学生获得基础的生物学知识，又要让学生领悟生物学家在研究过程中所持有的观点，以及解决问题的思路和方法。高中生物学课程着眼于学生适应未来社会发展和个人生活的需要，从生命观念、科学思维、科学探究和社会责任等方面发展学生的学科核心素养，充分体现学科特点和育人价值[1]。

1 教学内容分析

人教版（2019版）高中生物学选择性必修2《生物与环境》模块的教学内容主线涉及生物与环境、种群、群落、生态系统等概念。学习本模块有助于学生理解生命活动的本质，了解系统分析的思想和方法，提高对生态系统与环境关系的认识，并为学生树立人与自然和谐共处的观念、形成生态意识、环保意识和践行绿色低碳生活方式奠定基础[1]。

1.1 重要概念分析 “生态系统的能量流动”是《生物与环境》第3单元“生态系统及其稳定性”第2节的内容。本节在新课程标准“选择性必修课程”中属于概念“2.2生物群落与非生物的环境因素相互作用形成多样化的生态系统，完成物质循环、能量流动和信息传递”[1]。本节对应概念“2.2.3分析生态系统中的物质在生物群落与无机环境之间不断循环、能量在生物群落中单向流动并逐级递减的规律”[1]。本节对应的学业要求为：使用图示等方式表征和说明生态系统中物质循环、能量流动和信息传递的过程和特征，并对相关的生态学实践应用作出合理的分析和判断（生命观念、科学思维、社会责任）[1]。

1.2 单元内容和课时关系结构图 本单元主题是生态系统，教材按照从结构到功能，再到稳定性的顺序，由浅入深地安排（图1）。生态系统的结构是能量流动和物质循环的基础。能量是维持生态系统功能、使生态系统保持稳定的关键。信息传递对生命活动的正常进行、生物种群的繁衍及种间关系的调节起着重要作用。生态系统的结构和功能处于相对稳定时，生态系统就达到了生态平衡。生态系统的结构、功能、稳定性相互关联，有很强的逻辑性。

1.3 承载的学科核心素养侧重点分析

1.3.1 生命观念

1）物质与能量观。物质是能量的载体，能量是维持和更新生命的动力，生命系统时刻进行着能量的输入与转化。细胞通过合成代谢和分解代谢，实现生命物质的更新与能量转化；生物体从外界获取物质和能量，通过呼吸作用实现物质和能量的转化；生态系统中生产者将光能转化为有机物中的化学能，能量以有机物的形式流向消费者和分解者。生命系统的各个层次都有能量的流动和转化。

2）系统观。生态系统是由生物群落与非生物环境组成的统一整体。生态系统结构不同，功能也有差别。将生态系统作为一个整体进行分析，培养学生的系统思维。

1.3.2 科学思维 基于生物学事实和证据，运用模型与建模方法阐释生命现象，构建生态系统能量流动的过程模型。结合数据，定量分析赛达伯格湖的能量流动图解，归纳、概括生态系统能量流动的特点。

2 教学设计与实施

2.1 设计思路 针对以上教学内容和学业要求，本课时的整体设计思路是：首先，通过问题引导学生分析、讨论生态系统能量流动的研究思路和方法，以营养级作为整体，构建生态系统能量流动的过程模型。然后，通过定量分析赛达伯格湖的能量流动图解，总结生态系统中能量流动的特点。本节教学设计有以下特点。

1）强化概念教学。注意大概念、重要概念和小概念之间的关系。无论是细胞、个体还是生态系统层次，都要将能量的输入、传递、转化和散失这些重要概念分析透彻。通过具体事例讲解生产者固定的太阳能、同化量、摄入量、粪便量、传递效率、“未利用”等小概念。

2）落实生命观念。生命观念是生物学学科核心素养的标志[2]。教学中要注重落实“物质与能量观”“系统观”等生命观念。帮助学生构建从微观细胞层次到宏观生态系统层次的能量转化过程，渗透能量转化对生命活动的重要意义。

3）关注模型构建和科学思维。教学环节中最具挑战性的学习任务是发展学生学科核心素养，学习任务的设计要有递进性[3]。由定性分析构建模型，到定量分析总结规律。构建模型要从抽象到具体再回到抽象，通过具体形象的能量流动链，帮助学生形成清晰的能量流动过程。充分挖掘科学史，对赛达伯格湖的研究方法和研究思路要落实到教学中，培养学生的科学思维。

