“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”教學案例?

張春菊 田樹青 柳忠烈

（1中國地質大學附屬中學 北京 100083 2北京市海淀區(qū)教師進修學校 北京 100195）

生物學是研究生命現(xiàn)象和生命活動規(guī)律的一門基礎自然科學。生物學的研究經(jīng)歷了從現(xiàn)象到本質、從定性到定量的發(fā)展過程。高中生物學課程既要讓學生獲得基礎的生物學知識，又要讓學生領悟生物學家在研究過程中所持有的觀點，以及解決問題的思路和方法。高中生物學課程著眼于學生適應未來社會發(fā)展和個人生活的需要，從生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任等方面發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)，充分體現(xiàn)學科特點和育人價值[1]。

1 教學內容分析

人教版（2019版）高中生物學選擇性必修2《生物與環(huán)境》模塊的教學內容主線涉及生物與環(huán)境、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)等概念。學習本模塊有助于學生理解生命活動的本質，了解系統(tǒng)分析的思想和方法，提高對生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境關系的認識，并為學生樹立人與自然和諧共處的觀念、形成生態(tài)意識、環(huán)保意識和踐行綠色低碳生活方式奠定基礎[1]。

1.1 重要概念分析 “生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”是《生物與環(huán)境》第3單元“生態(tài)系統(tǒng)及其穩(wěn)定性”第2節(jié)的內容。本節(jié)在新課程標準“選擇性必修課程”中屬于概念“2.2生物群落與非生物的環(huán)境因素相互作用形成多樣化的生態(tài)系統(tǒng)，完成物質循環(huán)、能量流動和信息傳遞”[1]。本節(jié)對應概念“2.2.3分析生態(tài)系統(tǒng)中的物質在生物群落與無機環(huán)境之間不斷循環(huán)、能量在生物群落中單向流動并逐級遞減的規(guī)律”[1]。本節(jié)對應的學業(yè)要求為：使用圖示等方式表征和說明生態(tài)系統(tǒng)中物質循環(huán)、能量流動和信息傳遞的過程和特征，并對相關的生態(tài)學實踐應用作出合理的分析和判斷（生命觀念、科學思維、社會責任）[1]。

1.2 單元內容和課時關系結構圖 本單元主題是生態(tài)系統(tǒng)，教材按照從結構到功能，再到穩(wěn)定性的順序，由淺入深地安排（圖1）。生態(tài)系統(tǒng)的結構是能量流動和物質循環(huán)的基礎。能量是維持生態(tài)系統(tǒng)功能、使生態(tài)系統(tǒng)保持穩(wěn)定的關鍵。信息傳遞對生命活動的正常進行、生物種群的繁衍及種間關系的調節(jié)起著重要作用。生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能處于相對穩(wěn)定時，生態(tài)系統(tǒng)就達到了生態(tài)平衡。生態(tài)系統(tǒng)的結構、功能、穩(wěn)定性相互關聯(lián)，有很強的邏輯性。

1.3 承載的學科核心素養(yǎng)側重點分析

1.3.1 生命觀念

1）物質與能量觀。物質是能量的載體，能量是維持和更新生命的動力，生命系統(tǒng)時刻進行著能量的輸入與轉化。細胞通過合成代謝和分解代謝，實現(xiàn)生命物質的更新與能量轉化；生物體從外界獲取物質和能量，通過呼吸作用實現(xiàn)物質和能量的轉化；生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)者將光能轉化為有機物中的化學能，能量以有機物的形式流向消費者和分解者。生命系統(tǒng)的各個層次都有能量的流動和轉化。

2）系統(tǒng)觀。生態(tài)系統(tǒng)是由生物群落與非生物環(huán)境組成的統(tǒng)一整體。生態(tài)系統(tǒng)結構不同，功能也有差別。將生態(tài)系統(tǒng)作為一個整體進行分析，培養(yǎng)學生的系統(tǒng)思維。

1.3.2 科學思維 基于生物學事實和證據(jù)，運用模型與建模方法闡釋生命現(xiàn)象，構建生態(tài)系統(tǒng)能量流動的過程模型。結合數(shù)據(jù)，定量分析賽達伯格湖的能量流動圖解，歸納、概括生態(tài)系統(tǒng)能量流動的特點。

