“5E”教學(xué)模式下高中生物學(xué)模型建構(gòu)教學(xué)
——以“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”為例

李潔，李艷紅*，胡杰，蘇珍

（1.西華師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川南充 637002；2.成都市武侯高級中學(xué)，四川成都 610043）

“5E”教學(xué)模式是基于建構(gòu)主義和概念轉(zhuǎn)變理論提出，由吸引（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）和評價（Evaluation）五個環(huán)節(jié)組成的一種教學(xué)模式，能在幫助學(xué)生開展科學(xué)探究獲得深層次知識的同時，提升其演繹、歸納、概括、建模、批判性思維等科學(xué)思維能力[1-2]。模型建構(gòu)是利用各種材料、符號、文字或數(shù)學(xué)公式等，對抽象事物進(jìn)行概括性描述的過程[3]，常被用于抽象生物學(xué)概念的教學(xué)中。“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”一課涉及生態(tài)系統(tǒng)的能量流動過程及特點(diǎn)等內(nèi)容，知識點(diǎn)抽象零亂且內(nèi)容晦澀難懂。本文將“5E”教學(xué)模式與模型建構(gòu)教學(xué)有機(jī)結(jié)合進(jìn)行“探究”教學(xué)，有利于學(xué)生把握抽象生物學(xué)概念，培養(yǎng)科學(xué)思維[4]。

一、教學(xué)分析

（一）教材分析

“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”是人教版新教材高中生物學(xué)選擇性必修2《生物與環(huán)境》第3章第2節(jié)內(nèi)容，在“生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)”基礎(chǔ)上，從“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”角度為學(xué)習(xí)“生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性”奠定基礎(chǔ)。本節(jié)重點(diǎn)是生態(tài)系統(tǒng)能量流動的過程及特點(diǎn)，難點(diǎn)是生態(tài)系統(tǒng)能量單向流動、逐級遞減的過程分析。教材展示了“生態(tài)系統(tǒng)能量流動的示意圖”“能量流經(jīng)第二營養(yǎng)級的示意圖”和“賽達(dá)伯格湖的能量流動圖解”等7個示意圖，有利于教師開展模型建構(gòu)教學(xué)以突出重點(diǎn)、突破難點(diǎn)。

（二）學(xué)情分析

本節(jié)內(nèi)容抽象，傳統(tǒng)講授方式為教師直接向?qū)W生展示教材示意圖，學(xué)生難以完成對生態(tài)系統(tǒng)能量流動過程的完整闡述，對特點(diǎn)的把握也僅限于知識點(diǎn)灌輸，對背后原因的理解不夠透徹。同時，學(xué)生已初步掌握生態(tài)系統(tǒng)能量流動的途徑——食物鏈（網(wǎng)）、能量守恒定律和呼吸作用等相關(guān)知識，且具有一定的科學(xué)思維和模型建構(gòu)能力，教師可進(jìn)行模型建構(gòu)教學(xué)，將難解過程置于所建構(gòu)模型中，便于學(xué)生理解與掌握。

二、教學(xué)目標(biāo)

1.生命觀念：分析生態(tài)系統(tǒng)的能量流動過程和特點(diǎn)以形成生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量觀。

2.科學(xué)思維：分析“賽達(dá)伯格湖的能量流動圖解”，總結(jié)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的特點(diǎn)，培養(yǎng)科學(xué)思維。

3.科學(xué)探究：通過探究生態(tài)系統(tǒng)的能量流動過程建構(gòu)模型及課后思考“如何根據(jù)實際情況設(shè)計方案獲得最多能量”，提高科學(xué)探究能力。

4.社會責(zé)任：通過課后思考解決實際問題，形成合理運(yùn)用生態(tài)學(xué)知識服務(wù)于人類的生態(tài)意識。

三、教學(xué)過程

（一）吸引

創(chuàng)設(shè)情境：假設(shè)你是流落荒島的魯濱遜，身邊除了一只母雞、15 kg玉米和能飲用的水，幾乎沒有任何食物。你會選擇哪種生存方案等待救援？方案1：先吃雞，再吃玉米。方案2：先吃玉米，同時用一部分玉米喂雞，最后再吃雞。

學(xué)生根據(jù)意愿選擇方案。

教師提問：你們?yōu)楹芜x擇該方案？換言之，我們應(yīng)從什么角度進(jìn)行探究？

教師提示：本節(jié)課我們將學(xué)習(xí)從能量角度探究哪種方案更合理。（導(dǎo)入本節(jié)主題——生態(tài)系統(tǒng)的能量流動。）

