以模型構(gòu)建促核心素養(yǎng)達(dá)成的“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)”教學(xué)設(shè)計(jì)

◎ 夏 季

一、設(shè)計(jì)依據(jù)與思路

“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)”是人教版必修3《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》第5章第2 節(jié)的內(nèi)容。它基于生態(tài)系統(tǒng)的組分與營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu),依賴呼吸、光合等細(xì)胞代謝過(guò)程,對(duì)生態(tài)工程產(chǎn)生指導(dǎo)[1]。也為物質(zhì)循環(huán)提供動(dòng)力,連同信息傳遞一起,構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的功能,起到承前啟后的重要作用?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017 年版2020年修訂)》中指出學(xué)生應(yīng)能夠分析出能量流動(dòng)的具體規(guī)律并以此指導(dǎo)資源的合理、高效利用,理解各類型生態(tài)金字塔的聯(lián)系,并能夠用圖示等方式表征出生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的過(guò)程、特點(diǎn)。

自主探究對(duì)達(dá)成生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。在已經(jīng)掌握生態(tài)系統(tǒng)的類型和結(jié)構(gòu),對(duì)呼吸、光合等細(xì)胞代謝過(guò)程有系統(tǒng)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,學(xué)生具備分析各營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量的來(lái)源與去路的能力,但要理清抽象的能量流動(dòng)過(guò)程及特點(diǎn)仍有較大難度。依據(jù)上述情況,課堂上以“荒島求生策略”創(chuàng)設(shè)情境,引出能量流動(dòng)分析,將各營(yíng)養(yǎng)級(jí)所同化的能量類比成“拼圖”進(jìn)行分割,助力建模,逐步樹(shù)立結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀。關(guān)注學(xué)生最近發(fā)展區(qū),通過(guò)定性分割和比例量化逐步分割“能量拼圖”,引導(dǎo)學(xué)生圖示表征生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的過(guò)程,自主總結(jié)出概念和特征,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。指導(dǎo)學(xué)生從能量流動(dòng)角度分析農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問(wèn)題,提升學(xué)生社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

二、教學(xué)目標(biāo)

1.通過(guò)“拼圖法”構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)模型并總結(jié)概念。

2.總結(jié)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)規(guī)律。

3.結(jié)合情境探討能量流動(dòng)規(guī)律的實(shí)踐指導(dǎo)作用。

三、重難點(diǎn)分析

各營(yíng)養(yǎng)級(jí)“能量拼圖”的分割與能量流動(dòng)過(guò)程的圖示表征。

四、教學(xué)過(guò)程

1.導(dǎo)入

教師播放電影《魯濱遜漂流記》片段,創(chuàng)設(shè)情境:假如你也遭遇魯濱遜的窘境,面對(duì)課本93 頁(yè)“問(wèn)題探討”中兩種生存策略,應(yīng)該如何選擇? 學(xué)生各抒己見(jiàn),造成觀點(diǎn)沖突。教師繼續(xù)引導(dǎo):要具體分析兩種策略能量流動(dòng)的情況才可弄清哪種策略能使人獲得更多的能量,引出能量流動(dòng)的分析。

2.生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)研究方法

教師提問(wèn):研究生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)一般在個(gè)體水平還是群體水平? 生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)通過(guò)什么渠道進(jìn)行? 學(xué)生思考并回答渠道為食物鏈(網(wǎng)),研究應(yīng)處于群體水平。教師總結(jié)理清每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量變化情況將使我們明確生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)過(guò)程,為模型構(gòu)建做鋪墊。

3.用“拼圖法”構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)模型,總結(jié)概念,探索規(guī)律

(1)探究“拼圖”,拆分問(wèn)題。

教師提問(wèn):地球上生態(tài)系統(tǒng)所需能量最終來(lái)自哪里? 輻射到地球的太陽(yáng)能是否全部進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)? 學(xué)生在教師引導(dǎo)下回答出來(lái)自太陽(yáng)能,但僅約1%被生產(chǎn)者固定,進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)。

教師提問(wèn):假如每個(gè)小組面前的白紙代表第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)獲得的能量,要將其進(jìn)行分割以表示能量流動(dòng)的情況,則需要明確哪兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題? 學(xué)生討論后總結(jié)出要明確分為幾部分以及各部分占比。教師引導(dǎo)說(shuō)明解決上述問(wèn)題需要對(duì)該營(yíng)養(yǎng)級(jí)輸入的能量進(jìn)行定性分割和比例量化,從而關(guān)注到學(xué)生的最近發(fā)展區(qū),將分割難題進(jìn)行拆分,使其適合于認(rèn)知規(guī)律。

