真實(shí)情境推動(dòng)下構(gòu)建“生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)”模型的教學(xué)設(shè)計(jì)

摘要：本文基于新疆綠色生態(tài)種養(yǎng)的真實(shí)情境，以“生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)”為例，設(shè)計(jì)了通過(guò)構(gòu)建模型生成概念的教學(xué)，以“鴨稻共生”的真實(shí)情境提出問(wèn)題，初構(gòu)碳循環(huán)模型；以新疆北鯢種群數(shù)量變化的事實(shí)，深化碳循環(huán)概念模型；創(chuàng)設(shè)微塑料沿陸地食物鏈傳遞的情境，進(jìn)一步優(yōu)化模型。最終幫助學(xué)生構(gòu)建“生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)在生物群落與無(wú)機(jī)環(huán)境之間不斷循環(huán)”的概念。

關(guān)鍵詞：真實(shí)情境；物質(zhì)循環(huán)；模型構(gòu)建；生物富集

文章編號(hào)：1003-7586（2024）05-0041-04 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1教材與學(xué)情分析

“生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)”是人教版普通高中教科書(shū)《生物學(xué)·選擇性必修2·生物與環(huán)境》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“教材”）第3章第3節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容較全面，主要包括碳循環(huán)、生物富集、能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)的關(guān)系等內(nèi)容，分析了地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)一生物圈中發(fā)生的循環(huán)過(guò)程，涉及呼吸作用、光合作用、微生物分解作用、食物鏈和食物網(wǎng)等知識(shí)點(diǎn)，又包含能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)學(xué)習(xí)內(nèi)容。前期學(xué)習(xí)的種群、群落等知識(shí)為本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，可以幫助學(xué)生更加深入地探究生物群落與環(huán)境的關(guān)系。能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)是生態(tài)系統(tǒng)的兩大功能，二者相互依存，不可分割。因此，本節(jié)課有利于學(xué)生理解生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)統(tǒng)一的整體，從而樹(shù)立結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出，生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在解決真實(shí)情境中的實(shí)際問(wèn)題時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的價(jià)值觀、必備品格與關(guān)鍵能力，是學(xué)生知識(shí)、能力、情感態(tài)度與價(jià)值觀的綜合體現(xiàn)。因此，在教學(xué)過(guò)程中教師應(yīng)該設(shè)置真實(shí)情境，融人社會(huì)新聞，讓學(xué)生積極主動(dòng)參與到課堂中，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)模擬圖構(gòu)建碳循環(huán)模型，進(jìn)行圖文轉(zhuǎn)化，發(fā)展科學(xué)思維。

日本排放核污水是當(dāng)下的熱點(diǎn)新聞，教師可以引導(dǎo)學(xué)生基于這一情境探討生物富集現(xiàn)象，在學(xué)生積極探究的過(guò)程中培養(yǎng)其社會(huì)責(zé)任感，樹(shù)立人與自然和諧共生的觀念，形成生態(tài)意識(shí)，成為綠色低碳生活的踐行者，發(fā)展其核心素養(yǎng)。

2教學(xué)目標(biāo)

（1）通過(guò)分析教材中碳循環(huán)示意圖，采用合作學(xué)習(xí)的方法，構(gòu)建碳循環(huán)的過(guò)程模型，使知識(shí)結(jié)構(gòu)化，增強(qiáng)理解能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)力。

（2）基于新疆北鯢種群數(shù)量變化的事實(shí)，結(jié)合二氧化碳排放量和地表溫度變化的圖表，進(jìn)行原因的探究式學(xué)習(xí)，以發(fā)展學(xué)生判斷推理的科學(xué)思維，從而關(guān)注溫室效應(yīng)給生物圈帶來(lái)的危害，形成低碳生活的生態(tài)意識(shí)。

（3）通過(guò)分析微塑料對(duì)陸地食物鏈的影響，引發(fā)對(duì)核污水中放射性元素去路的思考，從而明確生物富集的內(nèi)涵。并針對(duì)日常生活中的環(huán)境污染，提出科學(xué)化建議，提升學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的思維能力，增強(qiáng)其社會(huì)責(zé)任感。

3教學(xué)過(guò)程

3.1創(chuàng)設(shè)綠色生態(tài)種養(yǎng)情境，導(dǎo)入新課

教師以“新疆溫宿‘鴨稻共生’種養(yǎng)”視頻導(dǎo)入課堂，提出問(wèn)題：為什么將鴨子養(yǎng)殖和水稻種植相結(jié)合？這樣做的優(yōu)勢(shì)是什么？

