內(nèi)蒙古 冰 潔 薛井杰

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》中提到，學(xué)科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任，其中科學(xué)思維的形成，要求學(xué)生能夠運(yùn)用已有的生物學(xué)知識(shí)、證據(jù)和邏輯對(duì)生物學(xué)議題進(jìn)行思考或展開(kāi)論證；掌握科學(xué)探究的思路和方法，形成合作精神，善于從實(shí)踐的層面探討或嘗試解決現(xiàn)實(shí)生活中的問(wèn)題；具有開(kāi)展生物學(xué)實(shí)踐活動(dòng)的意愿和社會(huì)責(zé)任感，在面對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的挑戰(zhàn)時(shí)，能充分利用生物學(xué)知識(shí)主動(dòng)宣傳引導(dǎo)，愿意承擔(dān)抵制毒品和不良生活習(xí)慣等社會(huì)責(zé)任，為繼續(xù)學(xué)習(xí)和走向社會(huì)打下認(rèn)識(shí)和實(shí)踐的基礎(chǔ)。

因此在教學(xué)中，教師需要向?qū)W生提供各種豐富的、有代表性的事實(shí)來(lái)為其概念的形成提供支撐，同時(shí)教師安排的活動(dòng)不應(yīng)僅停留在讓學(xué)生記住一些零散的生物學(xué)事實(shí)的層面上，而是要通過(guò)對(duì)事實(shí)的抽象和概括，幫助學(xué)生建立生物學(xué)概念，并以此來(lái)構(gòu)建合理的知識(shí)框架，為學(xué)生能夠在新情境下解決相關(guān)問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。科學(xué)思維是人們?cè)诳茖W(xué)認(rèn)識(shí)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的活動(dòng)中進(jìn)行的一種思維活動(dòng)；是以探索真理為目的的思維活動(dòng)；是反映客觀事物本質(zhì)與規(guī)律、以“理論”掌握世界的方式進(jìn)行的思維活動(dòng)。而高中生解決現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際問(wèn)題的機(jī)會(huì)較少，因此，在高中生物教學(xué)中，運(yùn)用情境創(chuàng)設(shè)教學(xué)的策略，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，尤其是對(duì)科學(xué)思維的培養(yǎng)來(lái)說(shuō)是一種常用的、有效的策略。

本文以“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)第1課時(shí)”為例，探討創(chuàng)設(shè)情境教學(xué)充分體現(xiàn)學(xué)科核心素養(yǎng)的應(yīng)用。

一、教材分析

人教版生物學(xué)教材必修3第5章“生態(tài)系統(tǒng)及其穩(wěn)定性”第2節(jié)“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)”第1課時(shí)的內(nèi)容包括：能量流動(dòng)的概念、能量流動(dòng)的過(guò)程和特點(diǎn)，它與必修1中“細(xì)胞代謝”的知識(shí)聯(lián)系密切，又直接關(guān)系到本章第3、4、5節(jié)“生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)”“生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞”和“生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性”的學(xué)習(xí)，教學(xué)重難點(diǎn)是運(yùn)用分析和構(gòu)建概念模型的方法理解能量流動(dòng)的過(guò)程。本節(jié)內(nèi)容綜合性強(qiáng)，理論聯(lián)系實(shí)際緊密，需要提高靈活運(yùn)用知識(shí)、分析解決問(wèn)題和識(shí)圖解圖能力。

通過(guò)本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生需要理解只有生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)及其他兩個(gè)功能正常進(jìn)行，生態(tài)系統(tǒng)才能維持穩(wěn)態(tài)。

二、學(xué)情分析

高二年級(jí)的學(xué)生已掌握了能量傳遞、轉(zhuǎn)化和能量守恒等基本概念，也熟悉了能源物質(zhì)、光合作用與細(xì)胞呼吸中能量的固定、轉(zhuǎn)化、散失的相關(guān)知識(shí)，此階段部分學(xué)生邏輯思維發(fā)展較好、已具備一定的學(xué)科核心素養(yǎng)，尤其是歸納、概括、建模的科學(xué)思維能力較強(qiáng)。

三、教學(xué)目標(biāo)

1.完成三級(jí)概念構(gòu)建

一級(jí)概念：生態(tài)系統(tǒng)中的各種成分相互影響，共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息傳遞，生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)自我調(diào)節(jié)保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

二級(jí)概念：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(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息傳遞。

三級(jí)概念：舉例說(shuō)明利用物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)規(guī)律，人們能夠更加科學(xué)、有效地利用生態(tài)系統(tǒng)中的資源；解釋生態(tài)金字塔表征了食物網(wǎng)各營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間在個(gè)體數(shù)量、生物量和能量方面的關(guān)系。

