模型建構(gòu)在能量流動(dòng)圖解分析中的應(yīng)用

廣東

生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)在高考中屬于高頻考點(diǎn)，一般會(huì)結(jié)合圖形來(lái)考查，試題比較抽象，難度較大。本文通過(guò)模型建構(gòu)幫助學(xué)生分析、理解能量流動(dòng)，為課堂教學(xué)和高考備考提供參考。

人教版教材必修3第五章第2 節(jié)“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)”在高中生物教學(xué)中占據(jù)重要地位，幾乎是每年高考的必考考點(diǎn)。試題常常結(jié)合能量流動(dòng)的過(guò)程示意圖考查能量流動(dòng)的過(guò)程分析。這一部分的內(nèi)容比較抽象，學(xué)生不容易理解，教師也不容易講授。筆者結(jié)合自己多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出可借助模型建構(gòu)的方法來(lái)突破本節(jié)內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)。教師在課堂教學(xué)中可以按照下列環(huán)節(jié)來(lái)推進(jìn)教學(xué)。

1.環(huán)節(jié)一：教材示意圖的解讀

教材在本節(jié)課程中共給出了3 個(gè)示意圖（如圖1），這是幫助學(xué)生理解能量流動(dòng)過(guò)程最好的材料。因此，教師在課堂教學(xué)中一定要利用好這些材料，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)反復(fù)拆分、合并這些示意圖來(lái)理解能量在不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失的過(guò)程，掌握能量流動(dòng)的本質(zhì)。

圖1

假設(shè)教材中的3 個(gè)能量流動(dòng)示意圖是根據(jù)同一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)得出的。教師在教學(xué)中，第一個(gè)環(huán)節(jié)就是精讀教材中的文字和示意圖，對(duì)3 個(gè)示意圖進(jìn)行比較和分析，針對(duì)某個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)找出3 個(gè)示意圖中能量流動(dòng)過(guò)程的相同之處和不同之處，做上標(biāo)記。筆者以第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)為例做的標(biāo)記如圖1 所示，將拆為兩項(xiàng)的稱(chēng)為二項(xiàng)圖，拆為三項(xiàng)和四項(xiàng)的分別稱(chēng)為三項(xiàng)圖和四項(xiàng)圖。然后引導(dǎo)學(xué)生思考：3 個(gè)示意圖中能量流動(dòng)的不同點(diǎn)之間有沒(méi)有聯(lián)系？是本質(zhì)不同還是本質(zhì)相同。學(xué)生精讀教材和示意圖并動(dòng)腦思考后一定會(huì)對(duì)能量流動(dòng)的過(guò)程有一個(gè)全新的理解，為后面的環(huán)節(jié)提供基礎(chǔ)。

2.環(huán)節(jié)二：模型建構(gòu)

有關(guān)模型建構(gòu)的知識(shí)在人教版教材必修1 中已有詳細(xì)的介紹，模型的形式有很多，包括物理模型、概念模型和數(shù)學(xué)模型等。本環(huán)節(jié)核心任務(wù)是理解生態(tài)系統(tǒng)中能量的去向。能量流動(dòng)是抽象的，因此可采用建構(gòu)概念模型的方法來(lái)幫助學(xué)生理解能量流動(dòng)（以第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)為例）。

任務(wù)1：根據(jù)能量的去向完成第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化量的拆分；

任務(wù)2：標(biāo)出每部分能量的含義，并能體現(xiàn)3 種圖（二項(xiàng)圖、三項(xiàng)圖、四項(xiàng)圖）之間的聯(lián)系（如圖2）。

圖2

設(shè)計(jì)意圖：基于學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，以物質(zhì)轉(zhuǎn)換為外在顯性線索，分析伴隨的內(nèi)在隱性能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，使學(xué)生形成能量轉(zhuǎn)化是以物質(zhì)轉(zhuǎn)換為前提和載體的生命觀念。