4）关注学情。学生的知识和能力水平如何？哪些知识是需要教师启发、引导才能想到的？哪些知识是需要教师讲解才能知道的？通过学情分析，设计具体的问题和学习任务。

试讲发现，学生对生态学基本概念不理解，分析流经每种生物能量的“传递、转化和散失”过程难度较大。学生忘记了呼吸作用对于生命活动的重要意义。分析每种生物所属的生态系统的成分及每种生物获取能量的途径时，需要优化问题，引导学生思考所有生物通过呼吸作用为生命活动提供能量，此过程中产生热能。教学中注意关注学生的课堂反馈，耐心倾听，及时指导。

2.2 教学实施

2.2.1 教学环节1：生态系统能量流动的概念

以池塘生态系统为研究对象，首先提出问题1：分析以下生物（芦苇、螺蛳、大鱼、细菌、真菌等）分别属于生态系统中的什么成分？分别通过何种方式获取能量？分析每种生物成分的能量流动过程；然后提出问题2：所有生物生命活动的直接能源物质是什么？该能源物质是如何产生的？以营养级为研究对象，逐步分析能量流经第1、第2营养级的过程，最后，构建生态系统能量流动的过程模型。

认同细胞、个体、生态系统等不同生命层次的能量流动过程。构建“太阳能→有机物中的化学能→热能+ATP中的化学能”的物质与能量转化概念图。

2.2.2 教学环节2：构建生态系统能量流动的过程模型

提出问题3：研究生态系统的能量流动应该以个体、种群还是营养级为研究对象更科学、更准确，为什么？引导学生分析个体的偶然性和局限性，认识以营养级为研究整体的准确性和意义。思考研究生态系统能量流动的基本思路。

提出问题4：要想定量地研究生态系统，应该选择怎样的生态系统？教师介绍赛达伯格湖的大小和特点：赛达伯格湖深1 m，面积约14 480 m2，湖岸线长500 m，湖底深度一致、性质均一，没有大波浪，是一个营养结构较简单、相对较小、能保持相对稳定的天然生态系统。

提出问题5：赛达伯格湖里可能有哪种生物？如何去定量研究各个营养级的能量关系？引导学生分析湖中的各种生物成分，思考定量分析的方法。

教师介绍林德曼（Lindeman）研究赛达伯格湖能量流动的思路和方法：“从1936年12月21日至1941年3月28日，林德曼采用周期调查的方法，进行了近50次调查；用取样器对湖底淤泥进行取样，获得多个系列的生物和化学样品；从底部样品的粗碎屑中分离出生物体，进行鉴定、测量、计数和称重；采用离心分离法，分析浮游生物的质量和数量；依据产量对鱼类进行合理估计；根据不同物质每克的热量值将质量转化为能量值单位J/（cm2·a）”。教师补充赛达伯格湖的相关文献资料，提出问题6：能量流经每一个营养级的具体过程是怎样的？照射到生产者的太阳能是否是生态系统的总能量？问题7：消费者摄入的能量是否为输入该营养级的总能量？初级消费者粪便中的能量是否属于同化量？通过讨论交流，引导学生定量分析赛达伯格湖的能量流动图解，归纳、概括能量流动的特点，理解能量流动逐级递减的特点：①任何食物层次的能量都不能完全被以它为食的生物体所摄取。在食肉动物无法消化和吸收的“死亡”组织中，仍存在很多能量。②食物循环很少超过5个营养级，掠食者不断增加的呼吸作用是限制食物循环中营养级数量的重要因素。③每种生物经非捕食性死亡后，作为细菌和真菌等腐生生物的潜在能源，其代谢产物进一步分解为简单的无机物和有机物，可供光合生产者使用[4]。

教学过程中，培养学生的建模能力、科学探究能力，强化物质与能量观。

2.2.3 教学环节3：生态系统能量流动的特点

基于环节1和环节2的资料，问题驱动，进一步梳理、概括生态系统能量流动的特点，培养学生分析数据的能力。

问题8：根据赛达伯格湖的能量流动图解，定量分析每一营养级能量的流动过程，计算相邻营养级之间能量的传递效率。

问题9：计算每一营养级的呼吸消耗率。思考为何随着营养级升高呼吸消耗率逐渐升高？

问题10：能量流动方向是否会逆转，能否循环流动？能量在流动过程中逐级递减，与能量守恒定律是否矛盾？

通过数据分析和资料分析，引导学生理解能量流动是逐级递减的，营养级越多在流动过程中消耗的能量就越多。

2.3 教学评价

2.3.1 课堂实施情况质性描述

环节1：学生分析表述以个体、种群或营养级作为研究对象是否可行，能初步分析构建生态系统能量流动过程图。除部分学生遗忘呼吸作用的意义外，大部分学生能理解摄入量、粪便量和同化量三者之间的关系，能理解“同化量－呼吸量=积累有机物中的能量”。

