基于真實(shí)科研情境的“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”復(fù)習(xí)課教學(xué)設(shè)計(jì)

摘 要：本文根據(jù)“紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”這一真實(shí)案例，以科研論文為素材，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境進(jìn)行高考生物學(xué)復(fù)習(xí)課的教學(xué)設(shè)計(jì)，旨在通過真實(shí)的科研情境幫助學(xué)生完成重要概念的復(fù)習(xí)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力。

關(guān)鍵詞：真實(shí)情境；生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)；關(guān)鍵能力

文章編號：1003-7586（2024）09-0027-04 中圖分類號：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

真實(shí)情境基于日常生活、生產(chǎn)實(shí)踐或科學(xué)研究。教師通過真實(shí)情境設(shè)計(jì)教學(xué)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生逐步構(gòu)建高中生物學(xué)概念體系，從而幫助學(xué)生將所學(xué)的生物學(xué)知識遷移運(yùn)用于解決生產(chǎn)、生活中的實(shí)際問題，促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。同時(shí)，真實(shí)情境的創(chuàng)設(shè)應(yīng)注重設(shè)置關(guān)鍵問題，以激發(fā)學(xué)生的思維碰撞，培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力。

科研論文反映了科研工作者在現(xiàn)實(shí)條件下開展的科學(xué)實(shí)驗(yàn)過程，其以真實(shí)的數(shù)據(jù)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嫼涂陀^的闡述為特征，旨在揭示客觀規(guī)律。本文以高考生物學(xué)復(fù)習(xí)課“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”為例，探索高考復(fù)習(xí)中通過科研論文素材創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境的教學(xué)策略和途徑，基于真實(shí)科研情境進(jìn)行高考復(fù)習(xí)教學(xué)，凸顯高考評價(jià)體系的核心價(jià)值。

1 教材分析及設(shè)計(jì)思路

1.1 教學(xué)分析

“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”為人教版普通高中教科書《生物學(xué)·選擇性必修2·生物與環(huán)境》（以下簡稱“教材”）第3章第2節(jié)的內(nèi)容?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）對本節(jié)的內(nèi)容要求是，分析生態(tài)系統(tǒng)中的能量在生物群落中單向流動并逐級遞減的規(guī)律；對應(yīng)的學(xué)業(yè)要求為，使用圖示等方式展示和說明生態(tài)系統(tǒng)中能量流動的過程和特征，并對相關(guān)的生態(tài)學(xué)實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行合理的分析和判斷。在新授課中，教師已經(jīng)完成“介紹能量流動的概念”“分析能量流動的過程和特點(diǎn)”“研究的實(shí)踐意義”等內(nèi)容的教學(xué)，同時(shí)，學(xué)生已能夠基于概念和過程繪制生態(tài)系統(tǒng)能量流動的示意圖。

1.2 情境選擇與設(shè)計(jì)思路

基于上述的教學(xué)分析，本復(fù)習(xí)課選取“紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”作為真實(shí)情境。紅樹林生態(tài)系統(tǒng)是世界四大最具生物多樣性的海洋生態(tài)系統(tǒng)之一。紅樹林作為該生態(tài)系統(tǒng)的典型濕地木本植物群落，擁有巨大的生物量和生產(chǎn)力，對生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動至關(guān)重要。 ［1］

因此，本教學(xué)設(shè)計(jì)基于論文《紅樹林對魚類的吸引及能量標(biāo)簽技術(shù)在紅樹林生態(tài)系統(tǒng)能流研究中的應(yīng)用》創(chuàng)設(shè)真實(shí)科研情境，并適當(dāng)補(bǔ)充其他相關(guān)研究素材用以充實(shí)情境。該研究通過能量標(biāo)簽技術(shù)與胃含物分析法研究了魚類與紅樹林的營養(yǎng)關(guān)系，提出“魚類的主要能量來源是藻類”的新觀點(diǎn)，顛覆了“紅樹凋落物為魚類的主要能量來源”的傳統(tǒng)觀點(diǎn)。 ［2］新舊觀點(diǎn)之間的碰撞、沖突使問題情境具有復(fù)雜性和可批判性，有利于學(xué)生在復(fù)習(xí)過程中形成科學(xué)思維和批判性思維。具體教學(xué)設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）通過分析紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的能量流動模型圖，闡述生態(tài)系統(tǒng)能量流動的過程與特點(diǎn)（生命觀念）。