簡(jiǎn)化模型思路：即每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)只用一個(gè)方框代表。經(jīng)過(guò)模型建構(gòu)過(guò)程，學(xué)生不但理解了模型對(duì)于教學(xué)的作用，也更加深入地理解了“能量流動(dòng)”這一重要概念，從模型的評(píng)價(jià)中不斷地分析，進(jìn)而建構(gòu)出第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)之后的概念模型，發(fā)現(xiàn)各營(yíng)養(yǎng)級(jí)模型的共性特征。通過(guò)上述評(píng)價(jià)，學(xué)生概括總結(jié)出“能量流動(dòng)”的內(nèi)涵：輸入每一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量，一部分通過(guò)呼吸作用以熱能的形式散失，一部分用于自身的生命活動(dòng)或儲(chǔ)存在體內(nèi)，另一部分被下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物攝入，或者以遺體、殘枝敗葉等形式被分解者分解而釋放出來(lái)。概念內(nèi)涵的達(dá)成有助于學(xué)生接下來(lái)學(xué)習(xí)“能量流動(dòng)特點(diǎn)”的相關(guān)內(nèi)容。模型建構(gòu)的教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維至關(guān)重要，對(duì)于科學(xué)概念的應(yīng)用也大有裨益。

3.環(huán)節(jié)三：模型應(yīng)用

任務(wù)3：標(biāo)出模型1、模型2、模型3 中第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)的同化量并標(biāo)出能量去向；

任務(wù)4：與相應(yīng)模型匹配。

解答流程：閱讀題干→分析圖形→選擇模型→找出答案。

上述解題模型可以使解題思路更加清晰，但還需要一定的熟練程度才能快速解答。下面筆者以3 道試題為例運(yùn)用上述解題模型進(jìn)行分析。

【例1】生態(tài)系統(tǒng)中存在食物鏈“馬尾松→松毛蟲(chóng)→杜鵑”，如圖3 表示松毛蟲(chóng)攝入能量的流動(dòng)方向，回答下列問(wèn)題。

圖3

從能量流動(dòng)的角度來(lái)看，圖3 中A 表示______________；B表示_____________；D 表示________________。

【答案】松毛蟲(chóng)的同化量 松毛蟲(chóng)用于生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖的能量 松毛蟲(chóng)遺體、殘骸被分解者分解利用的能量

【分析】先按上文中提到的四個(gè)環(huán)節(jié)（閱讀題干→分析圖形→選擇模型→找出答案）進(jìn)行審題并進(jìn)行題文信息的轉(zhuǎn)換，結(jié)合圖3 中箭頭的數(shù)量和方向，確定圖3 符合二項(xiàng)圖模型，然后結(jié)合二項(xiàng)圖模型及A、B、D 三者之間的關(guān)系，很容易確定A 為“松毛蟲(chóng)的同化量”；B 為“松毛蟲(chóng)用于生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖的能量”；D 為“松毛蟲(chóng)遺體、殘骸被分解者分解利用的能量”。

【例2】如圖4 為某生態(tài)系統(tǒng)中能量傳遞過(guò)程，其中甲、乙、丙表示三個(gè)不同的營(yíng)養(yǎng)級(jí)，請(qǐng)據(jù)圖4 回答下列問(wèn)題：

圖4

（1）圖4 中的甲表示第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)，其同化的總能量為_(kāi)______________；其能量傳遞過(guò)程中的175、200、875 分別表示_______________、_______________、_______________。

（2）甲→乙的能量傳遞效率為_(kāi)______________。

【答案】（1）1 250 kJ 呼吸作用散失的能量流入下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量 以遺體、殘骸流向分解者的能量 （2）16%

【分析】按照上述步驟，確定符合題意的模型，依據(jù)箭頭的數(shù)量和方向，確定圖4 符合三項(xiàng)圖模型，結(jié)合題干并對(duì)照三項(xiàng)圖模型，很容易確定“175”表示的是“呼吸作用散失的能量”、“200”表示的是“流向下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量”、“875”表示的是“以遺體、殘骸流向分解者的能量”。因此甲同化的能量為1 250 （175+200+875） kJ；甲→乙的能量傳遞效率為16%（200/1 250 kJ×100%）。