設(shè)計意圖：教師利用問題探討創(chuàng)設(shè)情境導(dǎo)入主題，在解決實際問題的同時，將生物學(xué)知識與實際生活聯(lián)系起來。此外，荒島求生充滿刺激和冒險，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

（二）探究

1.實例中能量流動模型建構(gòu)

教師介紹：教師根據(jù)“科學(xué)方法”模塊的內(nèi)容，向?qū)W生介紹“研究能量流動的基本思路”，初步提出以模型建構(gòu)的方式探究能量在種群中的流動過程。

學(xué)生活動：學(xué)生根據(jù)科學(xué)方法首先畫出兩種方案的食物鏈，標(biāo)記食物鏈中的營養(yǎng)級。

教師講解：最優(yōu)方案可使人獲得更多能量，讓我們嘗試分析能量在營養(yǎng)級間的傳遞，即能量流動。如何根據(jù)同學(xué)們展示的食物鏈（網(wǎng)）具體分析能量流動？

教師展示：教師以玉米→雞→人食物鏈為例，引導(dǎo)學(xué)生思考玉米（第一營養(yǎng)級）的能量來源和去路，并指導(dǎo)學(xué)生參考教材建構(gòu)模型。

學(xué)生回答：“玉米通過固定太陽能獲得能量?！币虼?，玉米的能量來源于太陽能；玉米的能量去路則是呼吸作用散失、被雞捕食以及部分被分解者利用。學(xué)生小組分析討論建構(gòu)“能量流經(jīng)玉米的示意圖”（圖1）。

圖1 能量流經(jīng)玉米的示意圖

教師提問：雞（第二營養(yǎng)級）的能量來源和去路？

學(xué)生探究建模：學(xué)生討論后在第一次模型建構(gòu)的基礎(chǔ)上完善“能量流經(jīng)玉米、雞的示意圖”（圖2）。

圖2 能量流經(jīng)玉米、雞的示意圖

設(shè)計意圖：從實例出發(fā)引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)模型，由簡至繁，層層遞進(jìn)，學(xué)生在自主建構(gòu)模型過程中，通過概念模型將抽象的生態(tài)系統(tǒng)能量流動過程具體化，進(jìn)而掌握本節(jié)易錯知識點(diǎn)。

2.生態(tài)系統(tǒng)能量流動宏觀模型建構(gòu)

教師提問：將實例中建構(gòu)的模型應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)，用生產(chǎn)者和消費(fèi)者級別代替具體生物，模型將是怎樣？

學(xué)生討論完善模型：學(xué)生根據(jù)教師提示，在討論后完善“生態(tài)系統(tǒng)能量流動的示意圖”（圖3）。

圖3 生態(tài)系統(tǒng)能量流動的示意圖

教師根據(jù)學(xué)生所展示模型（箭頭與方框同等大小）與教師提供模型（箭頭與方框逐級減?。┰诩^與方框大小上的差異設(shè)疑：箭頭、方框的大小有何含義？

設(shè)計意圖：將實例模型應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)，修正模型過程分析錯誤與不足，提高學(xué)生模型建構(gòu)能力的同時培養(yǎng)科學(xué)思維。

3.生態(tài)系統(tǒng)能量流動微觀模型建構(gòu)

教師提問：同化量指某一營養(yǎng)級從外環(huán)境獲得的全部能量。第一營養(yǎng)級同化量即生產(chǎn)者固定的太陽能總量，除了通過呼吸作用直接散失，其余能量通過生命活動流入分解者與初級消費(fèi)者。如何建構(gòu)模型展示此傳遞過程？

教師提示：生產(chǎn)者同化量一部分通過呼吸作用直接散失，另一部分用于生長、發(fā)育和繁殖，進(jìn)而流入分解者與初級消費(fèi)者（同時展示模型的起始進(jìn)行引導(dǎo)。）

學(xué)生建模：學(xué)生討論后根據(jù)教師提示與起始模型，建構(gòu)“能量流經(jīng)生產(chǎn)者（第一營養(yǎng)級）的示意圖”（圖4）。

圖4 能量流經(jīng)生產(chǎn)者示意圖

教師提問：能量如何流經(jīng)初級消費(fèi)者（第二營養(yǎng)級）？

教師通過課件展示模型中初級消費(fèi)者攝入與初級消費(fèi)者同化兩方框，提問：初級消費(fèi)者同化量如何表示？是否就是攝入量？

學(xué)生閱讀教材解答初級消費(fèi)者攝入量與同化量的概念與關(guān)系。

教師強(qiáng)調(diào)：在代入具體數(shù)值計算時，某一營養(yǎng)級的糞便量應(yīng)歸于上一營養(yǎng)級流入分解者的能量當(dāng)中。

