談多模型教學中思維的起點、發(fā)散點和收斂點

黃德強

[摘? ?要]高中生物學的重要概念往往采用建模的方式進行學習。由于研究者研究的目的不同，同樣的生物學概念就會建構(gòu)出多種多樣的模型。文章以“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”這一重要概念為例，立足思維的整體性，分別尋、探、聚思維的起點、發(fā)散點和收斂點，提出“建構(gòu)一般模型—辨析特殊模型—回歸一般模型”的多模型教學策略。

[關(guān)鍵詞]多模型;起點;發(fā)散點;收斂點

[中圖分類號]? ? G633.91? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2020）20-0087-02

“模型與建?！笔侵匾目茖W思維方法，建構(gòu)模型的過程能加深對生物學概念的理解，建構(gòu)起的模型是持久保留對概念記憶的重要載體。針對某個重要概念建構(gòu)的模型，由于研究者研究的目的不同，建構(gòu)出的模型就會有差異。本文以人教版高中生物必修3《生態(tài)系統(tǒng)的能量流動》一節(jié)為例，提出“尋思維的起點——建構(gòu)一般模型”“探思維的發(fā)散點——辨析特殊模型”“聚思維的收斂點——回歸一般模型”的教學策略，以幫助學生從系統(tǒng)和細節(jié)的角度學習同一概念的多種模型問題。

一、不同能量流動模型的相關(guān)指標比較

將人教版高中生物必修3教材圖5-6、圖5-7、圖5-8中的能量流動模型的相關(guān)指標進行比較（見表1）。

從表1中可以看出，不同能量流動的模型研究的對象、指標、時間、目的是有差異的。教材設(shè)計的建模順序是先建構(gòu)營養(yǎng)級能量流動模型（圖5-6），再建構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)能量流動模型（圖5-7），最后再通過賽達伯格湖實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計模型總結(jié)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的特點。這種由局部到整體、由抽象到具體的模型建構(gòu)過程符合學生認知的邏輯。但由于圖5-6、圖5-7、圖5-8的研究對象、研究指標等方面不完全相同，如果完全按照教材的順序進行教學，學生在初學生態(tài)系統(tǒng)能量流動模型時會很困難。

二、不同能量流動模型的教學策略

1.尋思維的起點——建構(gòu)能量流動的一般模型

生態(tài)系統(tǒng)的能量流動指的是生態(tài)系統(tǒng)中能量的輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失的過程。該重要概念的研究范圍是生態(tài)系統(tǒng)，研究指標是能量流動，研究指標的具體細化是生態(tài)系統(tǒng)能量的輸入、生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部能量的傳遞和轉(zhuǎn)化、生態(tài)系統(tǒng)的能量向環(huán)境中散失的過程。研究指標“能量流動”要求從能量值的角度考慮如何建構(gòu)。結(jié)合物理學內(nèi)容，可以確定該類模型的本質(zhì)特征是能量守恒。對照表1的相關(guān)分析，可以先確定圖5-7為一般模型，在建構(gòu)時關(guān)鍵是將“能量守恒”這一觀點貫穿建構(gòu)模型過程的始終。建構(gòu)模型的基本思路是從個體到營養(yǎng)級再到生態(tài)系統(tǒng)依次建構(gòu)，但無論哪個層次的模型，具體指標均為“同化量、呼吸消耗量、流向分解者的量、流向下一個體（或營養(yǎng)級）的量”。該過程特別要注意，不要將攝入量等指標代入，否則學生會陷入認知的混亂。具體如下：

先引導學生寫出一條食物鏈，如“草→兔→鷹”，并思考草的能量的來源和去路。關(guān)于草的能量來源，學生能比較容易地得出答案“能量的來源是草的光合作用，能量儲存在有機物中”;對于草的能量去路，教師可設(shè)置問題串引導學生思考，如草中的有機物的能量自己能用嗎？如果能，是怎么用的？用后能量到哪里去了？草的能量能流向兔嗎？怎么流入的？草會被全部吃完嗎？沒有被吃完的能量到哪里去了？設(shè)置這些問題的目的是讓學生總結(jié)出從個體到營養(yǎng)級能量流動的三條通用去路，即自身呼吸消耗、流向下一營養(yǎng)級、流向分解者。

