“5E”教学模式下高中生物学模型建构教学——以“生态系统的能量流动”为例

李洁，李艳红*，胡杰，苏珍

（1.西华师范大学生命科学学院，四川南充 637002；2.成都市武侯高级中学，四川成都 610043）

“5E”教学模式是基于建构主义和概念转变理论提出，由吸引（Engagement）、探究（Exploration）、解释（Explanation）、迁移（Elaboration）和评价（Evaluation）五个环节组成的一种教学模式，能在帮助学生开展科学探究获得深层次知识的同时，提升其演绎、归纳、概括、建模、批判性思维等科学思维能力[1-2]。模型建构是利用各种材料、符号、文字或数学公式等，对抽象事物进行概括性描述的过程[3]，常被用于抽象生物学概念的教学中。“生态系统的能量流动”一课涉及生态系统的能量流动过程及特点等内容，知识点抽象零乱且内容晦涩难懂。本文将“5E”教学模式与模型建构教学有机结合进行“探究”教学，有利于学生把握抽象生物学概念，培养科学思维[4]。

一、教学分析

（一）教材分析

“生态系统的能量流动”是人教版新教材高中生物学选择性必修2《生物与环境》第3章第2节内容，在“生态系统的结构”基础上，从“生态系统的能量流动”角度为学习“生态系统的稳定性”奠定基础。本节重点是生态系统能量流动的过程及特点，难点是生态系统能量单向流动、逐级递减的过程分析。教材展示了“生态系统能量流动的示意图”“能量流经第二营养级的示意图”和“赛达伯格湖的能量流动图解”等7个示意图，有利于教师开展模型建构教学以突出重点、突破难点。

（二）学情分析

本节内容抽象，传统讲授方式为教师直接向学生展示教材示意图，学生难以完成对生态系统能量流动过程的完整阐述，对特点的把握也仅限于知识点灌输，对背后原因的理解不够透彻。同时，学生已初步掌握生态系统能量流动的途径——食物链（网）、能量守恒定律和呼吸作用等相关知识，且具有一定的科学思维和模型建构能力，教师可进行模型建构教学，将难解过程置于所建构模型中，便于学生理解与掌握。

二、教学目标

1.生命观念：分析生态系统的能量流动过程和特点以形成生态系统的物质和能量观。

2.科学思维：分析“赛达伯格湖的能量流动图解”，总结生态系统能量流动的特点，培养科学思维。

3.科学探究：通过探究生态系统的能量流动过程建构模型及课后思考“如何根据实际情况设计方案获得最多能量”，提高科学探究能力。

4.社会责任：通过课后思考解决实际问题，形成合理运用生态学知识服务于人类的生态意识。

三、教学过程

（一）吸引

创设情境：假设你是流落荒岛的鲁滨逊，身边除了一只母鸡、15 kg玉米和能饮用的水，几乎没有任何食物。你会选择哪种生存方案等待救援？方案1：先吃鸡，再吃玉米。方案2：先吃玉米，同时用一部分玉米喂鸡，最后再吃鸡。

学生根据意愿选择方案。

教师提问：你们为何选择该方案？换言之，我们应从什么角度进行探究？

教师提示：本节课我们将学习从能量角度探究哪种方案更合理。（导入本节主题——生态系统的能量流动。）

设计意图：教师利用问题探讨创设情境导入主题，在解决实际问题的同时，将生物学知识与实际生活联系起来。此外，荒岛求生充满刺激和冒险，能激发学生学习的积极性。

（二）探究

1.实例中能量流动模型建构

教师介绍：教师根据“科学方法”模块的内容，向学生介绍“研究能量流动的基本思路”，初步提出以模型建构的方式探究能量在种群中的流动过程。

学生活动：学生根据科学方法首先画出两种方案的食物链，标记食物链中的营养级。

教师讲解：最优方案可使人获得更多能量，让我们尝试分析能量在营养级间的传递，即能量流动。如何根据同学们展示的食物链（网）具体分析能量流动？

教师展示：教师以玉米→鸡→人食物链为例，引导学生思考玉米（第一营养级）的能量来源和去路，并指导学生参考教材建构模型。

学生回答：“玉米通过固定太阳能获得能量。”因此，玉米的能量来源于太阳能；玉米的能量去路则是呼吸作用散失、被鸡捕食以及部分被分解者利用。学生小组分析讨论建构“能量流经玉米的示意图”（图1）。

