模型建構(gòu)在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用

成培平

摘 要 敘述了將教材中的問題探討分層推進，并不斷引導(dǎo)學(xué)生借助建模的方法對“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”進行分析。利用模型建立分層突破難點，既激發(fā)了學(xué)生生物學(xué)習(xí)的熱情，又培養(yǎng)了學(xué)生建模分析問題的能力和科學(xué)探究的精神。

關(guān)鍵詞 生態(tài)系統(tǒng) 建模 分析 能量流動

中圖分類號 G633.91 文獻標(biāo)識碼 B

1 教學(xué)分析

1.1 教材分析

本節(jié)內(nèi)容是人教版生物必修3教科書第五章第二節(jié)教學(xué)內(nèi)容，該節(jié)內(nèi)容包括：生態(tài)系統(tǒng)的能量流動的概念、過程、特點以及研究能量流動的實踐意義。該節(jié)對第一節(jié)和第三節(jié)內(nèi)容起到承上啟下的作用。本課為第二節(jié)的第一課時，教學(xué)內(nèi)容比較抽象，教學(xué)重點和難點在于通過學(xué)習(xí)建構(gòu)模型的方法深入理解生態(tài)系統(tǒng)的能量激動，并系統(tǒng)分析能量流動的概念、過程及其特點，為第二節(jié)能量流動的實踐意義和應(yīng)用的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

1.2 學(xué)情分析

經(jīng)過前兩章的學(xué)習(xí)，高二的學(xué)生對于模型建構(gòu)的生物科學(xué)學(xué)習(xí)方法有了一定的認(rèn)識。并且學(xué)生在第1節(jié)已經(jīng)學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，教師在學(xué)生進行能量流動模型建構(gòu)時只需要創(chuàng)設(shè)情境，適當(dāng)引導(dǎo)即可。而高中生對能量流動的定性和定量分析難度較大，所以在學(xué)生自主完成模型建構(gòu)的基礎(chǔ)上，教師可以從生活實際出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生完成對能量流動的系統(tǒng)分析。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1） 知識目標(biāo)：概述生態(tài)系統(tǒng)的能量流動；分析生態(tài)系統(tǒng)的能量流動的過程及特點。

（2） 能力目標(biāo)：通過分析能量流動的概念和過程，建構(gòu)相關(guān)模型；系統(tǒng)分析能量流動的過程和特點，解決實踐問題。

（3） 情感、態(tài)度與價值觀目標(biāo)：體驗系統(tǒng)分析法在能量流動探究中的一般過程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)生物科學(xué)的興趣。

3 教學(xué)重點和難點

嘗試建構(gòu)模型，分析生態(tài)系統(tǒng)的能量流動及其特點。

4 教學(xué)策略與手段

本課采用了分層設(shè)問、自主探究、合作學(xué)習(xí)和模型建構(gòu)等多種教學(xué)模式；利用多媒體課件，幫助學(xué)生直觀、生動地完成生態(tài)系統(tǒng)能量流動的概念、過程及其特點的模型建構(gòu)和能量流動過程的系統(tǒng)分析；借助教師引導(dǎo)、小組討論、學(xué)生展示等活動實現(xiàn)分層突破本節(jié)課的重、難點。

5 教學(xué)過程

5.1 導(dǎo)入新課

教師展示課件漫畫，引入教材第93頁“問題探討”，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師引導(dǎo)學(xué)生用“食物鏈、食物網(wǎng)”分析兩種備選策略的不同之處（圖1）。

教師引導(dǎo)學(xué)生回憶第一節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)容，使學(xué)生建立食物鏈與能量流動的聯(lián)系，從而導(dǎo)出課題，明確本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

5.2 能量流動的概念

教師引導(dǎo)學(xué)生分析教材第93頁中能量流經(jīng)一個種群的圖示，使學(xué)生初步建立定性分析能量流動的思路，由“個體”能量的輸入、輸出，推廣到對種群能量輸出、輸入的研究，初步培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)模型的能力，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)能量流動概念的模型（圖2）：生態(tài)系統(tǒng)的能量流動是指生態(tài)系統(tǒng)中能量的輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失的過程。

教師在落實概念教學(xué)后，針對“傳遞”提出問題：能量是如何輸入生態(tài)系統(tǒng)的？并將該問題分解成兩個小問題：（1） 生態(tài)系統(tǒng)所需要的能量來自哪里？（2） 太陽能是如何輸入生態(tài)系統(tǒng)的？