（2）通過研究魚類的能量來源，簡述如何研究生態(tài)系統(tǒng)的能量流動過程，掌握科學(xué)探究的方法（科學(xué)探究）。

（3）基于紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的能量流動實(shí)驗(yàn)證據(jù)，修正并完善紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的能量流動模型圖，訓(xùn)練構(gòu)建概念模型的能力，培養(yǎng)批判性思維（科學(xué)思維）。

（4）以紅樹林為例，分析與闡述生物多樣性的價(jià)值，形成生態(tài)意識，參與環(huán)境保護(hù)實(shí)踐（社會責(zé)任）。

3 教學(xué)過程

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入問題

教師播放紅樹林視頻“航拍珠?！?，展示紅樹林生態(tài)系統(tǒng)中的復(fù)雜食物網(wǎng)，并提出核心問題：推測食物網(wǎng)中魚類的能量主要源自哪些生產(chǎn)者，并闡釋原因。

學(xué)生根據(jù)已有的紅樹林基本情況和食物網(wǎng)展開討論分析。多數(shù)學(xué)生認(rèn)為紅樹植物具有光合作用強(qiáng)、種群數(shù)量多的特點(diǎn)，進(jìn)而提出觀點(diǎn)“魚類的主要能量來源是紅樹凋落物”。少部分學(xué)生注意到復(fù)雜食物網(wǎng)中個(gè)別魚類和螃蟹是以海藻為食，且相較于紅樹植物的食物鏈，藻類作為生產(chǎn)者的食物鏈更短，魚類獲得的能量更高，從而提出觀點(diǎn)“魚類的主要能量來源是藻類”。

設(shè)計(jì)意圖：教師通過紅樹林生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)中的捕食關(guān)系，引出本設(shè)計(jì)案例的核心問題“紅樹林生態(tài)系統(tǒng)中魚類的能量來源”。教師要求學(xué)生結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)和知識儲備分析討論，得出兩種主要觀點(diǎn)。本設(shè)計(jì)案例以紅樹林創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，開啟探討核心問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)。

3.2 分析情境，論證觀點(diǎn)

教師通過整理文獻(xiàn)資料創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生在真實(shí)情境中論證核心問題“魚類的能量來源”。

情境一：關(guān)于藻類的生產(chǎn)力的數(shù)據(jù)表明浮游藻類在紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力總值中占20％～50％；在巴布亞新幾內(nèi)亞的紅樹林河口中，浮游藻類占到生產(chǎn)力總值的20％。 ［3］

情境二：教師提供紅樹林生態(tài)系統(tǒng)能流示意圖（見圖2）。

情境三：紅樹是一種富含纖維素的植物，魚類對其吸收和轉(zhuǎn)化的效率較低。因此，紅樹凋落物必須先經(jīng)甲殼類動物的消化處理，才能被魚類有效利用。相比之下，藻類等植物可以直接被魚類取食?；诖?，當(dāng)?shù)攘康募t樹凋落物和藻類同時(shí)進(jìn)入食物鏈時(shí)，最終進(jìn)入魚類體內(nèi)的藻類能量大約會比紅樹凋落物高出10倍。

根據(jù)以上情境，教師設(shè)置系列問題：能否從群落結(jié)構(gòu)的角度分析藻類生產(chǎn)力比紅樹植物生產(chǎn)力低的原因？圖2中的箭頭在能量流動過程中所代表的含義是什么？圖2中紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的能量流動支持上述哪個(gè)觀點(diǎn)？圖2中紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的能量流動缺失哪些能量去向？請利用能量流動的特點(diǎn)分析情境三的觀點(diǎn)。

學(xué)生活動：學(xué)生從藻類和紅樹植物的垂直分布出發(fā)，推測第一個(gè)問題的答案與植物的分布空間有關(guān)，林下的藻類獲得光照更少，光合作用受到抑制，因此生產(chǎn)力更弱。學(xué)生通過回顧能量流動的過程，分析紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的能量流動，理解各個(gè)箭頭所代表的不同流向，即一部分能量被同化進(jìn)入下一個(gè)營養(yǎng)級，一部分流向沉積物，一部分作為未被利用的能量殘留，而另一部分則可能轉(zhuǎn)移至其他生態(tài)系統(tǒng)。圖中缺失的能量去向是流向分解者和生物通過呼吸作用以熱能形式散失的兩個(gè)能量去向。學(xué)生根據(jù)對情境三的分析，推測情境三的觀點(diǎn)是“魚類的主要能量來源是紅樹凋落物”。由于能量流動的逐級遞減特性，藻類相比紅樹植物更適合作為魚類的主要食物來源，該結(jié)論支持另一觀點(diǎn)“魚類的主要能量來源是藻類”。

