“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)”教學(xué)中幾個(gè)難點(diǎn)的思考分析

丁傅

在現(xiàn)行人教版高級中學(xué)生物學(xué)必修三“穩(wěn)態(tài)和環(huán)境”中，“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)”既是重點(diǎn)又是難點(diǎn)。但，教材中介紹能量流動(dòng)的篇幅過于精簡，示意圖卻較復(fù)雜，學(xué)生在內(nèi)容的分析和知識(shí)的理解上很難倒位。在平時(shí)的有關(guān)能量流動(dòng)的圖例的分析和計(jì)算也是學(xué)生經(jīng)常出現(xiàn)障礙。而教材中并未就這些問題深究。所以教師在授課中需要對教材中的一些內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步地組合和加深分析，使學(xué)生能較深刻地理解能量流動(dòng)的相關(guān)原理，更好地培養(yǎng)學(xué)生分析和推理的能力。

能量流動(dòng)的過程和特點(diǎn)是這節(jié)內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)。教材對其過程的分析較簡略。而將能量流動(dòng)的過程分析透徹，對有關(guān)生態(tài)問題的分析具有重要的指導(dǎo)意義。

1、能量來源和能量輸入的分析

教材中提到：“地球上幾乎所有的生態(tài)系統(tǒng)所需要的能量都來自太陽。”部分學(xué)生對此不甚理解。這是因?yàn)樵诒匦抟弧肮夂献饔谩辈糠郑瑢芎铣勺饔脭⑹龅梅浅：喡裕瑢W(xué)生已印象不深或忘記。所以教師可適當(dāng)回顧：正是因?yàn)闃O為少數(shù)的生態(tài)系統(tǒng)可以化能自養(yǎng)型微生物的合成作用，利用無機(jī)物氧化過程中放出的化學(xué)能。例如，前蘇聯(lián)的科學(xué)家乘深海潛水艇進(jìn)入到太平洋馬里亞納海溝，在10916m深處發(fā)現(xiàn)了獨(dú)立于陸地上光合作用之外的生態(tài)系統(tǒng)：細(xì)菌取代了植物成為深海生物鏈中最低的一環(huán)。它們從海底溫泉水流中的礦物質(zhì)中獲取能量，成為深海生物生存的基礎(chǔ)。除此外，地球上幾乎所有的生態(tài)系統(tǒng)都依靠太陽能而存在。因此說，太陽能是幾乎所有生態(tài)系統(tǒng)的能量的來源。

能量流動(dòng)幾乎都是從綠色植物(生產(chǎn)者)光合作用固定太陽能開始的(極少數(shù)的生態(tài)系統(tǒng)除外)。通過光合作用，可以把其他生物不能利用的太陽轉(zhuǎn)化成可以利用的化學(xué)能，儲(chǔ)存在有機(jī)物中，使得太陽能從無機(jī)環(huán)境進(jìn)入生物群落，供生產(chǎn)者、消費(fèi)者、分解者利用。所以綠色植物通過光合作用固定的太陽能就是輸入生態(tài)系統(tǒng)的總能量，也是生態(tài)系統(tǒng)的第一營養(yǎng)級獲得的能量。當(dāng)然太陽能只有極少的部分輸入生態(tài)系統(tǒng)，大部分被大氣層吸收、散射或反射，即使照在葉片上也不能全部轉(zhuǎn)化。

2、能量在食物鏈各環(huán)節(jié)中傳遞的分析

教材中給出了兩幅圖例來輔助敘述(見教材第94頁)。這兩幅圖例是經(jīng)常需要學(xué)生分析的。所以需要對其進(jìn)行較詳細(xì)的分析。這是一個(gè)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，需要教師進(jìn)行突破：

(1)明確相關(guān)的概念。幾個(gè)難以區(qū)分的概念是學(xué)生必須明確的，比如攝入量、同化量、糞便量等。為了幫助學(xué)生有效地理解這些概念。筆者采用了“情景展示(吃草的牛排出糞便，糞便被屎殼郎利用)——分組合作探究——引導(dǎo)”的教學(xué)過程。讓學(xué)生探討“牛吃入肚的草中的能量會(huì)不會(huì)全部被牛吸收轉(zhuǎn)化成牛自身的能量?牛糞便中是否含有能量?牛糞能量的歸屬?牛的攝入量與同化量是否相同。它們又是什么關(guān)系?牛糞的能量去路?”等一系列問題。最終明確：①攝入量、同化量、糞便量的概念；②攝入量＝同化量＋糞便量；③牛糞中能量不屬于牛，是草(上一個(gè)營養(yǎng)級)中能量的一部分，最終被分解者利用；④牛的同化量才是牛真正獲得的能量。

(2)分析教材中圖例。學(xué)生對教材中的“能量流經(jīng)第二營養(yǎng)級的示意圖”的分析比較困難，筆者在多媒體課件中適當(dāng)?shù)貙D例進(jìn)行了簡化處理，幫助學(xué)生更好地分析。

