深度學(xué)習(xí)的理念下層進(jìn)式分步建構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)概念的模型

危寶華

摘要 敘述了學(xué)生通過(guò)實(shí)例、討論、體驗(yàn)、理解、分析、總結(jié)的層進(jìn)式分步自我構(gòu)建“能量流經(jīng)第一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)”的概念模型、“能量流經(jīng)第二個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)”的概念模型、“能量流經(jīng)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)”的概念模型，總結(jié)出能量傳遞率的數(shù)學(xué)模型，最終建立完整的“能量流動(dòng)”的整體概念模型，通過(guò)模型來(lái)理解能量流動(dòng)的去向和特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 層進(jìn) 模型 概念模型 數(shù)學(xué)模型

中圖分類號(hào) G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

文件編號(hào)：1003-7586（2020）08-0023-03

模型作為一種現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)識(shí)手段和思維方法，《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》將之歸于科學(xué)思維的行列。模型建構(gòu)是一個(gè)思維和行為相統(tǒng)一的過(guò)程，通過(guò)科學(xué)的模型構(gòu)建來(lái)研究推動(dòng)教學(xué)，有利于學(xué)生借助模型來(lái)獲取、拓展、深化對(duì)知識(shí)認(rèn)識(shí)和掌握。

課堂教學(xué)建模是一種重要的科學(xué)操作與科學(xué)思維的方法。模型構(gòu)建是一個(gè)思維和行為相統(tǒng)一的過(guò)程，它是為解決特定的問(wèn)題在一定的抽象、簡(jiǎn)化、假設(shè)的條件下，再現(xiàn)原型客體的某種本質(zhì)特征。

在課程教學(xué)中，深度學(xué)習(xí)是提高學(xué)生綜合能力、實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)的有效途徑。“層進(jìn)式”教學(xué)模式是指在一定的學(xué)習(xí)范圍內(nèi)，以某一問(wèn)題或某一主題為中心，設(shè)計(jì)的具有一定邏輯結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，讓學(xué)生身臨其境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，形成一個(gè)會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、構(gòu)建一定結(jié)構(gòu)、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的邏輯思維的過(guò)程。

高中生物人教版《必修3·穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》中“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)”這一節(jié)，重點(diǎn)在要分析能量流動(dòng)的過(guò)程和特點(diǎn)，教師可以通過(guò)實(shí)例、討論、體驗(yàn)、理解、分析、總結(jié)的層進(jìn)式分步建立概念模型，讓學(xué)生通過(guò)建模過(guò)程的探究活動(dòng)，使學(xué)生更好地理解能量流動(dòng)在一定范圍內(nèi)的局部共性，實(shí)現(xiàn)“應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造”的高層次認(rèn)知對(duì)概念的深度學(xué)習(xí)，將抽象的思維系統(tǒng)化和整體化，幫助學(xué)生建立完整的能量流動(dòng)的實(shí)體概念。

1通過(guò)實(shí)例，構(gòu)建能量流動(dòng)的基本環(huán)節(jié)的概念模型

概念模型是對(duì)真實(shí)世界中問(wèn)題域內(nèi)的事物的描述。能量流動(dòng)是生態(tài)系統(tǒng)的三大功能之一，教科書(shū)對(duì)概念定義是通過(guò)“輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化、散失”幾個(gè)關(guān)鍵詞來(lái)概括出來(lái)的，表述比較抽象。學(xué)生對(duì)概念的理解要有“直奔主體”的效應(yīng)。如果教師能在文字的基礎(chǔ)上構(gòu)建一個(gè)框架模型，更有利于學(xué)生的初始形象的概念模式，以便于概念的深度理解。

教師在教學(xué)中可以借助能量流進(jìn)一個(gè)種群的實(shí)例圖（圖1），促進(jìn)學(xué)生建立一個(gè)概念的模型出來(lái)（圖2）。學(xué)生通過(guò)思考總結(jié)構(gòu)建的能量流動(dòng)的概念圖，能更清楚地懂得能量流動(dòng)的幾個(gè)基本環(huán)節(jié)。

2通過(guò)討論，構(gòu)建能量流經(jīng)第一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的概念模型

為了進(jìn)一步完善能量流動(dòng)的概念模型，學(xué)生需要理解從能量流經(jīng)生態(tài)系統(tǒng)中的每一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的去向。教師可以借助某一食物鏈，讓學(xué)生分析、討論能量流動(dòng)的過(guò)程。從能量的源頭——陽(yáng)光開(kāi)始，教師先引導(dǎo)學(xué)生討論流經(jīng)生產(chǎn)者，即第一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量去向，從而構(gòu)建相應(yīng)的概念模型（圖3）。

學(xué)生構(gòu)建的流經(jīng)第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的概念模型，可以幫助理解生產(chǎn)者通過(guò)光合作用（或化能合成作用）將太陽(yáng)能合成能儲(chǔ)存能量的有機(jī)物，這是生產(chǎn)者固定的總能量。這部分能量通過(guò)呼吸作用散失一部分，其他能量用于生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖，屬于凈產(chǎn)量。這一部分凈產(chǎn)量中，枯枝落葉流進(jìn)分解者，一部分被初級(jí)消費(fèi)者攝入，有一部分沒(méi)有被攝入的能量，就是未利用的，但隨著積累，還是流入分解者。同時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建生產(chǎn)者同化的能量的概念模型（圖4），用于生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖的概念模型（圖5），更好地幫助學(xué)生理解總產(chǎn)量、諍產(chǎn)量及能量的去向。

