基于科學(xué)史和系統(tǒng)論的“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”教學(xué)設(shè)計

朱靖

摘要 在“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”一節(jié)的教學(xué)中，以真實情境展開討論，探討生態(tài)系統(tǒng)研究的意義和方法，提升學(xué)生社會責(zé)任意識;充分運用科學(xué)史素材滲透系統(tǒng)論的思想和方法，使學(xué)生親歷林德曼的思維過程和探究歷程，從定性和定量兩個角度建構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)能量流動模型，促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)，感悟科學(xué)精神，培養(yǎng)科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

關(guān)鍵詞 能量流動 科學(xué)史 系統(tǒng)論 教學(xué)設(shè)計

中圖分類號C633. 91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

1 教材分析及設(shè)計思路

本節(jié)內(nèi)容以生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)認(rèn)識生態(tài)系統(tǒng)的功能，能使學(xué)生更好地領(lǐng)悟系統(tǒng)觀、結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)和能量觀，建立大概念，了解系統(tǒng)分析的思想和方法，同時為“生態(tài)系統(tǒng)通過物質(zhì)循環(huán)的自我調(diào)節(jié)機制維持穩(wěn)態(tài)”這一內(nèi)容的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，從而有助于學(xué)生樹立穩(wěn)態(tài)與平衡觀。因此本課內(nèi)容的學(xué)習(xí)對于學(xué)生樹立生命觀念、掌握系統(tǒng)論方法有著至關(guān)重要的作用。

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱《新課標(biāo)》）要求學(xué)生“分析能量在生物群落中單向流動并逐級遞減的規(guī)律;舉例說明利用能量流動規(guī)律，人們能夠更加科學(xué)、有效地利用生態(tài)系統(tǒng)中的資源;對相關(guān)的生態(tài)學(xué)實踐應(yīng)用作出合理的分析和判斷”。為更好地體現(xiàn)《新課標(biāo)》要求及生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，在本課教學(xué)設(shè)計時擬作四個方面的嘗試：①有機滲透系統(tǒng)論的思想和方法以更好的體現(xiàn)科學(xué)探究;②設(shè)計模型建構(gòu)的學(xué)生活動以更好的體現(xiàn)科學(xué)思維;③分析生態(tài)系統(tǒng)中核心要素間的相互關(guān)系及能量流動的特點和規(guī)律，促進(jìn)學(xué)生更好的領(lǐng)悟系統(tǒng)觀、物質(zhì)與能量觀;④組織學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識討論“稻魚共生系統(tǒng)”等生產(chǎn)實踐中的問題，以提升學(xué)生的社會責(zé)任意識。

本節(jié)課以三個核心問題構(gòu)建課堂教學(xué)主線：為什么要對生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究？如何研究生態(tài)系統(tǒng)能量流動的規(guī)律？怎樣應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)能量流動的知識解決生產(chǎn)實踐中的問題？并運用“林德曼對賽達(dá)伯格湖能量流動的研究”這一科學(xué)史素材，設(shè)計層次性問題串，以問題教學(xué)法和討論式教學(xué)為主要教學(xué)方法。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）通過討論生態(tài)系統(tǒng)四大要素間的相互關(guān)系，分析生態(tài)系統(tǒng)能量流動的特點和規(guī)律，逐步樹立系統(tǒng)觀、物質(zhì)與能量觀。

（2）通過分組討論分析科學(xué)史素材，嘗試從定性和定量兩個角度建構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)能量流動模型，發(fā)展科學(xué)思維能力。

（3）通過稻魚共生系統(tǒng)情境的問題討論，簡述對宏觀生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究的意義，初步學(xué)會系統(tǒng)論的科學(xué)方法，提升科學(xué)探究能力。

（4）通過參與討論稻魚共生系統(tǒng)等生產(chǎn)實踐中的問題，了解研究生態(tài)系統(tǒng)能量流動的實踐意義，樹立社會責(zé)任意識。

3 教學(xué)過程

3.1 創(chuàng)設(shè)真實情境，介紹系統(tǒng)論的研究方法

教師出示浙江省青田縣“稻魚共生系統(tǒng)”的照片并作簡單介紹，提出問題：稻魚共生系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的單稻系統(tǒng)有什么優(yōu)勢？養(yǎng)多少魚合適？學(xué)生認(rèn)為稻田養(yǎng)魚可以提高收益，節(jié)約成本，但鯉魚會破壞水稻根系，因此養(yǎng)魚的數(shù)量需對整個系統(tǒng)進(jìn)行研究后測算。教師提出新問題：生態(tài)系統(tǒng)是由許多成分組成的復(fù)雜整體，通過什么方法研究其結(jié)構(gòu)與功能？學(xué)生回顧常用的觀察法與實驗法，認(rèn)為二者主要適用于個體水平的研究，對于宏觀又復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)僅通過這兩種研究方法并不合適。接著，教師以汽車研發(fā)為例，說明研究汽車這一復(fù)雜系統(tǒng)時人們按結(jié)構(gòu)與功能將其分成發(fā)動機等四大部分，即組成汽車的四大核心要素，再通過研究這四大要素間的關(guān)系來研究整輛汽車的結(jié)構(gòu)與性能。學(xué)生通過類比說出組成生態(tài)系統(tǒng)的四大核心要素、其分類的依據(jù)、各要素之間的聯(lián)系，運用這種要素分析的方法研究整個生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。教師進(jìn)而介紹系統(tǒng)論的概念、核心思想與研究目的，強調(diào)系統(tǒng)論的基本方法——要素分析法。