設(shè)計(jì)意圖：教師提供三個(gè)新情境素材來補(bǔ)充說明“紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”這一真實(shí)情境，既能引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)與掌握能量流動的過程，又能發(fā)展學(xué)生的邏輯思維。學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的能量流動過程和特點(diǎn)、群落結(jié)構(gòu)等知識解決實(shí)際問題。結(jié)合素材和所學(xué)知識，學(xué)生嘗試尋找證據(jù)以支撐觀點(diǎn)。然而，兩個(gè)相互矛盾的觀點(diǎn)均有證據(jù)支持，引發(fā)了進(jìn)一步的討論和修正。教師通過創(chuàng)造認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生對于新事物的好奇心和探索欲。學(xué)生嘗試運(yùn)用生物學(xué)知識和科學(xué)思維方法支撐自己的觀點(diǎn)，做到具體問題具體分析，這一過程促進(jìn)了學(xué)生批判性思維的培養(yǎng)。

3.3 設(shè)計(jì)方案，繼續(xù)論證

教師根據(jù)上述觀點(diǎn)的討論情況，提出問題：應(yīng)當(dāng)采用什么研究方法探究該生態(tài)系統(tǒng)中魚類的主要能量來源？

學(xué)生活動：學(xué)生根據(jù)已掌握的實(shí)驗(yàn)操作，提出利用單一變量原則與對照原則進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。例如，選取數(shù)量相同、體型相當(dāng)?shù)耐N魚類，均分為兩組，一組以紅樹凋落物作為食物，另一組以藻類作為食物，對比魚群的進(jìn)食量。除了開展實(shí)驗(yàn)，部分學(xué)生提出利用觀察的方法，分析魚類消化道中的食物成分。

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原則，設(shè)計(jì)可行的實(shí)驗(yàn)方案，同時(shí)檢驗(yàn)學(xué)生對科學(xué)探究基本思路和方法的掌握程度。此外，教師可以將科研論文中多樣的實(shí)驗(yàn)方法適度轉(zhuǎn)化并呈現(xiàn)給學(xué)生，從而開闊學(xué)生的視野，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

3.4 實(shí)驗(yàn)證據(jù)，得出結(jié)論

為進(jìn)一步深入探討核心問題“魚類的能量來源”，教師呈現(xiàn)論文《紅樹林對魚類的吸引及能量標(biāo)簽技術(shù)在紅樹林生態(tài)系統(tǒng)能流研究中的應(yīng)用》中關(guān)于“胃含物分析”和“能量標(biāo)簽技術(shù)”的實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并設(shè)置系列任務(wù)：請根據(jù)胃含物分析的數(shù)據(jù)討論魚類的食物來源；根據(jù)能量標(biāo)簽技術(shù)的原理分析數(shù)據(jù)，總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論；根據(jù)上述結(jié)論，對圖2紅樹林的生態(tài)系統(tǒng)能流進(jìn)行修改和完善；分析得到的新結(jié)論和完善的能量流動圖，是否與紅樹林生態(tài)系統(tǒng)具有生物多樣性的原因存在矛盾？ ［2］

學(xué)生活動：學(xué)生根據(jù)胃含物分析結(jié)果，推測處于第二營養(yǎng)級的魚類的主要食物來源是藻類。學(xué)生基于穩(wěn)定性同位素技術(shù)的原理分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論：魚類的能量主要來自藻類。胃含物分析法和能量標(biāo)簽技術(shù)得到一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并且均支持“魚類的主要能量來源是藻類”這一觀點(diǎn)，學(xué)生以此修正、完善紅樹林生態(tài)系統(tǒng)能流示意圖。此外，學(xué)生認(rèn)識到，盡管紅樹林植物不是魚類的主要食物來源，但仍然在維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