根據(jù)以上內(nèi)容，筆者將本節(jié)內(nèi)容分為2個(gè)課時(shí)講授，第1課時(shí)內(nèi)容包括能量流動(dòng)的概念、過(guò)程、特點(diǎn)、能量金字塔，第2課時(shí)內(nèi)容包括生態(tài)金字塔、能量流動(dòng)的計(jì)算和意義。

2.目標(biāo)分解

(1)以問(wèn)題情境為例，從個(gè)體→種群→某一營(yíng)養(yǎng)級(jí)→生物群落的層次，通過(guò)討論、小組間交流、構(gòu)建能量流動(dòng)概念圖的活動(dòng)，依次分析能量流動(dòng)的過(guò)程，形成局部與整體觀、物質(zhì)與能量觀的生命觀念，運(yùn)用演繹與推理、模型與建模的方法培養(yǎng)科學(xué)思維；

(2)在能量守恒的前提下，學(xué)生通過(guò)自己歸納、總結(jié)各營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量的來(lái)源和去路的恒定，得出4個(gè)關(guān)于“同化量”的關(guān)系式，分清能量流動(dòng)的兩種研究方法，培養(yǎng)歸納與概括的科學(xué)思維，了解研究能量流動(dòng)的基本思路和方法，提升科學(xué)探究能力；

(3)利用能量流動(dòng)模型，構(gòu)建能量流動(dòng)的概念模型，樹(shù)立穩(wěn)態(tài)與平衡觀的生命觀念；

(4)通過(guò)計(jì)算賽達(dá)伯格湖相鄰兩個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量傳遞效率，明確傳遞效率的計(jì)算方法，并總結(jié)、闡述能量流動(dòng)單向流動(dòng)、逐級(jí)遞減的特點(diǎn)及其原因，學(xué)會(huì)用數(shù)學(xué)方法解決情境中的問(wèn)題，并引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注能量流動(dòng)的意義，增強(qiáng)學(xué)生解決生產(chǎn)生活問(wèn)題的擔(dān)當(dāng)和能力。

四、教學(xué)過(guò)程

1.創(chuàng)設(shè)情境——?jiǎng)?chuàng)建科學(xué)思維鍛煉平臺(tái)

設(shè)計(jì)意圖：從學(xué)生必備知識(shí)和關(guān)鍵能力來(lái)看，科學(xué)思維是科學(xué)態(tài)度、科學(xué)世界觀和價(jià)值觀的基礎(chǔ)，學(xué)生應(yīng)具備分析和解決問(wèn)題的能力，因此筆者選擇了“尼斯湖水怪”情境，整節(jié)課以“探究‘水怪’是否真的存在”為主線，將能量流動(dòng)知識(shí)貫穿其中，解決情境中的問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)鍛煉其科學(xué)思維。

情境創(chuàng)設(shè)：傳說(shuō)，在英國(guó)蘇格蘭高原北部的大峽谷中，有一個(gè)面積為62.4 km2、平均水深為200 m的尼斯湖，這里有一只頂級(jí)消費(fèi)者——重達(dá)40 t的“水怪”。

早在1 500多年前，就開(kāi)始流傳尼斯湖中有巨大怪獸常常出來(lái)吞食人畜的故事。古代一些人甚至宣稱(chēng)曾經(jīng)目擊過(guò)這種怪獸，有人說(shuō)它長(zhǎng)著大象的長(zhǎng)鼻，渾身柔軟光滑；有人說(shuō)它長(zhǎng)著長(zhǎng)頸圓頭；有人說(shuō)它出現(xiàn)時(shí)泡沫層層，四處飛濺；有人說(shuō)它口吐煙霧，使湖面有時(shí)霧氣騰騰，你認(rèn)為這會(huì)是真的嗎？

2.在情境中主動(dòng)建模、探究——鍛煉嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維

科學(xué)思維方法是指形成并運(yùn)用科學(xué)認(rèn)識(shí)活動(dòng)的、人腦借助信息符號(hào)對(duì)感性材料進(jìn)行加工處理的方式與途徑。一般來(lái)說(shuō)，科學(xué)思維方法比日常思維方法更具有嚴(yán)謹(jǐn)性與科學(xué)性。通過(guò)建模、歸納與概括、批判性思維等方法，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維習(xí)慣、落實(shí)科學(xué)思維發(fā)展，同時(shí)在觀察、分析、討論和交流的過(guò)程中也在鍛煉其科學(xué)探究的能力，這兩方面的學(xué)科核心素養(yǎng)也間接影響著另兩個(gè)學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成。