設(shè)計意圖：教師以真實情境導(dǎo)入，引導(dǎo)學(xué)生探討生態(tài)系統(tǒng)研究的重要性。以汽車研發(fā)為例，使學(xué)生了解系統(tǒng)論的思想、方法及其對宏觀對象研究的重要作用，指向科學(xué)本質(zhì)教育，提升學(xué)生科學(xué)思維能力。

3.2 深入挖掘科學(xué)史素材，分析生態(tài)系統(tǒng)能量流動的規(guī)律

3.2.1 林德曼選擇賽達(dá)伯格湖為研究對象的原因分析

教師出示森林、草原、荒漠、苔原、河流、湖泊、海洋的圖片，提出問題：選哪種類型的生態(tài)系統(tǒng)作為研究對象較合適？為什么？學(xué)生通過討論認(rèn)為湖泊范圍小、邊界清楚、成分相對穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)較簡單，因此最便于研究。教師出示1941年林德曼的“一個老年湖泊內(nèi)的食物鏈動態(tài)”研究報告原文摘錄，學(xué)生通過閱讀了解林德曼選擇賽達(dá)伯格湖的原因。教師介紹林德曼的生平、研究成果及其價值。

設(shè)計意圖：各類生態(tài)系統(tǒng)特征的比較分析發(fā)展學(xué)生批判性思維，突出了合理的研究對象選擇對于研究成功與否的重要性。學(xué)生閱讀科學(xué)史文獻(xiàn)，體會科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式。教師介紹林德曼生平，使學(xué)生感悟科學(xué)家刻苦鉆研、勇于奉獻(xiàn)的科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度。

3.2.2 林德曼對賽達(dá)伯格湖的要素分析

學(xué)生閱讀林德曼研究報告的原文摘錄，了解賽達(dá)伯格湖生態(tài)系統(tǒng)的各要素及要素間的相互關(guān)系，舉例說出生物與生物、生物與環(huán)境之間的關(guān)系。

設(shè)計意圖：學(xué)生嘗試像科學(xué)家一樣運用系統(tǒng)分析法進(jìn)行思考，通過閱讀與分析科學(xué)史資料，了解賽達(dá)伯格湖各要素間的聯(lián)系，為能量流動模型的建構(gòu)打下基礎(chǔ)。

3.2.3 對賽達(dá)伯格湖能量流動的定性分析

教師提問：能否將動植物進(jìn)一步歸類從而簡化林德曼研究報告中的要素關(guān)系圖？學(xué)生將生物歸納為生產(chǎn)者、初級消費者、次級消費者3個營養(yǎng)級。學(xué)生分組討論，用箭頭和文字表示出各營養(yǎng)級能量的來源和去向，并思考：生態(tài)系統(tǒng)的能量以什么過程和形式輸入群落？能量以什么過程和形式輸出群落？能量在群落中沿什么途徑傳遞？傳遞方向如何？學(xué)生展示并交流討論結(jié)果，通過同學(xué)間的相互補充和糾正，最終構(gòu)建賽達(dá)伯格湖能量流動的定性分析模型（圖1），歸納出能量沿著食物鏈單向流動的傳遞特點。

設(shè)計意圖：學(xué)生以合作學(xué)習(xí)的方式理清各營養(yǎng)級能量的輸入和輸出過程。運用系統(tǒng)論的方法建構(gòu)能量流動定性分析模型，提升學(xué)生的科學(xué)思維能力，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，為定量分析模型的建構(gòu)做鋪墊。同時，通過分組討論、小組匯報與學(xué)生點評的一系列活動，學(xué)生提升了表達(dá)交流能力。

3.2.4 對賽達(dá)伯格湖能量流動的定量分析

教師介紹林德曼通過湖泊中取樣研究、實驗室生態(tài)箱模擬的方法對各營養(yǎng)級能量的去向進(jìn)行定量測定，并出示林德曼研究報告的原文摘錄（表1）。教師要求學(xué)生將表1中對應(yīng)數(shù)據(jù)填入定性分析模型中，構(gòu)建賽達(dá)伯格湖能量流動的定量分析模型，并討論：消費者同化量是否等于攝入量？兩者有何區(qū)別？第二營養(yǎng)級產(chǎn)生的糞便中的能量包含在哪部分里面？流入該生態(tài)系統(tǒng)的總能量是多少？能量沿著食物鏈逐級傳遞過程中有何變化？