設(shè)計(jì)意圖：教師選取利用能量標(biāo)簽技術(shù)與胃含物分析法得到的研究數(shù)據(jù)，充實(shí)真實(shí)情境，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的理解能力與實(shí)驗(yàn)探究能力。學(xué)生通過論證觀點(diǎn)的過程，鍛煉運(yùn)用科學(xué)研究方法追求真知的理性思維。教師圍繞“魚類的能量來源”核心問題展開研究方法的探討，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物、掌握科學(xué)探究的方法并基于給定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用科學(xué)術(shù)語精確闡述實(shí)驗(yàn)結(jié)論。學(xué)生在新舊理論之間的思維碰撞與修正中，培養(yǎng)自身的批判性思維和社會責(zé)任意識。

4 教學(xué)反思

4.1 科研融合，培養(yǎng)核心素養(yǎng)

教師利用科研工作者的實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，結(jié)合高中生物學(xué)知識，有效制造認(rèn)知沖突，將研究過程全面展開，讓學(xué)生直面真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程。教師利用科研論文創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生在解決實(shí)際問題的過程中，了解科學(xué)知識的論證過程，掌握觀察與解釋生命現(xiàn)象的方法，進(jìn)而理解科學(xué)本質(zhì)，掌握科學(xué)探究的基本思路和方法，最終達(dá)成培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的目標(biāo)。

4.2 科研賦能，強(qiáng)化關(guān)鍵能力

生物學(xué)學(xué)科的關(guān)鍵能力包括理解能力、實(shí)驗(yàn)探究能力、解決問題能力和創(chuàng)新能力。本案例包含大量的文字資料和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要學(xué)生通過自主閱讀、分析理解獲取關(guān)鍵信息，并運(yùn)用科學(xué)規(guī)范用語解釋生物學(xué)現(xiàn)象、描述實(shí)驗(yàn)結(jié)論，能夠培養(yǎng)學(xué)生的理解能力和語言表述能力。同時(shí)，本案例拓展研究能量流動的實(shí)驗(yàn)方法，要求學(xué)生能夠自主分析問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、得出結(jié)論等，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力。在本課例中，真實(shí)情境的運(yùn)用不僅為了引入話題或吸引學(xué)生的注意力，其核心價(jià)值在于為復(fù)習(xí)“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”這一主題創(chuàng)設(shè)基于真實(shí)情境的實(shí)際問題，使抽象概念與具體實(shí)踐相結(jié)合。通過引入科研論文中的豐富證據(jù)，教師能夠引導(dǎo)學(xué)生發(fā)展生物學(xué)關(guān)鍵能力，幫助學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識解決現(xiàn)實(shí)世界中的具體問題，實(shí)現(xiàn)知識的有效遷移和應(yīng)用。

4.3 科研引領(lǐng)，與高考接軌

試題情境是考查目標(biāo)的載體，合理創(chuàng)設(shè)試題情境能有效激發(fā)考生思考作答。 ［4］以福建省普通高中生物學(xué)學(xué)科學(xué)業(yè)水平合格性考試為例進(jìn)行分析。2021年的考卷選用“物候錯(cuò)配”情境考查信息傳遞的作用及學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或結(jié)果的分析能力；2022年的考卷選用“提高柵藻的培養(yǎng)效率和油脂含量”情境考查學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析能力；2023年的考卷選用“不同放牧強(qiáng)度對草地植物數(shù)量和昆蟲多樣性的影響”情境考查群落的相關(guān)知識及學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析能力。

由此可見，高考試題傾向于讓學(xué)生解決真實(shí)情境中的實(shí)際問題，且這些實(shí)際問題與社會生產(chǎn)實(shí)踐息息相關(guān)，目的在于引導(dǎo)學(xué)生積極運(yùn)用生物學(xué)的知識和方法，關(guān)注社會性議題，從而培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任意識。在真實(shí)情境的問題解決過程中，學(xué)生必須細(xì)致地分析教師提供的素材和數(shù)據(jù)，通過逐步分析和討論，將所學(xué)知識應(yīng)用于解決實(shí)際問題。這一過程不僅有助于鞏固概念性知識，而且對于發(fā)展學(xué)生的批判性思維、問題解決和知識遷移等關(guān)鍵能力至關(guān)重要。

參考文獻(xiàn)

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［3］高宇，林光輝.典型紅樹林生態(tài)系統(tǒng)藻類多樣性及其在生態(tài)過程中的作用［J］.生物多樣性，2018，26（11）：1223-1235.

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