基于證據(jù)進(jìn)階式的概念模型建構(gòu)

李招富

科學(xué)思維是生物學(xué)科核心素養(yǎng)之一，它是學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究、樹立生命觀念、承擔(dān)社會責(zé)任的基礎(chǔ)。基于生物學(xué)事實和證據(jù)進(jìn)行模型建構(gòu)，是發(fā)展科學(xué)思維的方法之一。概念模型可以將復(fù)雜問題簡單化，將具體現(xiàn)象抽象化，將散亂知識結(jié)構(gòu)化。建構(gòu)概念模型需要圍繞核心概念，進(jìn)行分析、綜合、抽象、概括和推理，完成從表象和具體到抽象和本質(zhì)的認(rèn)知過程，屬于高階科學(xué)思維能力。

“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”這節(jié)內(nèi)容要求之一是“分析能量在生物群落中單向流動并逐級遞減的規(guī)律”，在學(xué)業(yè)要求中提出，學(xué)生能夠使用圖示等方式表征和說明生態(tài)系統(tǒng)中能量流動的過程和特征。這提示我們，不僅要學(xué)習(xí)相關(guān)知識，還要訓(xùn)練學(xué)生建構(gòu)模型的方法。

一、激活已知，厘清概念

由于能量不可見且儲存在物質(zhì)中，學(xué)生常將二者混淆。本節(jié)中能量是核心研究對象，應(yīng)予以明確，避免錯誤的前概念給后續(xù)的建構(gòu)模型帶來障礙。教師可演示初中所學(xué)的花生種子燃燒實驗，使學(xué)生直觀感受能量的釋放過程。同時，回憶已學(xué)知識，總結(jié)生物體細(xì)胞中的儲能物質(zhì)有糖類、脂肪、蛋白質(zhì)、ATP等，舉例說出細(xì)胞中儲存或釋放能量的化學(xué)反應(yīng)和能量的作用。

二、梳理已學(xué)證據(jù)，建構(gòu)能量流經(jīng)個體的簡易模型

教師創(chuàng)設(shè)情境：從宏觀到微觀逐級展示真實的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田中的玉米種群、單棵玉米植株。提出問題：“一棵玉米的能量來源和去路有哪些？”學(xué)生紛紛提出自己的看法，教師引導(dǎo)學(xué)生思考形成這些觀點背后的證據(jù)。大家認(rèn)為主要是根據(jù)已學(xué)的光合作用與呼吸作用的過程，此外，教材中，“在細(xì)胞內(nèi)，1mol葡萄糖徹底氧化分解可釋放2870kJ的能量，可使977.28kJ左右的能量儲存在ATP中，其余的能量則以熱能的形式散失掉了”。

分析以上證據(jù)，師生梳理光合作用和呼吸作用中能量的變化過程：太陽能—ATP和NADPH中的化學(xué)能—有機(jī)物中的化學(xué)能—ATP中的化學(xué)能和熱能。教師引導(dǎo)學(xué)生類比人體中血糖的來源與去路模型，建構(gòu)能量流經(jīng)玉米植株的模型。

三、分析科研證據(jù)，建構(gòu)能量流經(jīng)種群的模型

在個體能量流動模型的基礎(chǔ)上，教師啟發(fā)學(xué)生思考：此模型是否適用于玉米種群？小組討論，展示推理過程：由于上述模型適用于每個玉米植株，而種群是個體的集合，所以可將玉米種群作為一個整體來研究，因而適用于此模型。

教師展示科研資料：1926年，美國生態(tài)學(xué)家研究了一塊玉米田的能量流動情況。在整個生長季節(jié)，入射到這塊玉米田的太陽能總量為8.5×109kJ。收割玉米并進(jìn)行化學(xué)成分分析，這些玉米折算共含葡萄糖6687.5kg，而1kg葡萄糖儲存1.6×104kJ能量。據(jù)他估算，這些玉米在整個生長過程中，通過細(xì)胞呼吸消耗的葡萄糖共2045kg。

問題：①計算該玉米種群輸入、儲存、散失的能量分別是多少？此研究是否說明上述能量流動模型適用于該種群？②入射該玉米田的太陽能是否都被玉米同化？為什么？③對于玉米植株而言，儲存的能量可用于哪些方面？④呼吸散失的熱量能否被玉米植株再同化？