(1)構(gòu)建個(gè)體、種群水平的能量流動(dòng)過(guò)程圖，探究一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量的去路

設(shè)計(jì)意圖：概念(包括模型)的形成主要依靠抽象和概括的方法，讓學(xué)生根據(jù)已有知識(shí)，基于事實(shí)證據(jù)，構(gòu)建個(gè)體及種群水平的能量來(lái)源和去路模型，運(yùn)用了前概念的方法。教師講解的過(guò)程是幫助學(xué)生逐漸明晰完整、科學(xué)的概念的過(guò)程。構(gòu)建概念的過(guò)程中，學(xué)生明確了研究生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的基本原理是能量守恒定律，以群體作為整體進(jìn)行研究是系統(tǒng)科學(xué)常用的研究方法，可以培養(yǎng)學(xué)生良好的思維習(xí)慣和思維方式。

活動(dòng)一：以尼斯湖生態(tài)系統(tǒng)的一條食物鏈：水草→甲→乙→丙為例，以文字和箭頭的形式，分小組構(gòu)建水草、甲、丙在個(gè)體水平和種群水平上的能量來(lái)源和去路模型(如圖)。

教師點(diǎn)評(píng)：大多數(shù)同學(xué)總結(jié)出的個(gè)體水平和種群水平的能量流動(dòng)的來(lái)源和去路模型是基于能量守恒定律的，即能量可以由一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。并且同學(xué)們發(fā)現(xiàn)個(gè)體水平和種群水平上的能量來(lái)源和去路是一樣的。

研究能量流動(dòng)可以在個(gè)體水平上進(jìn)行，也可以在群體水平上進(jìn)行，一般將群體視為一個(gè)整體進(jìn)行研究是系統(tǒng)科學(xué)常用的研究方法。下面筆者以食物鏈中的種群乙捕食種群甲為例，探究沿著食物鏈的兩個(gè)種群間能量流動(dòng)情況。

探究關(guān)系式1：展示種群乙捕食種群甲的過(guò)程圖，給出“同化量”概念，強(qiáng)調(diào)研究生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)應(yīng)以同化量為單位。

關(guān)系式1：同化量=攝入量-糞便中的能量

探究關(guān)系式2：分析過(guò)程圖，總結(jié)關(guān)系式，理解同化量的兩個(gè)去路：同化量=呼吸散失量+用于生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖的能量

關(guān)系式2：同化量=呼吸散失量+用于生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖的能量

(2)構(gòu)建各營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量流動(dòng)示意圖，探究定性、定量研究中能量流動(dòng)過(guò)程

設(shè)計(jì)意圖：思考、構(gòu)建能量流動(dòng)概念模型流程圖；思考、總結(jié)、思維互動(dòng)理解同化量的3個(gè)、4個(gè)去路；學(xué)生討論后達(dá)成共識(shí)，上交一份紙質(zhì)版結(jié)果；成果展示，初步達(dá)成本節(jié)課對(duì)生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)過(guò)程分析的目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作交流的能力，引導(dǎo)學(xué)生透徹理解相關(guān)概念。培養(yǎng)歸納與概括的科學(xué)思維，了解研究能量流動(dòng)的基本思路和方法，提升科學(xué)探究能力。教師點(diǎn)評(píng)時(shí)提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用批判性思維進(jìn)行思考和追問(wèn)。

活動(dòng)二：請(qǐng)同學(xué)們各自構(gòu)建從生產(chǎn)者到最高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的同化量流動(dòng)圖解。學(xué)生上交后，利用投影儀展示各組流程圖。

教師點(diǎn)評(píng)：①輸入某生態(tài)系統(tǒng)的總能量主要是生產(chǎn)者固定的太陽(yáng)能，少數(shù)生態(tài)系統(tǒng)可以以化學(xué)能為能量輸入；②能量以有機(jī)物中化學(xué)能的形式沿著食物鏈、食物網(wǎng)的渠道傳遞。③呼吸作用以熱能的形式散失能量。

探究關(guān)系式3：根據(jù)此圖，請(qǐng)總結(jié)出有關(guān)同化量三條去路的關(guān)系式3。

總結(jié)方法：這是能量流動(dòng)的定性分析方法，還有一種定量分析方法。

關(guān)系式3：同化量=呼吸散失的能量+流入下一級(jí)的能量+分解者利用的能量

探究關(guān)系式4：給出賽達(dá)伯格湖能量流動(dòng)圖解，引導(dǎo)學(xué)生分清這種定量研究方法中，同化量的去路又多了一條，請(qǐng)同學(xué)們自己總結(jié)。