2.探思維的發(fā)散點——辨析能量流動的特殊模型

建構(gòu)能量流動的一般模型后，可引導學生從研究對象和指標比較圖5-6和圖5-7的差異，并討論兩個模型在建模思維上的共性。圖5-6的研究對象是營養(yǎng)級，研究的指標是“攝入、糞便、同化、呼吸、儲存、遺體殘骸、分解者”，這樣的指標考慮了具體認識事物的實際情況。該處的分析不僅僅是讓學生明白“攝入量=同化量+糞便量”“同化量=呼吸消耗量+儲存量”“同化量=呼吸消耗量+流向下一級營養(yǎng)級的量+流向分解者的量”，更要讓學生明白兩個不同的模型在建構(gòu)時它們的相同點是從能量守恒的角度進行考慮，不同點是研究指標有差異?；谶@樣深刻的理解，學生進一步領(lǐng)悟了一般模型和能量守恒的本質(zhì)特征是辨析不同能量流動模型問題時思維的起點，而研究對象、研究指標、研究時間等的差異是建構(gòu)不同能量流動模型的思維發(fā)散點。這樣的發(fā)散為學生或理解其他不同的模型，或自己建構(gòu)模型提供了關(guān)鍵思路。

繼續(xù)將圖5-8賽達伯格湖生態(tài)系統(tǒng)能量流動模型和一般模型做比較，要探討的第一個重點應(yīng)轉(zhuǎn)移至“研究指標、研究時間”，即對圖5-8中數(shù)據(jù)的來源和模型中的“未利用”進行討論。學生通過探討及教師的幫助，深入理解了“未利用”這個指標是指在有限的時間內(nèi)、在實驗研究的過程中，流入某營養(yǎng)級的能量不會全部用完。思維的起點仍然是基于能量守恒建構(gòu)的一般模型，思維的發(fā)散點是實驗狀態(tài)和實驗指標。經(jīng)過這樣的探討再總結(jié)“同化量=呼吸消耗量+流向下一級營養(yǎng)級的量+流向分解者的量+未利用”會更有意義。有了這樣的分析，學生在見到未曾出現(xiàn)過的能量流動模型時，也能游刃有余地進行分析。這一難點問題探討清楚了，再通過處理數(shù)據(jù)、計算效率得出“能量流動是單向流動、逐級遞減的”這一特點也就比較容易了。

3.聚思維的收斂點——回歸能量流動的一般模型

生物學知識的學習要盡量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活、社會議題等相結(jié)合。能量流動的一般模型既是我們在教學中聯(lián)系問題、深化知識的出發(fā)點，也是在解答相關(guān)實際問題時思維的回歸點和收斂點。

例如，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，從一般模型中的能量源頭考慮，可通過合理密植或者延長光合作用時間來提高輸入生態(tài)系統(tǒng)的總能量;從一般模型中能量流動的渠道考慮，可以通過除蟲除草等活動使能量更多地流向人類;從一般模型中分解者的角度考慮，讓流向分解者的能量流向蘑菇或者變?yōu)檎託獾冗M而流向人類，這也是生態(tài)農(nóng)業(yè)中桑葚魚塘的生態(tài)學原理;從一般模型的適用范圍看，城市生態(tài)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)相比，需要儲備更多的能量，僅僅依靠自然生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)者的光合作用的能量輸入是遠遠不夠的，還需要人工輸入物質(zhì)和能量。生態(tài)系統(tǒng)的能量流動涉及的眾多問題，都可聚焦在能量流動的一般模型中去解答，這是分析該類問題時思維的收斂點。

（責任編輯 黃春香）