學(xué)生根據(jù)已有知識(shí)及生活經(jīng)驗(yàn)得出鴨子能捕食水稻中的雜草和昆蟲(chóng)，鴨糞可以充當(dāng)肥料等結(jié)論，從而對(duì)“鴨稻綜合種養(yǎng)”所蘊(yùn)含的生物學(xué)知識(shí)產(chǎn)生興趣。教師鼓勵(lì)學(xué)生多關(guān)注生活中的生態(tài)農(nóng)業(yè)，大膽設(shè)想并進(jìn)行探究，引出生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的話題，導(dǎo)入新課。

設(shè)計(jì)意圖：觀看“新疆鄉(xiāng)村振興項(xiàng)目‘溫宿大米’的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式”視頻，讓學(xué)生對(duì)“鴨稻共生”種養(yǎng)模式有整體的感知，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)探究的興趣，同時(shí)感受?chē)?guó)家鄉(xiāng)村振興政策的意義，樹(shù)立人與自然、資源與生態(tài)、發(fā)展與環(huán)境和諧共存的生態(tài)意識(shí)，也為構(gòu)建碳循環(huán)模型建立學(xué)習(xí)背景。

3.2深化綠色生態(tài)種養(yǎng)情境，建拘碳循環(huán)模型

教師提問(wèn)：如果不將水稻和鴨子一起種養(yǎng)，鴨子產(chǎn)生的物質(zhì)和能量會(huì)去哪里？

基于已有的認(rèn)知，學(xué)生會(huì)考慮到消費(fèi)者的捕食。教師以此為契機(jī)，展示“‘鴨稻共生’農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的模型圖”，讓學(xué)生描述水稻、鴨子、其他消費(fèi)者間物質(zhì)變化的過(guò)程，初步體悟碳循環(huán)過(guò)程。教師在此基礎(chǔ)上進(jìn)行提問(wèn)：碳在非生物環(huán)境和生物體內(nèi)以什么形式存在？大氣中的二氧化碳通過(guò)哪種生命活動(dòng)進(jìn)入生物群落？碳在生物群落中通過(guò)什么途徑傳播？碳返回非生物的途徑又是什么？

學(xué)生基于現(xiàn)有知識(shí)儲(chǔ)備，可正確回答出以上問(wèn)題。隨后教師要求學(xué)生根據(jù)教材第62頁(yè)碳循環(huán)示意圖，用語(yǔ)言或流程圖的形式描述或表示出碳元素在生物群落和非生物環(huán)境之間的循環(huán)過(guò)程。舉例說(shuō)明大氣中二氧化碳的源與匯，以及二氧化碳進(jìn)入生物群落的方式和去向，嘗試構(gòu)建碳循環(huán)模型（見(jiàn)圖1）。

設(shè)計(jì)意圖：從“鴨稻共生”引申到生態(tài)圈，從局部到整體，由小及大，生活化真實(shí)情境能幫助學(xué)生更好地探究、理解生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)。通過(guò)語(yǔ)言或示意圖描述或表示碳元素的循環(huán)過(guò)程能更好地發(fā)展學(xué)生的圖文轉(zhuǎn)化能力以及語(yǔ)言表達(dá)能力。通過(guò)小組歸納分析，順其自然地將圖片中的動(dòng)植物及微生物等歸納為生產(chǎn)者、消費(fèi)者、分解者等，從而構(gòu)建碳循環(huán)的模型，提升學(xué)生歸納概括以及抽象概念具象化的能力。

3.3分析資料提出問(wèn)題，探究釋疑

教師引導(dǎo)學(xué)生分析資料并提出問(wèn)題：二氧化碳源與匯的平衡對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)平衡具有重要意義，當(dāng)二氧化碳的來(lái)源與去路不能達(dá)到平衡時(shí)會(huì)有什么影響？師生共同探究問(wèn)題。

3.3.1碳循環(huán)失衡——溫室效應(yīng)

教師呈現(xiàn)資料，并引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)模型，結(jié)合資料回答問(wèn)題：全球氣溫升高的原因是什么？氣溫升高給生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)哪些影響？根據(jù)構(gòu)建的模型，你能為減少碳排放提出哪些建議？

資料一 工業(yè)革命以來(lái)的人類(lèi)活動(dòng)，導(dǎo)致大氣中溫室氣體濃度顯著增加，加劇了全球變暖。美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）的數(shù)據(jù)顯示（見(jiàn)圖2），2022年全球年平均大氣二氧化碳濃度，比工業(yè)革命前高出50％。同時(shí)數(shù)據(jù)顯示，從1880年以來(lái)全球地表溫度每十年上升0.14℃，1981年以來(lái)全球變暖的速度增加了一倍多，2022年平均溫度較工業(yè)化前提高了1.2℃。