關(guān)系式4：同化量=呼吸散失的能量+流入下一級(jí)的能量+分解者利用的能量+未利用的能量

教師點(diǎn)評(píng)：未利用的能量在下一個(gè)單位時(shí)間主要以三種形式存在：一是以活的植物體的形式存在、二是以枯枝敗葉的形式存在、三是以初級(jí)消費(fèi)者未被分解的糞便流到了下一年。

(3)提供數(shù)據(jù)，探究能量流動(dòng)特點(diǎn)

設(shè)計(jì)意圖：填表、計(jì)算，探究能量流動(dòng)特點(diǎn)，學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用數(shù)學(xué)方法，探究出能量流動(dòng)的特點(diǎn)，并能夠科學(xué)地解釋原因。此環(huán)節(jié)的重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)證意識(shí)、重證據(jù)、重邏輯的思維習(xí)慣和能力。

活動(dòng)三:出示賽達(dá)伯格湖各營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量數(shù)據(jù)表，給出能量傳遞效率的計(jì)算方法，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并闡述能量流動(dòng)的兩個(gè)特點(diǎn)和原因。

教師點(diǎn)評(píng)：在能量傳遞和轉(zhuǎn)化過(guò)程中，除了一部分可以繼續(xù)傳遞和做功的能量外，總有一部分能量以熱能的形式散失，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)某一營(yíng)養(yǎng)級(jí)來(lái)說(shuō)，一部分能量以熱能的形式散失，一部分能量會(huì)被分解者利用，還有一部分能量在單位時(shí)間內(nèi)未被利用，只有10%～20%的能量可以傳遞給下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)；能量主要以光能的形式進(jìn)入無(wú)機(jī)環(huán)境后，就不能再以光的形式存在，而是以化學(xué)能或熱能的形式存在，生物代謝產(chǎn)生的熱能也不能再轉(zhuǎn)化為生物體內(nèi)的化學(xué)能，也就是說(shuō)，無(wú)論是從環(huán)境到群落，還是在各營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間，能量都是單向流動(dòng)的。

3.構(gòu)建核心概念——訓(xùn)練邏輯思維能力

教師給出能量在生態(tài)系統(tǒng)、無(wú)機(jī)環(huán)境、生物群落中的輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失圖，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)能量流動(dòng)的概念以及能量流動(dòng)的過(guò)程。

4.解決情境中的問(wèn)題——運(yùn)用科學(xué)概念、科學(xué)思維解決問(wèn)題

設(shè)計(jì)意圖：運(yùn)用新的概念，通過(guò)討論、發(fā)言解決問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)目標(biāo)。通過(guò)難度較大的完整思維活動(dòng)，訓(xùn)練邏輯思維的全面性、深刻性。

提問(wèn)：請(qǐng)同學(xué)們利用本節(jié)課所學(xué)的能量流動(dòng)知識(shí)，再次思考情境中“水怪”是否存在呢？

5.課堂小結(jié)——通過(guò)問(wèn)題訓(xùn)練思維的靈活性

設(shè)計(jì)意圖：厘清本節(jié)課所學(xué)知識(shí)的脈絡(luò)、引出第2課時(shí)內(nèi)容。教師提出的問(wèn)題，不追求標(biāo)準(zhǔn)答案，訓(xùn)練學(xué)生思維的靈活性、變通性，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維、求同思維、求異思維。

教師小結(jié)：通過(guò)了解能量流動(dòng)的過(guò)程和特點(diǎn)，同學(xué)們能夠說(shuō)出最高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的“水怪”無(wú)法從生產(chǎn)者獲得如此多的能量來(lái)維持它的生命活動(dòng)，所以“水怪”并不存在，這與科學(xué)家提倡人類(lèi)多吃素食是一樣的道理，因?yàn)榕c吃肉相比，吃素時(shí)人類(lèi)所處營(yíng)養(yǎng)級(jí)較低，這樣縮短了食物鏈，就減少了能量的損耗。筆者再為同學(xué)們布置一道思考題：已知該湖泊生產(chǎn)者的生物量是2 g/m2,該湖泊面積為62.4 km2，平均水深為200 m，按能量傳遞效率為20 %計(jì)算，這個(gè)湖泊中的生產(chǎn)者能不能養(yǎng)活這只“水怪”？

五、教學(xué)反思