图1 能量流经玉米的示意图

教师提问：鸡（第二营养级）的能量来源和去路？

学生探究建模：学生讨论后在第一次模型建构的基础上完善“能量流经玉米、鸡的示意图”（图2）。

图2 能量流经玉米、鸡的示意图

设计意图：从实例出发引导学生建构模型，由简至繁，层层递进，学生在自主建构模型过程中，通过概念模型将抽象的生态系统能量流动过程具体化，进而掌握本节易错知识点。

2.生态系统能量流动宏观模型建构

教师提问：将实例中建构的模型应用于生态系统，用生产者和消费者级别代替具体生物，模型将是怎样？

学生讨论完善模型：学生根据教师提示，在讨论后完善“生态系统能量流动的示意图”（图3）。

图3 生态系统能量流动的示意图

教师根据学生所展示模型（箭头与方框同等大小）与教师提供模型（箭头与方框逐级减小）在箭头与方框大小上的差异设疑：箭头、方框的大小有何含义？

设计意图：将实例模型应用于生态系统，修正模型过程分析错误与不足，提高学生模型建构能力的同时培养科学思维。

3.生态系统能量流动微观模型建构

教师提问：同化量指某一营养级从外环境获得的全部能量。第一营养级同化量即生产者固定的太阳能总量，除了通过呼吸作用直接散失，其余能量通过生命活动流入分解者与初级消费者。如何建构模型展示此传递过程？

教师提示：生产者同化量一部分通过呼吸作用直接散失，另一部分用于生长、发育和繁殖，进而流入分解者与初级消费者（同时展示模型的起始进行引导。）

学生建模：学生讨论后根据教师提示与起始模型，建构“能量流经生产者（第一营养级）的示意图”（图4）。

图4 能量流经生产者示意图

教师提问：能量如何流经初级消费者（第二营养级）？

教师通过课件展示模型中初级消费者摄入与初级消费者同化两方框，提问：初级消费者同化量如何表示？是否就是摄入量？

学生阅读教材解答初级消费者摄入量与同化量的概念与关系。

教师强调：在代入具体数值计算时，某一营养级的粪便量应归于上一营养级流入分解者的能量当中。

学生建模：学生讨论后根据图4及教师提示，建构“能量流经初级消费者的示意图”（图5）。

图5 能量流经初级消费者示意图

总结概念：能量在生态系统中由太阳能输入，在各营养级间及各营养级与分解者间传递，经光合作用和呼吸作用进行转化以及呼吸作用的散失过程。学生分析后总结生态系统能量流动的概念。

设计意图：该部分模型较为复杂。因此，教师首先在讲解中展示雏形，由学生完善模型、总结概念。以学生为主体，将抽象过程具体化，提高学生的科学思维能力。教材优先展示“能量流经第二营养级的示意图”，再展示“生态系统能量流动的示意图”。学生在学习过程中对于微观的能量流动过程难以理解，因此，该部分的教学设置为由宏观到微观步步递进，便于学生理解。

（三）解释

教师提问：生态系统中每一营养级的能量是否全部传递到下一营养级？能量在生态系统中流动有什么特点？

学生探究：学生根据教师展示的“赛达伯格湖的能量流动图解”（图6）从方向与数值两个方面分析总结生态系统能量流动的特点。

图6 赛达伯格湖的能量流动图解［单位：J/(cm2·a)］

1.单向流动

学生总结：从方向上分析，生态系统的能量流动具有单向流动的特点。

学生解释：由于在食物链和食物网中，箭头只能由被捕食者指向捕食者。因此，生态系统的能量单向流动且无法循环往复。

2.逐级递减（传递效率在10%～20%左右）

学生总结：从数值上分析，生态系统的能量流动具有逐级递减的特点

教师提示：除逐级递减外，传递效率是否有一定范围？并解释：某一营养级同化量与上一营养级同化量之比×100%，表示上一营养级与某一营养级之间的能量传递效率。各小组如何根据“讨论1”设计一份小组清单用以探究生态系统的能量传递效率？

