“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”教學中幾個難點的思考分析

丁傅

在現(xiàn)行人教版高級中學生物學必修三“穩(wěn)態(tài)和環(huán)境”中，“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”既是重點又是難點。但，教材中介紹能量流動的篇幅過于精簡，示意圖卻較復雜，學生在內容的分析和知識的理解上很難倒位。在平時的有關能量流動的圖例的分析和計算也是學生經常出現(xiàn)障礙。而教材中并未就這些問題深究。所以教師在授課中需要對教材中的一些內容進行進一步地組合和加深分析，使學生能較深刻地理解能量流動的相關原理，更好地培養(yǎng)學生分析和推理的能力。

能量流動的過程和特點是這節(jié)內容的重點和難點。教材對其過程的分析較簡略。而將能量流動的過程分析透徹，對有關生態(tài)問題的分析具有重要的指導意義。

1、能量來源和能量輸入的分析

教材中提到：“地球上幾乎所有的生態(tài)系統(tǒng)所需要的能量都來自太陽?！辈糠謱W生對此不甚理解。這是因為在必修一“光合作用”部分，對化能合成作用敘述得非常簡略，學生已印象不深或忘記。所以教師可適當回顧：正是因為極為少數(shù)的生態(tài)系統(tǒng)可以化能自養(yǎng)型微生物的合成作用，利用無機物氧化過程中放出的化學能。例如，前蘇聯(lián)的科學家乘深海潛水艇進入到太平洋馬里亞納海溝，在10916m深處發(fā)現(xiàn)了獨立于陸地上光合作用之外的生態(tài)系統(tǒng)：細菌取代了植物成為深海生物鏈中最低的一環(huán)。它們從海底溫泉水流中的礦物質中獲取能量，成為深海生物生存的基礎。除此外，地球上幾乎所有的生態(tài)系統(tǒng)都依靠太陽能而存在。因此說，太陽能是幾乎所有生態(tài)系統(tǒng)的能量的來源。

能量流動幾乎都是從綠色植物(生產者)光合作用固定太陽能開始的(極少數(shù)的生態(tài)系統(tǒng)除外)。通過光合作用，可以把其他生物不能利用的太陽轉化成可以利用的化學能，儲存在有機物中，使得太陽能從無機環(huán)境進入生物群落，供生產者、消費者、分解者利用。所以綠色植物通過光合作用固定的太陽能就是輸入生態(tài)系統(tǒng)的總能量，也是生態(tài)系統(tǒng)的第一營養(yǎng)級獲得的能量。當然太陽能只有極少的部分輸入生態(tài)系統(tǒng)，大部分被大氣層吸收、散射或反射，即使照在葉片上也不能全部轉化。

2、能量在食物鏈各環(huán)節(jié)中傳遞的分析

教材中給出了兩幅圖例來輔助敘述(見教材第94頁)。這兩幅圖例是經常需要學生分析的。所以需要對其進行較詳細的分析。這是一個學習的重點和難點，需要教師進行突破：

(1)明確相關的概念。幾個難以區(qū)分的概念是學生必須明確的，比如攝入量、同化量、糞便量等。為了幫助學生有效地理解這些概念。筆者采用了“情景展示(吃草的牛排出糞便，糞便被屎殼郎利用)——分組合作探究——引導”的教學過程。讓學生探討“牛吃入肚的草中的能量會不會全部被牛吸收轉化成牛自身的能量?牛糞便中是否含有能量?牛糞能量的歸屬?牛的攝入量與同化量是否相同。它們又是什么關系?牛糞的能量去路?”等一系列問題。最終明確：①攝入量、同化量、糞便量的概念；②攝入量＝同化量＋糞便量；③牛糞中能量不屬于牛，是草(上一個營養(yǎng)級)中能量的一部分，最終被分解者利用；④牛的同化量才是牛真正獲得的能量。

(2)分析教材中圖例。學生對教材中的“能量流經第二營養(yǎng)級的示意圖”的分析比較困難，筆者在多媒體課件中適當?shù)貙D例進行了簡化處理，幫助學生更好地分析。