學(xué)生閱讀林德曼文獻(xiàn)中的賽達(dá)伯格湖能量傳遞效率表（表2），發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)者對太陽能的利用率其實非常低，大量太陽能未輸入群落被生物所利用，因此賽達(dá)伯格湖生態(tài)系統(tǒng)能量流動的起點準(zhǔn)確地說是生產(chǎn)者通過光合作用固定的太陽能。學(xué)生計算各營養(yǎng)級之間的能量傳遞效率，將表2中的數(shù)據(jù)填寫完整。學(xué)生得出結(jié)論：沿著食物鏈能量逐級遞減且傳遞效率一般在10%-20%。

設(shè)計意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生以定性分析為基礎(chǔ)進(jìn)行定量分析，使學(xué)生親歷林德曼的研究歷程，體會科學(xué)家的思考方式，掌握定量研究的基本過程。學(xué)生通過定量分析模型的建構(gòu)與計算，歸納能量傳遞的規(guī)律與傳遞效率，提升科學(xué)思維能力。

3.3 結(jié)合真實情境，探討研究生態(tài)系統(tǒng)能量流動規(guī)律的實踐意義

教師提問：以“稻魚共生系統(tǒng)”為例，談?wù)勓芯可鷳B(tài)系統(tǒng)能量流動規(guī)律有什么意義？學(xué)生認(rèn)為可以依據(jù)能量流動規(guī)律規(guī)劃人工生態(tài)系統(tǒng)，更好地實現(xiàn)人們對能量的利用.以獲得更多的收益。學(xué)生分組討論提高生態(tài)系統(tǒng)能量利用率的措施，通過討論與交流得出：一方面可以增加能量的來源，如杭州東站屋頂?shù)墓夥l(fā)電設(shè)備不僅能提高太陽能利用率，還能減少不可再生能源的利用，減少CO2排放;另一方面可以提高生物的能量利用率，如改變生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)能量多級利用、通過基因工程的手段改良消費者的基因或培育光能利用率高的轉(zhuǎn)基因作物等。教師出示資料并介紹：浙江青田縣稻魚共生系統(tǒng)和浙江湖州?；~塘系統(tǒng)分別于2005年和2017年被列為“全球重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)”。但目前由于稻魚共生系統(tǒng)的經(jīng)濟效益并不十分明顯，因此處于瀕危狀態(tài)已是一個不爭的事實。對此請學(xué)生提出一些可行的建議以更好地發(fā)展并推廣稻田養(yǎng)魚事業(yè)。

設(shè)計意圖：將科學(xué)原理與真實情境相結(jié)合，探討研究的實踐意義，體現(xiàn)科學(xué)與社會之間的緊密聯(lián)系，有助于樹立學(xué)生社會責(zé)任意識。通過討論提高能量利用率的措施，發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維能力。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課以“稻魚共生系統(tǒng)”這一真實情境導(dǎo)入，讓學(xué)生意識到自己原有的知識體系無法解釋情境中的問題，產(chǎn)生認(rèn)知沖突，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生探索欲望并意識到學(xué)習(xí)新科學(xué)知識的重要性。結(jié)尾處通過該情境一系列問題的討論，使學(xué)生理解所學(xué)知識的應(yīng)用價值，嘗試運用能量流動的原理與規(guī)律解決現(xiàn)實中的問題，提出更好的建議、決策，強化學(xué)生對社會的關(guān)注，提高運用知識的意識和能力，培養(yǎng)學(xué)生擔(dān)當(dāng)社會責(zé)任。

大多教師在科學(xué)史運用上更注重研究結(jié)果，忽略科學(xué)史中蘊含的科學(xué)家的思維過程、方法運用和探究精神。因此本課深入挖掘科學(xué)史素材，呈現(xiàn)給學(xué)生較為完整的林德曼研究的過程與想法，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣經(jīng)歷確定研究對象、選擇研究方法、要素分析、定性分析、定量分析、得出規(guī)律的探究歷程與思維過程，了解目前所知的科學(xué)知識是如何形成的，領(lǐng)悟科學(xué)家解決問題的思路和運用的科學(xué)方法，進(jìn)而體現(xiàn)科學(xué)史的內(nèi)在價值，促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解，發(fā)展科學(xué)思維與探究能力，培養(yǎng)科學(xué)精神。

本節(jié)課重視科學(xué)本質(zhì)與科學(xué)方法的教育，通過情境與案例使學(xué)生了解并運用系統(tǒng)論的思想與方法，樹立系統(tǒng)觀。教學(xué)過程突出了系統(tǒng)論方法的運用，從定性和定量兩個角度逐步建構(gòu)賽達(dá)伯格湖生態(tài)系統(tǒng)能量流動模型，滲透了模型和系統(tǒng)論的科學(xué)方法，促進(jìn)了學(xué)生對多元化的科學(xué)方法的認(rèn)識，提升了學(xué)生歸納、概括、分析、建模等科學(xué)思維能力，有助于生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

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