學(xué)生建模：學(xué)生討論后根據(jù)圖4及教師提示，建構(gòu)“能量流經(jīng)初級消費(fèi)者的示意圖”（圖5）。

圖5 能量流經(jīng)初級消費(fèi)者示意圖

總結(jié)概念：能量在生態(tài)系統(tǒng)中由太陽能輸入，在各營養(yǎng)級間及各營養(yǎng)級與分解者間傳遞，經(jīng)光合作用和呼吸作用進(jìn)行轉(zhuǎn)化以及呼吸作用的散失過程。學(xué)生分析后總結(jié)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的概念。

設(shè)計意圖：該部分模型較為復(fù)雜。因此，教師首先在講解中展示雛形，由學(xué)生完善模型、總結(jié)概念。以學(xué)生為主體，將抽象過程具體化，提高學(xué)生的科學(xué)思維能力。教材優(yōu)先展示“能量流經(jīng)第二營養(yǎng)級的示意圖”，再展示“生態(tài)系統(tǒng)能量流動的示意圖”。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對于微觀的能量流動過程難以理解，因此，該部分的教學(xué)設(shè)置為由宏觀到微觀步步遞進(jìn)，便于學(xué)生理解。

（三）解釋

教師提問：生態(tài)系統(tǒng)中每一營養(yǎng)級的能量是否全部傳遞到下一營養(yǎng)級？能量在生態(tài)系統(tǒng)中流動有什么特點(diǎn)？

學(xué)生探究：學(xué)生根據(jù)教師展示的“賽達(dá)伯格湖的能量流動圖解”（圖6）從方向與數(shù)值兩個方面分析總結(jié)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的特點(diǎn)。

圖6 賽達(dá)伯格湖的能量流動圖解［單位：J/(cm2·a)］

1.單向流動

學(xué)生總結(jié)：從方向上分析，生態(tài)系統(tǒng)的能量流動具有單向流動的特點(diǎn)。

學(xué)生解釋：由于在食物鏈和食物網(wǎng)中，箭頭只能由被捕食者指向捕食者。因此，生態(tài)系統(tǒng)的能量單向流動且無法循環(huán)往復(fù)。

2.逐級遞減（傳遞效率在10%～20%左右）

學(xué)生總結(jié)：從數(shù)值上分析，生態(tài)系統(tǒng)的能量流動具有逐級遞減的特點(diǎn)

教師提示：除逐級遞減外，傳遞效率是否有一定范圍？并解釋：某一營養(yǎng)級同化量與上一營養(yǎng)級同化量之比×100%，表示上一營養(yǎng)級與某一營養(yǎng)級之間的能量傳遞效率。各小組如何根據(jù)“討論1”設(shè)計一份小組清單用以探究生態(tài)系統(tǒng)的能量傳遞效率？

學(xué)生歸納總結(jié)：學(xué)生設(shè)計并完成表1?？偨Y(jié)生態(tài)系統(tǒng)能量流動在數(shù)值上的特點(diǎn)，即逐級遞減（傳遞效率在10%～20%左右）。

表1 賽達(dá)伯格湖的能量流動數(shù)據(jù)處理

教師提問：思考“討論3”，為什么能量在傳遞過程中逐級遞減？

學(xué)生討論回答：學(xué)生從某營養(yǎng)級能量的去路解釋能量逐級遞減原因。

教師解釋：任何生態(tài)系統(tǒng)都需要不斷得到來自系統(tǒng)外的能量補(bǔ)充，包括自然的太陽能輸入和人工的化肥投入等，以便維持生態(tài)系統(tǒng)的正常功能。同時，教師解答上一節(jié)遺留問題“食物鏈為何一般不超過5個環(huán)節(jié)”，講解未利用的能量。

學(xué)生討論修改后展示本小組所得結(jié)論及模型，回答：箭頭、方框逐級變小表示生態(tài)系統(tǒng)能量流動逐級遞減，且箭頭只能由被捕食者指向捕食者,表示生態(tài)系統(tǒng)能量單向流動。

教師總結(jié)：教師評價學(xué)生小組成果，與學(xué)生共同總結(jié)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動過程、概念、特點(diǎn)及原因分析。