首先讓學生分析原圖，經討論得出：初級消費者同化的能量才是初級消費者獲得的能量；初級消費者的糞便的能量屬于上一個營養(yǎng)級(可以歸屬到上一個營養(yǎng)級的流向分解者的能量中去)。從簡化后的圖中，學生能很容易地分析出初級消費者同化的能量有3條去路，即：①經呼吸作用以熱能形式散失；②被分解者利用；③流向下一個營養(yǎng)級。同時與教材中第二幅圖例“生態(tài)系統(tǒng)能量流動示意圖”建立很好的聯(lián)系。前者是后者中一個環(huán)節(jié)中的能量轉換的具體圖例。學生通過分析第二幅圖例，也能很快地得出能量沿著食物鏈流動時是單向流動、逐級遞減的結論并找到原因。也能分析出生態(tài)系統(tǒng)中能量最終都是以熱能形式散失的，所以需要不斷的輸入太陽能，才能維持生態(tài)系統(tǒng)的運轉。

教材中還涉及了美國生態(tài)學家林德曼對賽達伯格湖能量流動進行了定量分析圖例。首先，給學生簡單介紹林德曼的研究背景。讓學生分析圖例，并找出與第二幅圖例間的區(qū)別和聯(lián)系。

通過對比分析，學生發(fā)現(xiàn)“賽達伯格湖的能量流動圖解”與“生態(tài)系統(tǒng)能量流動示意圖”相比，每個營養(yǎng)級的能量去路有4條，多出一條“未被利用”。針對學生的疑惑，教師與學生一起探討兩幅圖例對能量流動的分析方法的區(qū)別。

“生態(tài)系統(tǒng)能量流動示意圖”中是進行定量不定時的分析。流入某一營養(yǎng)級的一定量的能量在足夠長久的時間內去路有3條。但不管怎么傳遞，最終都以熱能從生物群落中散失出去。

“賽達伯格湖的能量流動圖解”中是進行定量、定時的分析。以某個營養(yǎng)級中一定量的能量在一段時間內(比如一年)的能量流向分析。在這段時間內，這一營養(yǎng)級中的生物總有相當部分個體中能量沒有被自身呼吸消耗，未流入下一營養(yǎng)級，也未被分解者利用，而是儲存在活體的體內有機物中“未被利用”。如以年為單位，“未被利用”的能量會保留至下一年。但從長遠時間來看：“未被利用”的能量仍然將通過另外3個去路傳遞，最終散失。所以無論3個去路或是4個去路是不矛盾的。一個穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)在長期來看，能量的輸入和傳遞、散失是平衡的。3能量傳遞效率的計算和分析

(1)能量傳遞為什么沒有達到100％，教材中沒有直接給出答案，但筆者讓學生通過對“賽達伯格湖的能量流動圖解”重新整理數(shù)據(jù)，設計表格、分析數(shù)據(jù)之間關系，找到了原因，并計算出相關的傳遞效率值：

能量傳遞的效率＝上一營養(yǎng)級同化量/下一營養(yǎng)級同化量

兩個營養(yǎng)級之間的傳遞效率大約10％～20％，但在不同生態(tài)系統(tǒng)中，總會因各種食物鏈的不同等因素而不同。例如上述賽達伯格湖中第一營養(yǎng)級到第二營養(yǎng)級的傳遞效率為13.5％，而第二營養(yǎng)級到第三營養(yǎng)級的傳遞效率卻為20.1％。前者低后者高，這在其他的生態(tài)系統(tǒng)中相似。這是為什么?這個問題學生比較難回答。教師可以引導學生從食物的成分角度來考慮。學生經過思考討論后，植物中的有較多的纖維索等成分不容易被植食動物消耗吸收；而動物體除毛發(fā)、骨骼等難消化分解外大都可以被更高營養(yǎng)級消化吸收。

(2)在探討“為什么食物鏈一般不超過4～5個營養(yǎng)級?為什么一山容不得二虎?”等一類問題時，讓學生通過計算來認識。假設第一營養(yǎng)級總能量100％，按最高效率20％計算，第n營養(yǎng)級所獲得的能量只有1/5^n-1(如果按10％計算，公式為1/10^n-1)。由此可知，因為能量流動是逐級遞減的，能量傳到第4～5個營養(yǎng)級時，該營養(yǎng)級能傳給下一個營養(yǎng)級的能量太少，不足以維持下一營養(yǎng)級的生存。