【例3】如圖5 是某人工魚(yú)塘生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)過(guò)程中部分環(huán)節(jié)涉及的能量值[單位為103kJ/（m2? a）]。請(qǐng)據(jù)圖5 回答下列問(wèn)題：

圖5

（1）如圖5 所示，A 代表________________。

（2）能量從第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)流到第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)的傳遞效率是________________。

【答案】（1）各營(yíng)養(yǎng)級(jí)呼吸作用散失的能量（2）12.73%

【分析】繼續(xù)上述步驟，依據(jù)箭頭的數(shù)量和方向，確定圖5 符合四項(xiàng)圖模型，對(duì)比圖5 和四項(xiàng)圖模型，很容易得出A 代表“各營(yíng)養(yǎng)級(jí)呼吸作用散失的能量”；要得出第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)到第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量的傳遞效率，先要求出兩個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)各自的同化量，依據(jù)四項(xiàng)圖模型，第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)（植食性動(dòng)物）的同化量為14[0.5+9+4+流向肉食性動(dòng)物的能量（0.05+0.25+5.1+2.1-5）-2] ；第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的同化量為110[3+70+23+流向植食性動(dòng)物的能量（14）]，因此，兩個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間能量的傳遞效率為12.73%（14/110×100%）。

4.模型建構(gòu)融入教學(xué)的實(shí)踐反思

上述內(nèi)容只是高中生物教學(xué)中的一個(gè)參考，高中生物學(xué)知識(shí)面廣、科學(xué)性強(qiáng)、內(nèi)容抽象，在教學(xué)中合理利用模型來(lái)解釋生物學(xué)事實(shí)和生物學(xué)問(wèn)題，可以提升學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)，這也是培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。但在實(shí)際運(yùn)用模型建構(gòu)輔助教學(xué)的過(guò)程中，教師應(yīng)注意以下三點(diǎn)。

（1）重視教材分析

模型建構(gòu)前的教材分析非常重要，但這一步驟往往容易被教師忽視。建構(gòu)模型的目的是為了更好地理解和運(yùn)用教材知識(shí)，忽視對(duì)教材的解讀會(huì)造成本末倒置，方向“跑偏”的情況。其次，并非教材上的每個(gè)內(nèi)容都可以運(yùn)用模型建構(gòu)的方法，如果不對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)分析，盲目地套用模型建構(gòu)的方法，反而會(huì)造成學(xué)生理解上的困難。教師只有在分析教材內(nèi)容，了解概念與模型、實(shí)例與表征物之間的關(guān)系后，才能提高教學(xué)剖析的針對(duì)性和邏輯的可靠性。

（2）關(guān)注學(xué)生的學(xué)情

教師教學(xué)的目的是為了服務(wù)學(xué)生，學(xué)生才是課堂教學(xué)的主體，模型建構(gòu)的目的是將抽象的生物學(xué)概念形象化、復(fù)雜的知識(shí)系統(tǒng)化。教師在課前必須結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，綜合考慮本次教學(xué)內(nèi)容對(duì)學(xué)生而言是否存在難點(diǎn)、如何幫助學(xué)生突破難點(diǎn)、是否需要模型的幫助、或者利用模型建構(gòu)能否引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生等問(wèn)題。如果不關(guān)注學(xué)生的實(shí)情和教學(xué)的實(shí)際，機(jī)械地套用模型，反而會(huì)將問(wèn)題變得更加復(fù)雜，造成學(xué)生的畏難情緒。

（3）注重過(guò)程的引導(dǎo)

為了降低學(xué)生在模型建構(gòu)中的難度，教師可以通過(guò)布置任務(wù)等方式幫助學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)，特別是在學(xué)生自主建構(gòu)模型的時(shí)候，將隱性的關(guān)鍵內(nèi)容顯性化，就算是不經(jīng)意間的提醒也有助于學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。如果教師只是將建構(gòu)的模型簡(jiǎn)單地灌輸給學(xué)生，無(wú)疑剝奪了學(xué)生獨(dú)立思考的權(quán)利，不利于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)。