(2)各營(yíng)養(yǎng)級(jí)“能量拼圖”的定性分割。

教師提問(wèn):輸入第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量,可劃分為幾條去向? 學(xué)生分組討論并在白紙背面嘗試定性分割。絕大部分小組能夠劃分出呼吸耗散、流入下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)和被分解者利用三條去向。繼續(xù)提問(wèn):一般情況下,生產(chǎn)者可否全部被下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)吃掉? 或者全部死亡? 學(xué)生思考作答后繼續(xù)引導(dǎo):在某個(gè)確定的時(shí)間點(diǎn)應(yīng)存在未利用的能量,從而將“能量拼圖”劃分成上述四個(gè)部分。

教師提問(wèn):第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量來(lái)自哪里? 初級(jí)消費(fèi)者攝入的食物可否全部被吸收利用? 該營(yíng)養(yǎng)級(jí)的“能量拼圖”又該怎樣定性分割? 第三、四營(yíng)養(yǎng)級(jí)的情況是與之類似嗎? 學(xué)生在問(wèn)題引導(dǎo)下討論總結(jié)出:攝入量=糞便量+同化量[呼吸耗散量+用于生長(zhǎng)發(fā)育繁殖的能量(被下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的同化+分解者利用+未利用)],類比可知后續(xù)各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的情況與之類似。

教師提問(wèn):明確了各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量流動(dòng)劃分,各部分占比如何? 承前啟后。

(3)量化“能量拼圖”比例,完成建模,總結(jié)概念。

教師展示林德曼的量化分析圖(課本95 頁(yè)圖5-8),設(shè)計(jì)表格讓學(xué)生總結(jié)圖中各項(xiàng)數(shù)值。根據(jù)表格中的數(shù)據(jù),讓各小組完成各營(yíng)養(yǎng)級(jí)“能量拼圖”的逐級(jí)分割,并以“拼圖模型”對(duì)該生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行表征。通過(guò)總結(jié)量化分析表中各項(xiàng)數(shù)據(jù)可明確“能量拼圖”中四部分的各自占比,進(jìn)而完成“能量拼圖”的逐級(jí)分割,構(gòu)建出“拼圖模型”,引導(dǎo)學(xué)生概括出生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的概念。

(4)總結(jié)生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的規(guī)律。

教師提問(wèn):模型中箭頭的方向能否調(diào)轉(zhuǎn)? 你能從中看出什么規(guī)律? 學(xué)生總結(jié)出能量流向總是單向的。

教師提問(wèn):表格中某個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化的能量占其上一營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化量的比例是多少? 學(xué)生計(jì)算得出數(shù)據(jù)分別為13.5%、20%,教師總結(jié)能量傳遞效率的概念并指出一般范圍。繼續(xù)提問(wèn):根據(jù)上述數(shù)據(jù)并觀察模型中每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)“能量拼圖”的大小和箭頭粗細(xì),你能得出什么規(guī)律? 學(xué)生在引導(dǎo)下答出逐級(jí)遞減的特點(diǎn)。

教師提問(wèn):如果用金字塔圖表明能量流動(dòng)的情況,各營(yíng)養(yǎng)級(jí)應(yīng)處于什么位置? 如果換成數(shù)量或者生物量,金字塔會(huì)不會(huì)有變化呢? 學(xué)生思考并在教師引導(dǎo)下梳理各類生態(tài)金字塔的聯(lián)系和特點(diǎn)。

4.結(jié)合情境探討能量流動(dòng)規(guī)律的實(shí)踐指導(dǎo)作用

教師提問(wèn):根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)規(guī)律,導(dǎo)入中的問(wèn)題應(yīng)當(dāng)選擇哪個(gè)策略? 為何說(shuō)“一山不容二虎”? 食物鏈中的營(yíng)養(yǎng)級(jí)數(shù)量總是有限? 學(xué)生思考作答,檢驗(yàn)對(duì)能量流動(dòng)特點(diǎn)的理解。

教師提問(wèn):“?；~(yú)塘”較傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)具有哪些進(jìn)步意義? 學(xué)生討論作答。

五、教學(xué)反思

本課以情境討論為切入點(diǎn),造成觀點(diǎn)沖突,引出能量流動(dòng)分析。關(guān)注學(xué)生最近發(fā)展區(qū),通過(guò)定性分割和比例量化逐級(jí)分割“能量拼圖”,完成建模,逐步樹(shù)立結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀。根據(jù)數(shù)據(jù)分析并結(jié)合模型觀察自主總結(jié)生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的概念和特點(diǎn),并解釋農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問(wèn)題,從而鍛煉科學(xué)思維,培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任,落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)。頗為遺憾的是對(duì)于未利用的能量沒(méi)有進(jìn)一步分析,需要課下輔導(dǎo)。課堂上層層遞進(jìn)的問(wèn)題是驅(qū)動(dòng)任務(wù)環(huán)環(huán)相扣和思維節(jié)節(jié)攀升的關(guān)鍵,本課的問(wèn)題設(shè)計(jì)還需要更加精巧。