环节2：学生能梳理生态系统能量流动的研究思路和方法，能根据赛达伯格湖的能量流动图解完成准确的数据分析。学生对“未利用”的含义理解得不透彻。通过分析流向分解者的能量资料和呼吸消耗率，学生理解能量流动过程中营养级越多，消耗的能量就越多。

2.3.2 学生学案分析

1）物质与能量观：生命过程需要能量驱动，生命系统是开放系统，时刻进行着物质和能量的输入、输出。从生物个体角度分析能量的流动和转化，以概念图的形式，构建生命系统中能量的转化与利用过程（图2）。

任务1：生态系统能量流动的过程（池塘生态系统）。

①分析以下生物分别属于该池塘生态系统中的哪种组成成分？分别如何获取能量？

芦苇、荷花：生产者、利用太阳能合成有机物。

昆虫、螺蛳：初级消费者、摄取生产者。

大鱼、小虾等：次级消费者、捕食初级消费者。

细菌、真菌：分解者、分解生产者和各级消费者的遗体残骸。

2）系统观：将生态系统作为一个整体进行分析，分析每一个营养级的能量流动过程，构建生态系统的能量流动的过程模型，培养学生的系统思维（图3，图4）。

3）科学思维：基于生物学事实和证据，分析生态系统能量流动的过程图解，运用归纳与概括、模型与建模等方法，阐释生命现象及规律，提升科学思维能力。

任务2：生态系统能量流动的特点。

①流经该生态系统（图5）的总能量是：464.4J/（cm2·a）

②填表梳理每一个营养级的能量输入总量及能量的去向（表1）。

表1

③相邻2个营养级之间能量的传递效率为何不是100%？

一部分用于呼吸作用；一部分被分解者利用；一部分“未利用”。

④“未利用”的含义是仍以有机物的形式储存在生物体内；未流入下一个营养级；未被呼吸作用消耗；未被分解者利用；未利用的煤炭等有机物形式。

各营养级“未利用”的能量的可能去向是流向下一个营养级；自身呼吸作用消耗；被分解者利用；流向人类生产、生活等。生态系统能量流动的特点表现为：单向流动、逐级递减（图3，图4）。

2.3.3 学生访谈

针对不同学习进度的学生提出不同难度等级问题。

低等难度问题：请描述生态系统能量流动的过程和特点？同化量、摄入量和粪便量三者之间的关系是什么？

学生反馈：基本能说出每一营养级能量的输入和能量的去向，知道生态系统中能量流动的特点是单向流动和逐级递减。容易混淆同化量、摄入量和粪便量。

中等难度问题：请描述生态系统能量流动的过程？研究能量流动的基本思路和方法是什么？为何能量流动是逐级递减的？

学生反馈：能说出生态系统能量流动的过程，初步了解研究能量流动的思路和方法。能阐释生态系统中能量单向流动、逐级递减的特点。

高难度问题：如何理解生态系统能量流动过程中渗透的物质与能量观、系统观等生命观念？是否能清楚了解生态系统能量流动的基本研究思路和方法？如何理解生态系统能量流动是逐级递减的？

学生反馈：从细胞、个体和生态系统层次对能量的流动过程有了清晰的认知，能说出生命系统中能量的转化形式。已了解赛达伯格湖的研究思路和方法，并深刻理解到有很大一部分能量被分解者或自身呼吸作用消耗，营养级越多，能量消耗越大，能量流动是逐级递减的、单向流动的。

3 教学反思

在真实情境中落实生物学学科核心素养。中、小学生对知识意义的感受与理解，是通过在真实情境中应用实现的。评估学生是否习得核心素养的最佳作法就是让学生“做事”，而“做事”必须要有真实的情境[5]。通过池塘生态系统这一真实情境，引导学生构建池塘生态系统中各种生物成分之间能量流动的过程模型，落实物质与能量观、系统观等生命观念。池塘生态系统中错综复杂的食物网，能直观地帮助学生理解“以‘营养级’作为能量流动的研究对象更加科学和准确”。

经典科学史学习中落实科学思维和科学探究。学习生物学科学史，能沿着科学家探索世界的道路，认识科学的本质，学习科学研究的思路和方法。通过林德曼研究赛达伯格湖的背景介绍，使学生理解科学研究中研究样本、研究方法和研究手段的重要性。