3通過(guò)體驗(yàn)，構(gòu)建能量流經(jīng)第二個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的概念模型

有了構(gòu)建能量流經(jīng)第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的概念模型的體驗(yàn)，教師可以通過(guò)學(xué)生自我體驗(yàn)，嘗試讓學(xué)生動(dòng)手來(lái)構(gòu)建能量流經(jīng)第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)的概念模型。

學(xué)生的體驗(yàn)可以在實(shí)體事物參與中進(jìn)行，如養(yǎng)蠶，蠶吃桑葉，有糞便有蠶本身的遺體等。教師促進(jìn)學(xué)生體驗(yàn)?zāi)芰康娜ハ?，促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建流經(jīng)第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)的概念模型（圖6）來(lái)幫助理解能量去向。

構(gòu)建的流經(jīng)第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量概念模型可以使學(xué)生理解初級(jí)消費(fèi)者的糞便是初級(jí)消費(fèi)者沒(méi)同化的能量。教師要促進(jìn)學(xué)生通過(guò)模型整理得出：初級(jí)消費(fèi)者同化的能量=初級(jí)消費(fèi)者攝入的能量-糞便=呼吸消耗的能量+生長(zhǎng)發(fā)育繁殖的能量;生長(zhǎng)發(fā)育繁殖的能量=分解者的能量+流入下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量+未利用的能量。同時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生思考：未利用的能量是什么？次級(jí)消費(fèi)者的糞便的能量是哪里的？學(xué)生搭建初級(jí)消費(fèi)者攝入能量的概念模型（圖7），借助圖5生長(zhǎng)發(fā)育繁殖的能量構(gòu)建流經(jīng)該營(yíng)養(yǎng)級(jí)的總模型圖（圖7、圖8）。

4借助理解，構(gòu)建流經(jīng)生態(tài)系統(tǒng)能量總的概念模型

通過(guò)有序地逐步構(gòu)建能量流經(jīng)第一和第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)的概念模型，學(xué)生理解了流經(jīng)每一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量有四個(gè)去向：呼吸消耗的能量、流經(jīng)下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量、未利用能量、流進(jìn)分解者的能量。但未利用的能量實(shí)質(zhì)是經(jīng)過(guò)時(shí)間積累，還是流向分解者了。這樣就可以讓學(xué)生構(gòu)建出能量流進(jìn)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)總的概念模型（圖9）。

教師借助教科書(shū)能量流進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的總模型圖，讓學(xué)生對(duì)概念模型做出定性分析：

（1）能量流動(dòng)的起點(diǎn)是陽(yáng)光。能量流動(dòng)是從生產(chǎn)者固定太陽(yáng)能開(kāi)始。能量流進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的總能量是生產(chǎn)者固定的總能量。

（2）能量流動(dòng)的渠道是食物鏈或食物網(wǎng)。

（3）能量流動(dòng)的特點(diǎn)是：?jiǎn)蜗蛄鲃?dòng)，逐級(jí)遞減。

5定量分析，構(gòu)建能量傳遞率的數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型是指用數(shù)學(xué)的形式對(duì)事物的本質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)的說(shuō)明，包括公式、表格、曲線等。教師可以引用賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)圖，讓學(xué)生完成表1對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析。

學(xué)生利用表1，計(jì)算出第一營(yíng)養(yǎng)同化的能量流向第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量的百分比，歸納出計(jì)算能量傳遞率的數(shù)學(xué)模型：能量傳遞率=下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化的能量/上一營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化的能量×100%。學(xué)生通過(guò)計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)能量的傳遞率在10%～20%，從而從定量分析的角度理解能量流動(dòng)的去向。學(xué)生通過(guò)數(shù)學(xué)模型可以更精準(zhǔn)地理解能量流動(dòng)的特點(diǎn)為逐級(jí)遞減的原因。

6總結(jié)歸納，構(gòu)建和能量流動(dòng)的總概念模型

通過(guò)層進(jìn)式構(gòu)建能量流經(jīng)每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的概念模型，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)歸納并修正能量流動(dòng)的概念模型，重建一個(gè)完整的概念模型（圖10）。

生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)是生命與物質(zhì)觀教學(xué)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，能量是萬(wàn)物之源，其流動(dòng)的過(guò)程和方式比較抽象。該案例中，教師通過(guò)學(xué)生實(shí)例渲染、討論建模、體驗(yàn)生成、理解思維、定量分析、歸納總結(jié)，符合學(xué)生思維的層進(jìn)式問(wèn)題設(shè)計(jì)，讓學(xué)生自我在頭腦風(fēng)暴中分步完成能量流動(dòng)的概念模型，綜合總結(jié)對(duì)整體能量流動(dòng)的概念模型進(jìn)行搭建，使抽象的知識(shí)可以通過(guò)模型直觀的加以理解。

通過(guò)構(gòu)建模型來(lái)呈現(xiàn)體驗(yàn)式教學(xué)，讓學(xué)生在“做中學(xué)”過(guò)程中不斷修正自己對(duì)能量流動(dòng)概念的認(rèn)識(shí)，最終形成完善的能量流動(dòng)的科學(xué)概念。這樣不僅能豐富學(xué)生的學(xué)科知識(shí)、開(kāi)闊其視野，更能培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新應(yīng)用的高階思維能力，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，最終達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的目的。