(3)在食物鏈或食物網中進行有關能量傳遞量的～tg分析時。有一些共通的分析思路可循的。教師可以讓學生在分析計算時進行歸類。例如：

①已知低營養(yǎng)級的同化量，估算高營養(yǎng)級最多(或者至少)獲取的能量。需要從傳遞效率和食物鏈的營養(yǎng)級數(shù)等方面考慮，選擇最大傳遞效率(按10％～20％)和最少營養(yǎng)級數(shù)(或者最小傳遞效率和最多營養(yǎng)級數(shù))來計算。

②已知高營養(yǎng)級的同化量，估算最多(或者至少)消耗低營養(yǎng)級的能量，選擇最小傳遞效率和最多營養(yǎng)級數(shù)(或者最大傳遞效率和最少營養(yǎng)級數(shù))來計算。

③在對傳遞效率的理解上，要強調此傳遞效率是食物網中的某個營養(yǎng)級的全部生物個體同化的能量與上一個營養(yǎng)級的全部生物個體同化的能量的比值。

如果某種生物為雜食性的，也就是該生物同時處于不同的食物鏈上，需要將其不同來源的能量分別歸入相對應的食物鏈中的營養(yǎng)級中去計算。將此類問題稱為“能量分流問題”。

下面就幾道例題進行解析：

【例1】圖2表示某生態(tài)系統(tǒng)食物網的圖解，貓頭鷹體重每增加1 kg，至少消耗草約()

A.100 kgB.44.5 kg

C.25 kgD.15 kg

此題答案是c。根據(jù)關鍵詞“至少消耗”，確定選擇最大傳遞效率20％，營養(yǎng)級最少的食物鏈“草一田鼠一貓頭鷹”(因為能量損耗少)進行計算：1÷20％÷20％＝25(kg)。

此題有一點要說明一下，那就是能量流動能否用體重來表示。筆者認為在能量流動中用體重表示是不恰當?shù)?。由于不同生物中含水量不同，有機物成分差異大，因此含的能量也差別大。所以生物體所含能量事實上不能用生物體質量來表示的。但在高中階段，因為不需要那么精確，對這些差異進行了忽略。所以利用了生物體質量來代替能量。

【例2】(2004年上海高考題)如果一個人的食物有1/2來自綠色植物，1/4來自小型肉食動物，1/4來自羊肉，假如傳遞效率為10％，那么該人每增加1kg體重，約消耗植物()

A.10 kgB.28 kg

C.100 kgD.280 kg

此題答案是D。這是典型的“能量分流問題”。要根據(jù)題中描述寫出食物網，再根據(jù)人的食物來源的不同比例，將人的1kg體重進行分配成1/2、1/4、1/4，分別歸入不同的食物鏈中計算，最后將各個食物鏈中消耗的植物質量求和。

解答此類型的問題，還需注意是將高營養(yǎng)級的能量分配還是將低營養(yǎng)級能量進行分流。不然會導致結論錯誤。

學生在分析理解這些原理和掌握傳遞概率的分析計算后，也能自己來分析諸如教材的“問題探討”欄目中的先吃雞還是先吃玉米的問題了。

4、研究能量流動在實踐意義

研究能量流動，可以幫人們科學規(guī)劃、設計人工生態(tài)系統(tǒng)，使能量得到最有效利用，提高了能量的利用率。研究能量流動還可以幫助人們人們合理地調整生態(tài)系統(tǒng)中能量流動關系，使能量持續(xù)高效流向對人類最有益的部分。

在這部分內容的學習中，更多是讓學生從生活實踐的實例中去分析，例如，學校當?shù)氐霓r民每年都要焚燒秸稈，濃煙都給人們生活和健康帶來危害。教師可以此為話題，參照教材中“調查”欄目，讓學生討論，對如何改變這種狀況提出建議和策略。學生在討論和總結中大多能利用自己所掌握的知識或原理來解決一些問題或提出建議。在討論中甚至還能提出疑問并設法解決。例如：有學生提出：“生態(tài)系統(tǒng)中的分解者中能量有可能流向消費者嗎?”在討論和教師指導后，總結出這是有可能的，因為教材中的食物鏈只是捕食食物鏈，而在生態(tài)系統(tǒng)中還有腐生食物鏈的存在。生活中也有這樣例子：人們利用棉子殼和麥稈等培養(yǎng)平菇等食用菌供人食用，其本身的能量也就流向人了，而這些食用菌就屬于分解者。學生一旦主動參與到討論和學習，往往會迸發(fā)出很大的潛力。這更有助于學生對所學內容的理解和應用。