通過問題①開展定量分析，證實上述模型適用于玉米種群。針對問題②，學(xué)生解釋玉米植株無法捕獲漏射、散射的太陽光，且葉綠體主要吸收紅光和藍(lán)紫光，因而玉米同化的能量只是入射太陽能中的一部分。針對問題③，學(xué)生認(rèn)為凈光合作用積累的有機(jī)物可促進(jìn)植株長高、長大、結(jié)出玉米籽粒等，因此玉米植株儲存的能量用于生長發(fā)育和繁殖。學(xué)生對呼吸散失的熱量能否被玉米植株再同化有爭議，此時可引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用結(jié)構(gòu)與功能觀分析“植株中葉綠體可捕獲光能，但無捕獲熱能的結(jié)構(gòu)”。以上分析之后，引導(dǎo)學(xué)生對上述模型進(jìn)行精化，得出玉米種群的能量流動模型。

四、模型遷移與精化，建構(gòu)能量流經(jīng)第一、二營養(yǎng)級的模型

該生態(tài)系統(tǒng)中除了玉米之外，還有哪些生物的能量流動也遵循上述模型？學(xué)生發(fā)散思維，不難發(fā)現(xiàn)大多數(shù)生產(chǎn)者符合，少數(shù)是通過化能合成作用來獲取能量。此時可將其作為一個整體進(jìn)行研究，即構(gòu)建能量流經(jīng)第一營養(yǎng)級的模型。結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)的組成，引導(dǎo)學(xué)生思考生產(chǎn)者用于生長發(fā)育和繁殖的能量的去向。學(xué)生根據(jù)生產(chǎn)者的枯枝敗葉被土壤中微生物分解，玉米籽粒和秸稈被牲畜、人食用等事實，不難得出其中能量流向分解者和下一營養(yǎng)級，隨后進(jìn)一步精化該模型。

建構(gòu)第一營養(yǎng)級的能量流動模型后，學(xué)生已經(jīng)具備了相關(guān)經(jīng)驗。繼續(xù)思考：家畜攝食植物后是否將其中的能量全部同化，為什么？學(xué)生紛紛表明自己的觀點和證據(jù)。由于不少學(xué)生對糞便中能量的來源和去向不清，教師通過展示兩則資料，幫助學(xué)生整理消費(fèi)者攝入量、同化量和糞便之間的關(guān)系，明確糞便中能量屬于上一營養(yǎng)級，且其去向是被分解者利用。隨后學(xué)生自主構(gòu)建能量流經(jīng)第二營養(yǎng)級的模型。

五、模型整合及分析，建構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動模型

繼續(xù)類比構(gòu)建能量流經(jīng)其它營養(yǎng)級的模型，比較不同營養(yǎng)級能量流動模型的異同：均需要先同化能量，能量的去向都是呼吸作用散失、流向分解者、流入下一營養(yǎng)級（最高營養(yǎng)級除外）。將這些模型簡化、連接，則得出能量流經(jīng)整個生態(tài)系統(tǒng)的概念模型。

教師展示美國科學(xué)家林德曼對賽達(dá)伯格湖的研究數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生思考：未利用的能量是什么？儲存在哪里？該部分能量最終去向是什么？學(xué)生借助已學(xué)的“精明的捕食者策略”，不難發(fā)現(xiàn)短時間內(nèi)每一營養(yǎng)級不能完全被捕食、分解，進(jìn)而明確該研究屬于“定量定時的研究”。但長遠(yuǎn)看，這些能量最終流向分解者、流入下一營養(yǎng)級和呼吸散失，因此可證實上述模型。隨后，教師引導(dǎo)學(xué)生利用表格整理數(shù)據(jù)，計算相鄰營養(yǎng)級之間的能量傳遞效率，體驗定量分析的方法，發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)能量流動特點并解釋原因。

六、體驗?zāi)芰苛鲃舆^程，應(yīng)用規(guī)律解釋現(xiàn)象

基于證據(jù)理性建構(gòu)模型之后，還需體驗該過程。教師組織每個小組模擬不同的生態(tài)系統(tǒng)，各成員分別扮演生態(tài)系統(tǒng)的不同成分，包括生產(chǎn)者、初級消費(fèi)者、次級消費(fèi)者、三級消費(fèi)者、分解者、無機(jī)環(huán)境。教師將代表能量的一張紙交到扮演生產(chǎn)者的學(xué)生手中，告知這張紙的面積代表能量的數(shù)值，隨后小組內(nèi)分割、傳遞紙片并說出每塊紙片代表哪部分能量。學(xué)生需根據(jù)傳遞效率計算出流向下一營養(yǎng)級的能量來分割紙片，依據(jù)能量的含義和流向來傳遞紙片，深度體驗?zāi)芰苛鲃舆^程，總結(jié)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的概念。