学生归纳总结：学生设计并完成表1。总结生态系统能量流动在数值上的特点，即逐级递减（传递效率在10%～20%左右）。

表1 赛达伯格湖的能量流动数据处理

教师提问：思考“讨论3”，为什么能量在传递过程中逐级递减？

学生讨论回答：学生从某营养级能量的去路解释能量逐级递减原因。

教师解释：任何生态系统都需要不断得到来自系统外的能量补充，包括自然的太阳能输入和人工的化肥投入等，以便维持生态系统的正常功能。同时，教师解答上一节遗留问题“食物链为何一般不超过5个环节”，讲解未利用的能量。

学生讨论修改后展示本小组所得结论及模型，回答：箭头、方框逐级变小表示生态系统能量流动逐级递减，且箭头只能由被捕食者指向捕食者,表示生态系统能量单向流动。

教师总结：教师评价学生小组成果，与学生共同总结生态系统的能量流动过程、概念、特点及原因分析。

小组修正总结：学生小组根据教师的解释，结合小组成果对本节概念及模型进行修正与总结。

设计意图：学生通过小组合作，运用解读模型、计算和归纳等方式得出生态系统能量流动的特点，提高模型解读能力。学生根据教师解释进行成果的修正与总结，培养学生提炼信息与发现问题、修正问题的能力。

（四）迁移

教师设疑：假设问题探讨中一只鸡和15 ㎏玉米所含有的能量分别是100 KJ和400 KJ，且玉米中供人食用和喂鸡的能量之比为3∶1，根据各小组选择的方案计算鲁滨逊分别最多获得的能量。

学生探究：学生将能量传递效率确定为20%以获得最多能量，各小组根据所选方案进行计算并交流结果，最终确定方案1获得更多能量。

课后思考：方案1使鲁滨逊获得更长的等待救援时间，如果鲁滨逊所漂流的荒岛被发现的可能性很小，如何运用生态系统能量流动知识设计方案以维持最长等待时间？思考所设计方案的检验方式。

设计意图：在学生解决问题的同时，检验他们对生态系统能量流动特点及能量传递效率有关计算的掌握程度，通过课后实际问题的灵活思考，实现理论与实际相结合，促使学生利用生物学知识解决实际问题，提高学生科学探究能力。

（五）评价

过程性评价：学生小组在本节建构并修正了5个模型，根据后期几个模型建构的速度和准确度等可对学生的建模能力进行评价。同时，教师解读“赛达伯格湖的能量流动图解”后，根据学生对生态系统能量流动特点总结的完善度与准确度再一次评价学生解读模型的能力。在迁移环节，学生通过计算得出最佳方案并从生态系统能量流动角度思考实际问题，进一步对学生进行多元化评价。

综合评价：学生结合生态系统的能量流动知识思考如何获得最多能量，从综合角度评价学生对生态系统能量流动过程和特点的掌握程度。

设计意图：通过模型建构过程与课后作业，多方面进行巩固与评价，体现评价的多元化。

四、教学反思

（一）学生建构与修改模型耗时长

由于“生态系统的能量流动”一课涉及模型较多，学生在建构与修改模型时耗费大量时间。因此，教师应将简单模型交与学生讨论后完成，教师只做修正提示；复杂模型引导学生先分析过程，明确所要完成的任务，随后根据复杂程度选择提供起始模型或者由学生小组独立完成剩余任务。

（二）教师需加强模型建构过程引导

学生首次接触如何分析生态系统的能量流动，对于某一营养级能量的来源和去路及去路的具体用途等还不熟悉。因此，教师在进行模型建构教学的过程中要通过适当引导、合理提示和加强课堂巡视等方式，及时发现学生困惑并引导学生思考解答。

（三）课后习题还需进一步完善

由于课时限制，课堂检测仅设置了课前探讨遗留问题的解决，学生对于所建构模型在生态系统能量流动习题解答过程中的意义还未明晰，教师可在课后设置相应习题，便于学生明确概念，充分理解生态系统能量流动过程并解决相关计算问题。