小組修正總結(jié)：學(xué)生小組根據(jù)教師的解釋，結(jié)合小組成果對本節(jié)概念及模型進(jìn)行修正與總結(jié)。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過小組合作，運(yùn)用解讀模型、計算和歸納等方式得出生態(tài)系統(tǒng)能量流動的特點(diǎn)，提高模型解讀能力。學(xué)生根據(jù)教師解釋進(jìn)行成果的修正與總結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生提煉信息與發(fā)現(xiàn)問題、修正問題的能力。

（四）遷移

教師設(shè)疑：假設(shè)問題探討中一只雞和15 ㎏玉米所含有的能量分別是100 KJ和400 KJ，且玉米中供人食用和喂雞的能量之比為3∶1，根據(jù)各小組選擇的方案計算魯濱遜分別最多獲得的能量。

學(xué)生探究：學(xué)生將能量傳遞效率確定為20%以獲得最多能量，各小組根據(jù)所選方案進(jìn)行計算并交流結(jié)果，最終確定方案1獲得更多能量。

課后思考：方案1使魯濱遜獲得更長的等待救援時間，如果魯濱遜所漂流的荒島被發(fā)現(xiàn)的可能性很小，如何運(yùn)用生態(tài)系統(tǒng)能量流動知識設(shè)計方案以維持最長等待時間？思考所設(shè)計方案的檢驗方式。

設(shè)計意圖：在學(xué)生解決問題的同時，檢驗他們對生態(tài)系統(tǒng)能量流動特點(diǎn)及能量傳遞效率有關(guān)計算的掌握程度，通過課后實際問題的靈活思考，實現(xiàn)理論與實際相結(jié)合，促使學(xué)生利用生物學(xué)知識解決實際問題，提高學(xué)生科學(xué)探究能力。

（五）評價

過程性評價：學(xué)生小組在本節(jié)建構(gòu)并修正了5個模型，根據(jù)后期幾個模型建構(gòu)的速度和準(zhǔn)確度等可對學(xué)生的建模能力進(jìn)行評價。同時，教師解讀“賽達(dá)伯格湖的能量流動圖解”后，根據(jù)學(xué)生對生態(tài)系統(tǒng)能量流動特點(diǎn)總結(jié)的完善度與準(zhǔn)確度再一次評價學(xué)生解讀模型的能力。在遷移環(huán)節(jié)，學(xué)生通過計算得出最佳方案并從生態(tài)系統(tǒng)能量流動角度思考實際問題，進(jìn)一步對學(xué)生進(jìn)行多元化評價。

綜合評價：學(xué)生結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)的能量流動知識思考如何獲得最多能量，從綜合角度評價學(xué)生對生態(tài)系統(tǒng)能量流動過程和特點(diǎn)的掌握程度。

設(shè)計意圖：通過模型建構(gòu)過程與課后作業(yè)，多方面進(jìn)行鞏固與評價，體現(xiàn)評價的多元化。

四、教學(xué)反思

（一）學(xué)生建構(gòu)與修改模型耗時長

由于“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”一課涉及模型較多，學(xué)生在建構(gòu)與修改模型時耗費(fèi)大量時間。因此，教師應(yīng)將簡單模型交與學(xué)生討論后完成，教師只做修正提示；復(fù)雜模型引導(dǎo)學(xué)生先分析過程，明確所要完成的任務(wù)，隨后根據(jù)復(fù)雜程度選擇提供起始模型或者由學(xué)生小組獨(dú)立完成剩余任務(wù)。

（二）教師需加強(qiáng)模型建構(gòu)過程引導(dǎo)

學(xué)生首次接觸如何分析生態(tài)系統(tǒng)的能量流動，對于某一營養(yǎng)級能量的來源和去路及去路的具體用途等還不熟悉。因此，教師在進(jìn)行模型建構(gòu)教學(xué)的過程中要通過適當(dāng)引導(dǎo)、合理提示和加強(qiáng)課堂巡視等方式，及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生困惑并引導(dǎo)學(xué)生思考解答。

（三）課后習(xí)題還需進(jìn)一步完善

由于課時限制，課堂檢測僅設(shè)置了課前探討遺留問題的解決，學(xué)生對于所建構(gòu)模型在生態(tài)系統(tǒng)能量流動習(xí)題解答過程中的意義還未明晰，教師可在課后設(shè)置相應(yīng)習(xí)題，便于學(xué)生明確概念，充分理解生態(tài)系統(tǒng)能量流動過程并解決相關(guān)計算問題。