2 教學設計與實施

2.1 設計思路 針對以上教學內容和學業(yè)要求，本課時的整體設計思路是：首先，通過問題引導學生分析、討論生態(tài)系統(tǒng)能量流動的研究思路和方法，以營養(yǎng)級作為整體，構建生態(tài)系統(tǒng)能量流動的過程模型。然后，通過定量分析賽達伯格湖的能量流動圖解，總結生態(tài)系統(tǒng)中能量流動的特點。本節(jié)教學設計有以下特點。

1）強化概念教學。注意大概念、重要概念和小概念之間的關系。無論是細胞、個體還是生態(tài)系統(tǒng)層次，都要將能量的輸入、傳遞、轉化和散失這些重要概念分析透徹。通過具體事例講解生產(chǎn)者固定的太陽能、同化量、攝入量、糞便量、傳遞效率、“未利用”等小概念。

2）落實生命觀念。生命觀念是生物學學科核心素養(yǎng)的標志[2]。教學中要注重落實“物質與能量觀”“系統(tǒng)觀”等生命觀念。幫助學生構建從微觀細胞層次到宏觀生態(tài)系統(tǒng)層次的能量轉化過程，滲透能量轉化對生命活動的重要意義。

3）關注模型構建和科學思維。教學環(huán)節(jié)中最具挑戰(zhàn)性的學習任務是發(fā)展學生學科核心素養(yǎng)，學習任務的設計要有遞進性[3]。由定性分析構建模型，到定量分析總結規(guī)律。構建模型要從抽象到具體再回到抽象，通過具體形象的能量流動鏈，幫助學生形成清晰的能量流動過程。充分挖掘科學史，對賽達伯格湖的研究方法和研究思路要落實到教學中，培養(yǎng)學生的科學思維。

4）關注學情。學生的知識和能力水平如何？哪些知識是需要教師啟發(fā)、引導才能想到的？哪些知識是需要教師講解才能知道的？通過學情分析，設計具體的問題和學習任務。

試講發(fā)現(xiàn)，學生對生態(tài)學基本概念不理解，分析流經(jīng)每種生物能量的“傳遞、轉化和散失”過程難度較大。學生忘記了呼吸作用對于生命活動的重要意義。分析每種生物所屬的生態(tài)系統(tǒng)的成分及每種生物獲取能量的途徑時，需要優(yōu)化問題，引導學生思考所有生物通過呼吸作用為生命活動提供能量，此過程中產(chǎn)生熱能。教學中注意關注學生的課堂反饋，耐心傾聽，及時指導。

2.2 教學實施

2.2.1 教學環(huán)節(jié)1：生態(tài)系統(tǒng)能量流動的概念

以池塘生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，首先提出問題1：分析以下生物（蘆葦、螺螄、大魚、細菌、真菌等）分別屬于生態(tài)系統(tǒng)中的什么成分？分別通過何種方式獲取能量？分析每種生物成分的能量流動過程；然后提出問題2：所有生物生命活動的直接能源物質是什么？該能源物質是如何產(chǎn)生的？以營養(yǎng)級為研究對象，逐步分析能量流經(jīng)第1、第2營養(yǎng)級的過程，最后，構建生態(tài)系統(tǒng)能量流動的過程模型。

認同細胞、個體、生態(tài)系統(tǒng)等不同生命層次的能量流動過程。構建“太陽能→有機物中的化學能→熱能+ATP中的化學能”的物質與能量轉化概念圖。

2.2.2 教學環(huán)節(jié)2：構建生態(tài)系統(tǒng)能量流動的過程模型

提出問題3：研究生態(tài)系統(tǒng)的能量流動應該以個體、種群還是營養(yǎng)級為研究對象更科學、更準確，為什么？引導學生分析個體的偶然性和局限性，認識以營養(yǎng)級為研究整體的準確性和意義。思考研究生態(tài)系統(tǒng)能量流動的基本思路。

提出問題4：要想定量地研究生態(tài)系統(tǒng)，應該選擇怎樣的生態(tài)系統(tǒng)？教師介紹賽達伯格湖的大小和特點：賽達伯格湖深1 m，面積約14 480 m2，湖岸線長500 m，湖底深度一致、性質均一，沒有大波浪，是一個營養(yǎng)結構較簡單、相對較小、能保持相對穩(wěn)定的天然生態(tài)系統(tǒng)。