在學(xué)生根據(jù)前面已有知識回答這兩個問題后，教師隨即引出能量流動的過程研究。

5.3 能量流動的過程

（1） 在研究了能量輸入途徑后，教師提出問題：“能量在生態(tài)系統(tǒng)中傳遞的途徑是什么？”這樣引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)一個生態(tài)系統(tǒng)能量流動過程的基本模型（圖3）。

（2） 教師要求學(xué)生閱讀課本第94頁第二段文字，引導(dǎo)學(xué)生利用能量流動概念的模型去建構(gòu)能量流經(jīng)第一營養(yǎng)級的模型（圖4）。

（3） 引導(dǎo)學(xué)生分析能量流經(jīng)第二營養(yǎng)級與第一營養(yǎng)級的不同，并要求學(xué)生嘗試建構(gòu)能量流經(jīng)第二營養(yǎng)級的模型（圖5），并進一步定性分析能量流動。另外教師補充“同化作用”的概念。

（4）引導(dǎo)學(xué)生分析每個營養(yǎng)級能量的輸入與輸出，并建構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動模型（圖6），使學(xué)生進一步體驗科學(xué)探究的過程，完成對能量流動的定性分析。

在模型建構(gòu)完成后，教師提出問題：生態(tài)系統(tǒng)中的能量和轉(zhuǎn)化是否遵循能量守恒定律？流經(jīng)某個生態(tài)系統(tǒng)的能量能否再回到這個生態(tài)系統(tǒng)中來？

5.4 能量流動的特點

教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀課本95頁，比較賽達(dá)伯格湖的能量流動圖解與建構(gòu)的模型不同之處，學(xué)生分析數(shù)據(jù)，完成表1，計算生產(chǎn)者、植食性動物能量出入比，進而提高學(xué)生分析和處理數(shù)據(jù)的能力。同時教師提出問題：流入某一營養(yǎng)級的能量，為什么不能百分之百地流到下一個營養(yǎng)級？

通過小組分析討論，總結(jié)出能量流動的特點：單向流動，逐級遞減。同時根據(jù)教材，教師指出傳遞效率約為10%～20%。

教師利用能量流動的特點，完善能量流動的簡化模型（圖7），解釋模型中箭頭“方向和粗細(xì)”的意義。

5.5 解決實踐問題

（1） 教師利用多媒體課件第二次引入“問題探討”，引導(dǎo)學(xué)生用定量的方法更科學(xué)地幫助魯濱遜作出決策。

假設(shè)雞含有的能量是1 kJ，玉米含有的能量是15 kJ，按最大傳遞效率20%計算，且策略2中有1/5的玉米給雞吃，剩余的玉米給人吃，則兩種策略流入人體的能量各為多少？

學(xué)生計算如下：

策略1：1×20%+15×20%=3.2 kJ。

策略2：（15×1/5×20%+1）×20%+15×4/5×20%=2.72 kJ。

教師引導(dǎo)學(xué)生通過數(shù)據(jù)模擬、計算、比較，解決“問題探討”中的實踐問題。學(xué)生體驗了由定性分析到定量研究的方法，認(rèn)同建構(gòu)模型進行生物學(xué)習(xí)的價值。

（2） 應(yīng)用已有模型建構(gòu)的方法，嘗試建構(gòu)能量流動的物理模型——能量金字塔。學(xué)生通過構(gòu)建能量金字塔模型，解決“為什么食物鏈上一般不超過五個營養(yǎng)級”的問題。

5.6 知識總結(jié)

教師借助課件，引導(dǎo)學(xué)生回顧本節(jié)課的核心知識。學(xué)生自主總結(jié)，完善板書。

5.7 反饋練習(xí)與板設(shè)計（略）

6 教學(xué)反思

本節(jié)課中教師利用問題引導(dǎo)學(xué)生自主建模，并利用模型系統(tǒng)分析問題，將難點分解為多個模型的建立而得以巧妙突破。整節(jié)課教師2次引入“問題探討”中提出的實踐問題，層層深入，持續(xù)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，活躍課堂氣氛。在學(xué)習(xí)中學(xué)生體驗到建模法對知識探究的樂趣，學(xué)生的科學(xué)探究能力在不斷解決相關(guān)問題的過程中得到提升。高中生物新課程標(biāo)準(zhǔn)指出：“提高每個高中學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)是本課程標(biāo)準(zhǔn)實施中的核心任務(wù)?！敝袑W(xué)生物學(xué)知識點瑣碎，記憶的知識點也比較多，教師應(yīng)當(dāng)把模型方法應(yīng)用于課堂教學(xué)之中，增強知識點之間的聯(lián)系，以提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和科學(xué)探究能力。