資料二 具有“活化石”之稱(chēng)的新疆北鯢被列為“極危”物種。野生北鯢被發(fā)現(xiàn)時(shí)其數(shù)量不足3 000尾。冬季降雪量減少，冰川面積減退致使北鯢棲息地干涸是北鯢數(shù)量減少的原因之一。

資料三 習(xí)近平總書(shū)記提出生態(tài)文明思想，2020年在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上鄭重宣示：中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。2021年國(guó)務(wù)院新聞辦公室發(fā)表《中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化的政策與行動(dòng)》白皮書(shū)，介紹中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化的進(jìn)展，分享中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，為國(guó)際社會(huì)做出榜樣。

學(xué)生結(jié)合資料討論、表達(dá)觀點(diǎn)：過(guò)度的人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致溫室氣體排放過(guò)量，從而加劇了全球變暖。異常的氣溫變化導(dǎo)致全球極端天氣、氣候事件增加，造成新疆北鯢喪失棲息地、冰川消融、海平面上升等問(wèn)題。在國(guó)家層面，各國(guó)應(yīng)該加強(qiáng)國(guó)際合作，共同面對(duì)全球變暖危機(jī)，控制化石能源使用，發(fā)展綠色低碳產(chǎn)業(yè)，多植樹(shù)造林，加快形成綠色發(fā)展的空間格局，從而促進(jìn)空氣中二氧化碳的吸收，減少二氧化碳排放量，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。在社會(huì)層面，政府要鼓勵(lì)植樹(shù)種草，提高森林覆蓋率以增加二氧化碳吸收量，提高公民生態(tài)意識(shí)，呼吁人人參與保護(hù)地球行動(dòng)。在個(gè)人層面，公民應(yīng)該改變生活方式，例如，選擇公共交通、共享單車(chē)等綠色出行方式，拒絕使用一次性用品，選擇購(gòu)買(mǎi)環(huán)保產(chǎn)品，踐行垃圾分類(lèi)原則等。在學(xué)生分析資料之后教師還需引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步深化碳循環(huán)模型（見(jiàn)圖3）。

設(shè)計(jì)意圖：以“1880-2022年全球大氣二氧化碳年排放量對(duì)比及全球平均地表溫度圖”為背景，分析得出全球平均表面溫度與大氣二氧化碳濃度的變化規(guī)律，從而得出溫室效應(yīng)產(chǎn)生的原因，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題的能力并進(jìn)一步深化碳循環(huán)模型以促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。以新疆北鯢受全球變暖的影響，其種群數(shù)量減少的真實(shí)案例，讓學(xué)生切身感受全球變暖對(duì)生物的影響，意識(shí)到保護(hù)環(huán)境迫在眉睫。國(guó)家相關(guān)政策的實(shí)施讓學(xué)生感受?chē)?guó)家對(duì)于環(huán)境問(wèn)題的重視并樹(shù)立生態(tài)意識(shí)，討論不同層面節(jié)能減排的措施，倡導(dǎo)低碳生活，提出人與環(huán)境和諧共處的理念，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感。

3.3.2環(huán)境污染—一生物富集

資料四 塑料制品在生活中處處可見(jiàn)，如塑料袋、水杯、筆、洗臉盆等。在享受塑料制品給人類(lèi)的生活帶來(lái)便利的同時(shí)，塑料污染也成為全球國(guó)際環(huán)境問(wèn)題之一。微塑料是直徑小于5 mm的塑料顆粒，土壤中微塑料的來(lái)源主要有農(nóng)用薄膜殘留土地、有機(jī)肥料、大氣沉降等。研究發(fā)現(xiàn)，土壤中的微塑料可沿土壤－蚯蚓－雞這條食物鏈傳遞（見(jiàn)圖4），土壤到蚯蚓的微塑料富集系數(shù)為12.7，而到雞糞的微塑料富集系數(shù)高達(dá)105，同時(shí)雞的砂囊中也發(fā)現(xiàn)了微塑料的存在。并且，在遙遠(yuǎn)的南極，科考隊(duì)在海水和降雪中均發(fā)現(xiàn)了微塑料。

教師引導(dǎo)學(xué)生思考：微塑料會(huì)不會(huì)進(jìn)入人體？通過(guò)什么樣的方式進(jìn)入？南極微塑料是怎樣出現(xiàn)的？

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)分析，學(xué)生得出微塑料隨食物鏈富集，雞砂囊作為食材會(huì)被人體攝人，從而威脅人類(lèi)身體健康。南極微塑料的出現(xiàn)與大氣沉降、洋流輸送等有關(guān)，體現(xiàn)生物富集現(xiàn)象的全球性。學(xué)生初步理解生物富集現(xiàn)象的內(nèi)涵。

