《生态系统的能量流动》的教学构思与实践

    黄纲业 薛莲 覃彩娟

    

    [摘???要]围绕“生命观念”和“科学思维”两个视角，提出了运用“结构决定功能观”和“建立系统化模型”来分析能量流动过程的教学构思，并通过教学实践和反思，提出教学建议。

    [关键词]生态系统;能量流动;教学构思

    [中图分类号]????G633.91????????[文献标识码]????A????????[文章编号]????1674-6058（2019）35-0087-02

    2017年版普通高中生物学课程标准，将原必修3三《稳态与环境》的单元内容《生态系统的能量流动》纳入了选择性必修1《生物与环境》模块。《生态系统的能量流动》的教学，既渗透着“结构决定功能”的生命观念，又承载着模型构建的科学思维。课程标准对此也做出了指导：第一，在回顾生态系统的组成成分和结构的基础上，引入生态系统的能量流动的单元教学，建立“成分组成结构”“结构决定功能”“结构与功能相适应”的生命观念。第二，运用系统分析的方法解读能量流动的定义和过程，通过构建数学模型和梳理物理模型定量分析和归纳能量流动特点，最后上升到研究能量流动的实践意义。基于课程标准的具体内容要求和相关指导，笔者对《生态系统的能量流动》教学进行了构思、实践与反思。

    一、?教学构思与实践

    1.创设问题情境，做好铺垫

    让学生分析生态系统的组分和功能。教师可利用学生最为熟悉的故事（略）创设相关问题情境：

    （1）在城市生态系统、农田生态系统、森林生态系统、草原生态系统四大生态系统当中，你认为上述故事情节的场景最可能发生在哪个生态系统中？

    （2）（在黑板上演示相关故事）若把黑板当作生态系统，黑板的“一部分”看作是“生物群落”，那么“另一部分”可代表哪个成分？（无机环境）从生态系统的组成成分来看，无机环境指的是什么？（非生物的物质与能量）

    （3）在无机环境当中，照射到地球上的太阳光应该属于物理世界中的物质还是能量？如果我们将它定义为太阳光能（太阳能），可以吗？

    实际上，生态学家研究生态系统的能量流动，其本质就是研究太阳能是如何输入，如何传递、转化和输出给生物群落的。继续引导学生思考下列问题：

    （1）草原生态系统的生物群落包括哪些？（生产者、消费者和分解者）

    （2）在研究能量流动时，选择怎样的结构进行研究比较容易？对于狼与羊，你可写出怎么样的食物链？（草→羊→狼）

    （3）在“草→羊→狼”这一食物链中，草代表植物，羊和狼代表动物，它们分别属于哪种生态组分？狼和羊属于消费者，哪一个是初级消费者？哪一个是次级消费者？若从选取食物的角度看，哪一个是植食性动物？哪一个是肉食性动物？若从营养级的角度出发，它们当中哪一个是第一营养级？哪一个是第二营养级哪一个是第三营养级？

    通过对生态系统的能量流动变化的研究，进而揭示研究针对的是群体水平，而非个体水平，换句话说，主要是从“营养级”的角度进行探索。

    2.厘清思路，针对性设问，做好能量流动分析

    在整个生态系统中，能量的流动变化是一个输入、传递、转化和输出的动态过程，在每个营养级的群体之间也不例外，故而，可按照从整体过渡到局部，再从局部过渡到整体的思路进行能量流动分析，进而构建能量流动的概念模型。值得关注的是，在进行局部能量流动分析时，一要准确把握相关营养级，特别是第一营养级、第二营养级和最高营养级的能量输入和输出情况的对比分析以及三者间能量流动的差异性比较。例如，可建立一个营养级能量流动分析表（如表1），先让学生梳理教材知识，最后采取小组合作的方式相互交流完成表格的填写。

    二要分析各个营养级之间的能量流动的变化关系，这是分析生态系统能量流动特点的关键。对此，教师可对人民教育出版社出版的高中生物教师参考用书中提供的能量流动图解进行适当修改，然后详细分析并设问导学。

    问题1：（针对第一营养级的能量输入进行设问）太阳光能是通过生态系统中的哪种成分进入生物群落中的？（生产者）隶属于哪一个营养级？（第一营养级）从代谢的生理过程看，生产者是通过哪种过程利用太阳光能的？（光合作用）输入生物群落的能量是全部照射到地面上的能量，还是照射到生产者上的能量，或者是生产者吸收的光能？

    问题2：（针对第一营养级的能量输出进行设问）从生产者的能量输出过程来看，具体可分为哪些路径？（一是生产者通过呼吸作用以热能的形式消耗，二是生产者生长、发育和繁殖等生命活动的消耗。其中第二条去路可从被捕食与未被捕食、被食入与未食入、被同化与未同化等角度细致分析过程，这里的同化，即对应营养级的同化量，具体是指次级消费者消化吸收的能量，这是真正流入第二营养级的能量）

    在对应营养级的未食入部分，其最终的能量去向是被分解者分解，而未被捕食部分则可以归为暂时未被利用的能量，其本质是与时间的长短相关。时间如果很短，就会有该部分能量，如果时间足够长则最终会被分解者分解利用掉。从而可将第一营养级的能量输出归纳为3/4条基本路径。针对生产者的总光合、净光合和呼吸三者间的关系，理解总初级生产量、净初级生产量和呼吸消耗量。这三者间的关系是阐明生产者固定太阳光能的总量、生长发育和繁殖量及呼吸作用释放的能量的本质所在。

    3.合理把握局部与整体的统一，重点把握能量流动变化规律

    从局部上分析，把握各个营养级的能量输入和输出要遵从思维的递进关系。如输入第一营养级的能量，也就是生产者的能量，是来源于太阳光，抑或是太阳光能？能量输入的过程是怎么样的？输入的能量是照射到地球上的所有太阳光能，还是照射到该生态系统上的全部太阳能？生产者固定的太阳光能总量是不是生产者自身摄入的能量？输出第一营养级的能量可以分为哪些去路？流入第二营养级的能量到底是摄入量还是同化量？要通过能量流动分析的概念模型加以突破，并明确输入、转化和输出三个量间的关系。

    从整体上分析，生态系统中能量流动包括三部分：一是能量输入过程;二是能量的传递和转化过程;三是能量的输出过程。在进行由局部到整体的能量流动分析时，要紧密结合教材中的“生态系统的能量流动示意图”，牢牢抓住图解中方框的大小、箭头的方向与大小的具体含义，引导学生了解能量流动的特点和意义;同时要具体关注是定量分析还是定性分析，从而为能量流动特点的理解和能量金字塔类型的对比做好前提性铺垫。

    二、教学反思

    本节课以能量流动的输入、转化和输出为焦点，通过创设生活化的情境，给予问题引领，较好地激发了学生的学习兴趣，调动了学生的学习积极性。教学中，教师以教材图解作为问题和模型构建的支架，培养了学生细心观察、理解问题、分析问题和解决问题的能力，有效强化学生科学思维和科学方法的训练。

    通过自主探索、组内合作和组间竞争等方式，深化了学生对知识的理解，培养了学生的沟通能力、推理能力和语言表达能力。

    本节课的教学在生活化和活动化上设计较为充分。不过，在课堂的形成性评价上关注不够，如果时间允许，应在情感態度与价值观方面做进一步渗透和引导，让学生在认知、行为和情感上有更大的收获与发展。

    （责任编辑????黄春香）