提出問題5：賽達伯格湖里可能有哪種生物？如何去定量研究各個營養(yǎng)級的能量關系？引導學生分析湖中的各種生物成分，思考定量分析的方法。

教師介紹林德曼（Lindeman）研究賽達伯格湖能量流動的思路和方法：“從1936年12月21日至1941年3月28日，林德曼采用周期調查的方法，進行了近50次調查；用取樣器對湖底淤泥進行取樣，獲得多個系列的生物和化學樣品；從底部樣品的粗碎屑中分離出生物體，進行鑒定、測量、計數(shù)和稱重；采用離心分離法，分析浮游生物的質量和數(shù)量；依據(jù)產(chǎn)量對魚類進行合理估計；根據(jù)不同物質每克的熱量值將質量轉化為能量值單位J/（cm2·a）”。教師補充賽達伯格湖的相關文獻資料，提出問題6：能量流經(jīng)每一個營養(yǎng)級的具體過程是怎樣的？照射到生產(chǎn)者的太陽能是否是生態(tài)系統(tǒng)的總能量？問題7：消費者攝入的能量是否為輸入該營養(yǎng)級的總能量？初級消費者糞便中的能量是否屬于同化量？通過討論交流，引導學生定量分析賽達伯格湖的能量流動圖解，歸納、概括能量流動的特點，理解能量流動逐級遞減的特點：①任何食物層次的能量都不能完全被以它為食的生物體所攝取。在食肉動物無法消化和吸收的“死亡”組織中，仍存在很多能量。②食物循環(huán)很少超過5個營養(yǎng)級，掠食者不斷增加的呼吸作用是限制食物循環(huán)中營養(yǎng)級數(shù)量的重要因素。③每種生物經(jīng)非捕食性死亡后，作為細菌和真菌等腐生生物的潛在能源，其代謝產(chǎn)物進一步分解為簡單的無機物和有機物，可供光合生產(chǎn)者使用[4]。

教學過程中，培養(yǎng)學生的建模能力、科學探究能力，強化物質與能量觀。

2.2.3 教學環(huán)節(jié)3：生態(tài)系統(tǒng)能量流動的特點

基于環(huán)節(jié)1和環(huán)節(jié)2的資料，問題驅動，進一步梳理、概括生態(tài)系統(tǒng)能量流動的特點，培養(yǎng)學生分析數(shù)據(jù)的能力。

問題8：根據(jù)賽達伯格湖的能量流動圖解，定量分析每一營養(yǎng)級能量的流動過程，計算相鄰營養(yǎng)級之間能量的傳遞效率。

問題9：計算每一營養(yǎng)級的呼吸消耗率。思考為何隨著營養(yǎng)級升高呼吸消耗率逐漸升高？

問題10：能量流動方向是否會逆轉，能否循環(huán)流動？能量在流動過程中逐級遞減，與能量守恒定律是否矛盾？

通過數(shù)據(jù)分析和資料分析，引導學生理解能量流動是逐級遞減的，營養(yǎng)級越多在流動過程中消耗的能量就越多。

2.3 教學評價

2.3.1 課堂實施情況質性描述

環(huán)節(jié)1：學生分析表述以個體、種群或營養(yǎng)級作為研究對象是否可行，能初步分析構建生態(tài)系統(tǒng)能量流動過程圖。除部分學生遺忘呼吸作用的意義外，大部分學生能理解攝入量、糞便量和同化量三者之間的關系，能理解“同化量－呼吸量=積累有機物中的能量”。

環(huán)節(jié)2：學生能梳理生態(tài)系統(tǒng)能量流動的研究思路和方法，能根據(jù)賽達伯格湖的能量流動圖解完成準確的數(shù)據(jù)分析。學生對“未利用”的含義理解得不透徹。通過分析流向分解者的能量資料和呼吸消耗率，學生理解能量流動過程中營養(yǎng)級越多，消耗的能量就越多。

2.3.2 學生學案分析

1）物質與能量觀：生命過程需要能量驅動，生命系統(tǒng)是開放系統(tǒng)，時刻進行著物質和能量的輸入、輸出。從生物個體角度分析能量的流動和轉化，以概念圖的形式，構建生命系統(tǒng)中能量的轉化與利用過程（圖2）。