資料五 2023年8月24日，日本正式將核污水排放入海。據(jù)報(bào)道在排?？诟浇杉暮Ｋ畼颖局?，自排放以來(lái)首次檢測(cè)到放射性元素氚。人類(lèi)過(guò)量吸人氚或暴露在氚放射線下，會(huì)增加患癌的風(fēng)險(xiǎn)。早在2023年5月，日本福島附近海域捕獲的石斑魚(yú)、黑鮋等先后被檢測(cè)出輻射水平超標(biāo)。研究表明，核污水中的放射性元素進(jìn)入海洋后會(huì)參與大氣循環(huán)，大氣循環(huán)有可能將核污染水蒸發(fā)到云層。

以放射性元素氚傳遞為例，教師請(qǐng)五位同學(xué)進(jìn)行角色扮演，分別扮演核污水中放射性元素氚、海水中浮游微型藻類(lèi)、蝦蟹甲殼類(lèi)動(dòng)物、石斑魚(yú)和人類(lèi)，并引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合本節(jié)課所學(xué)知識(shí)，描述氚元素的“旅程”。

學(xué)生在分析溫室效應(yīng)及生物富集現(xiàn)象后，進(jìn)一步優(yōu)化“生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)”概念模型（見(jiàn)圖5），形成“生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)在生物群落與無(wú)機(jī)環(huán)境之間不斷循環(huán)”的概念。

設(shè)計(jì)意圖：依據(jù)序進(jìn)累積規(guī)律，選取貼近學(xué)生生活的情境，以微塑料沿著食物鏈傳遞為例，引導(dǎo)學(xué)生初步學(xué)習(xí)生物富集，并組織學(xué)生進(jìn)行角色扮演，理解生物富集現(xiàn)象的本質(zhì)，生成“生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)”的概念，同時(shí)對(duì)日本核污水排放的行為作出理性判斷，樹(shù)立正確的價(jià)值觀。

3.4情境視角轉(zhuǎn)換，提升問(wèn)題解決能力

教師引導(dǎo)學(xué)生闡述“鴨稻共生”種養(yǎng)模式的優(yōu)點(diǎn)及必要性。學(xué)生在討論過(guò)程中自然地將能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)聯(lián)系起來(lái)，發(fā)現(xiàn)二者相互依存，不可分割。

隨后教師呈現(xiàn)資料：2023年8月24日，我國(guó)海關(guān)總署發(fā)布公告全面暫停進(jìn)口日本海產(chǎn)品。在大家擔(dān)心未來(lái)所食海鮮安全之際，“新疆產(chǎn)海鮮”在網(wǎng)絡(luò)上引發(fā)熱議，原因是新疆尼勒克縣優(yōu)質(zhì)的冷水資源為三文魚(yú)創(chuàng)造了優(yōu)質(zhì)的生活條件。

由此教師設(shè)置探究任務(wù)：請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)新疆具備的生態(tài)資源，從能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)的角度，同時(shí)盡可能結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)手段，為新疆設(shè)計(jì)一份現(xiàn)代化規(guī)劃圖，既實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，又體現(xiàn)環(huán)境保護(hù)。

設(shè)計(jì)意圖：規(guī)劃圖的設(shè)計(jì)讓學(xué)生將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活，同時(shí)培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)及收集信息的能力，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中學(xué)生能更加深入地理解生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)統(tǒng)一的整體，樹(shù)立生態(tài)文明建設(shè)意識(shí)，積極參與環(huán)境保護(hù)實(shí)踐。

4教學(xué)反思

真實(shí)情境的創(chuàng)設(shè)，將課堂與學(xué)生實(shí)際生活聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生主體意識(shí)，發(fā)揮學(xué)生主體作用。本節(jié)課以新疆“鴨稻共生”種養(yǎng)的真實(shí)情境為背景，激發(fā)學(xué)生的好奇心與探索欲。在綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)模式的真實(shí)情境中，通過(guò)討論分析逐步建構(gòu)模型，發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維。同時(shí)教師布置利用本土資源為家鄉(xiāng)設(shè)計(jì)新時(shí)代規(guī)劃圖的探究作業(yè)，讓學(xué)生在考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)重視環(huán)境問(wèn)題，樹(shù)立生態(tài)意識(shí)，學(xué)會(huì)保護(hù)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生的愛(ài)家、愛(ài)國(guó)情懷。新疆地區(qū)孕育了獨(dú)特的農(nóng)業(yè)生態(tài)模式，其中“鴨稻共生”“林果套種”“草畜平衡”等模式尤為典型，不僅展現(xiàn)了人與自然的和諧共生，更體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的智慧。

本節(jié)教學(xué)深入探討這些模式的生態(tài)原理、經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)價(jià)值，引導(dǎo)學(xué)生理解生態(tài)農(nóng)業(yè)的多重意義。