任務1：生態(tài)系統(tǒng)能量流動的過程（池塘生態(tài)系統(tǒng)）。

①分析以下生物分別屬于該池塘生態(tài)系統(tǒng)中的哪種組成成分？分別如何獲取能量？

蘆葦、荷花：生產(chǎn)者、利用太陽能合成有機物。

昆蟲、螺螄：初級消費者、攝取生產(chǎn)者。

大魚、小蝦等：次級消費者、捕食初級消費者。

細菌、真菌：分解者、分解生產(chǎn)者和各級消費者的遺體殘骸。

2）系統(tǒng)觀：將生態(tài)系統(tǒng)作為一個整體進行分析，分析每一個營養(yǎng)級的能量流動過程，構建生態(tài)系統(tǒng)的能量流動的過程模型，培養(yǎng)學生的系統(tǒng)思維（圖3，圖4）。

3）科學思維：基于生物學事實和證據(jù)，分析生態(tài)系統(tǒng)能量流動的過程圖解，運用歸納與概括、模型與建模等方法，闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，提升科學思維能力。

任務2：生態(tài)系統(tǒng)能量流動的特點。

①流經(jīng)該生態(tài)系統(tǒng)（圖5）的總能量是：464.4J/（cm2·a）

②填表梳理每一個營養(yǎng)級的能量輸入總量及能量的去向（表1）。

表1

③相鄰2個營養(yǎng)級之間能量的傳遞效率為何不是100%？

一部分用于呼吸作用；一部分被分解者利用；一部分“未利用”。

④“未利用”的含義是仍以有機物的形式儲存在生物體內；未流入下一個營養(yǎng)級；未被呼吸作用消耗；未被分解者利用；未利用的煤炭等有機物形式。

各營養(yǎng)級“未利用”的能量的可能去向是流向下一個營養(yǎng)級；自身呼吸作用消耗；被分解者利用；流向人類生產(chǎn)、生活等。生態(tài)系統(tǒng)能量流動的特點表現(xiàn)為：單向流動、逐級遞減（圖3，圖4）。

2.3.3 學生訪談

針對不同學習進度的學生提出不同難度等級問題。

低等難度問題：請描述生態(tài)系統(tǒng)能量流動的過程和特點？同化量、攝入量和糞便量三者之間的關系是什么？

學生反饋：基本能說出每一營養(yǎng)級能量的輸入和能量的去向，知道生態(tài)系統(tǒng)中能量流動的特點是單向流動和逐級遞減。容易混淆同化量、攝入量和糞便量。

中等難度問題：請描述生態(tài)系統(tǒng)能量流動的過程？研究能量流動的基本思路和方法是什么？為何能量流動是逐級遞減的？

學生反饋：能說出生態(tài)系統(tǒng)能量流動的過程，初步了解研究能量流動的思路和方法。能闡釋生態(tài)系統(tǒng)中能量單向流動、逐級遞減的特點。

高難度問題：如何理解生態(tài)系統(tǒng)能量流動過程中滲透的物質與能量觀、系統(tǒng)觀等生命觀念？是否能清楚了解生態(tài)系統(tǒng)能量流動的基本研究思路和方法？如何理解生態(tài)系統(tǒng)能量流動是逐級遞減的？

學生反饋：從細胞、個體和生態(tài)系統(tǒng)層次對能量的流動過程有了清晰的認知，能說出生命系統(tǒng)中能量的轉化形式。已了解賽達伯格湖的研究思路和方法，并深刻理解到有很大一部分能量被分解者或自身呼吸作用消耗，營養(yǎng)級越多，能量消耗越大，能量流動是逐級遞減的、單向流動的。

3 教學反思

在真實情境中落實生物學學科核心素養(yǎng)。中、小學生對知識意義的感受與理解，是通過在真實情境中應用實現(xiàn)的。評估學生是否習得核心素養(yǎng)的最佳作法就是讓學生“做事”，而“做事”必須要有真實的情境[5]。通過池塘生態(tài)系統(tǒng)這一真實情境，引導學生構建池塘生態(tài)系統(tǒng)中各種生物成分之間能量流動的過程模型，落實物質與能量觀、系統(tǒng)觀等生命觀念。池塘生態(tài)系統(tǒng)中錯綜復雜的食物網(wǎng)，能直觀地幫助學生理解“以‘營養(yǎng)級’作為能量流動的研究對象更加科學和準確”。

經(jīng)典科學史學習中落實科學思維和科學探究。學習生物學科學史，能沿著科學家探索世界的道路，認識科學的本質，學習科學研究的思路和方法。通過林德曼研究賽達伯格湖的背景介紹，使學生理解科學研究中研究樣本、研究方法和研究手段的重要性。