首先讓學(xué)生分析原圖，經(jīng)討論得出：初級消費(fèi)者同化的能量才是初級消費(fèi)者獲得的能量；初級消費(fèi)者的糞便的能量屬于上一個(gè)營養(yǎng)級(可以歸屬到上一個(gè)營養(yǎng)級的流向分解者的能量中去)。從簡化后的圖中，學(xué)生能很容易地分析出初級消費(fèi)者同化的能量有3條去路，即：①經(jīng)呼吸作用以熱能形式散失；②被分解者利用；③流向下一個(gè)營養(yǎng)級。同時(shí)與教材中第二幅圖例“生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)示意圖”建立很好的聯(lián)系。前者是后者中一個(gè)環(huán)節(jié)中的能量轉(zhuǎn)換的具體圖例。學(xué)生通過分析第二幅圖例，也能很快地得出能量沿著食物鏈流動(dòng)時(shí)是單向流動(dòng)、逐級遞減的結(jié)論并找到原因。也能分析出生態(tài)系統(tǒng)中能量最終都是以熱能形式散失的，所以需要不斷的輸入太陽能，才能維持生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

教材中還涉及了美國生態(tài)學(xué)家林德曼對賽達(dá)伯格湖能量流動(dòng)進(jìn)行了定量分析圖例。首先，給學(xué)生簡單介紹林德曼的研究背景。讓學(xué)生分析圖例，并找出與第二幅圖例間的區(qū)別和聯(lián)系。

通過對比分析，學(xué)生發(fā)現(xiàn)“賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)圖解”與“生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)示意圖”相比，每個(gè)營養(yǎng)級的能量去路有4條，多出一條“未被利用”。針對學(xué)生的疑惑，教師與學(xué)生一起探討兩幅圖例對能量流動(dòng)的分析方法的區(qū)別。

“生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)示意圖”中是進(jìn)行定量不定時(shí)的分析。流入某一營養(yǎng)級的一定量的能量在足夠長久的時(shí)間內(nèi)去路有3條。但不管怎么傳遞，最終都以熱能從生物群落中散失出去。

“賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)圖解”中是進(jìn)行定量、定時(shí)的分析。以某個(gè)營養(yǎng)級中一定量的能量在一段時(shí)間內(nèi)(比如一年)的能量流向分析。在這段時(shí)間內(nèi)，這一營養(yǎng)級中的生物總有相當(dāng)部分個(gè)體中能量沒有被自身呼吸消耗，未流入下一營養(yǎng)級，也未被分解者利用，而是儲(chǔ)存在活體的體內(nèi)有機(jī)物中“未被利用”。如以年為單位，“未被利用”的能量會(huì)保留至下一年。但從長遠(yuǎn)時(shí)間來看：“未被利用”的能量仍然將通過另外3個(gè)去路傳遞，最終散失。所以無論3個(gè)去路或是4個(gè)去路是不矛盾的。一個(gè)穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)在長期來看，能量的輸入和傳遞、散失是平衡的。3能量傳遞效率的計(jì)算和分析

(1)能量傳遞為什么沒有達(dá)到100％，教材中沒有直接給出答案，但筆者讓學(xué)生通過對“賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)圖解”重新整理數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)表格、分析數(shù)據(jù)之間關(guān)系，找到了原因，并計(jì)算出相關(guān)的傳遞效率值：

能量傳遞的效率＝上一營養(yǎng)級同化量/下一營養(yǎng)級同化量

兩個(gè)營養(yǎng)級之間的傳遞效率大約10％～20％，但在不同生態(tài)系統(tǒng)中，總會(huì)因各種食物鏈的不同等因素而不同。例如上述賽達(dá)伯格湖中第一營養(yǎng)級到第二營養(yǎng)級的傳遞效率為13.5％，而第二營養(yǎng)級到第三營養(yǎng)級的傳遞效率卻為20.1％。前者低后者高，這在其他的生態(tài)系統(tǒng)中相似。這是為什么?這個(gè)問題學(xué)生比較難回答。教師可以引導(dǎo)學(xué)生從食物的成分角度來考慮。學(xué)生經(jīng)過思考討論后，植物中的有較多的纖維索等成分不容易被植食動(dòng)物消耗吸收；而動(dòng)物體除毛發(fā)、骨骼等難消化分解外大都可以被更高營養(yǎng)級消化吸收。

(2)在探討“為什么食物鏈一般不超過4～5個(gè)營養(yǎng)級?為什么一山容不得二虎?”等一類問題時(shí)，讓學(xué)生通過計(jì)算來認(rèn)識(shí)。假設(shè)第一營養(yǎng)級總能量100％，按最高效率20％計(jì)算，第n營養(yǎng)級所獲得的能量只有1/5^n-1(如果按10％計(jì)算，公式為1/10^n-1)。由此可知，因?yàn)槟芰苛鲃?dòng)是逐級遞減的，能量傳到第4～5個(gè)營養(yǎng)級時(shí)，該營養(yǎng)級能傳給下一個(gè)營養(yǎng)級的能量太少，不足以維持下一營養(yǎng)級的生存。

(3)在食物鏈或食物網(wǎng)中進(jìn)行有關(guān)能量傳遞量的～tg分析時(shí)。有一些共通的分析思路可循的。教師可以讓學(xué)生在分析計(jì)算時(shí)進(jìn)行歸類。例如：

①已知低營養(yǎng)級的同化量，估算高營養(yǎng)級最多(或者至少)獲取的能量。需要從傳遞效率和食物鏈的營養(yǎng)級數(shù)等方面考慮，選擇最大傳遞效率(按10％～20％)和最少營養(yǎng)級數(shù)(或者最小傳遞效率和最多營養(yǎng)級數(shù))來計(jì)算。

②已知高營養(yǎng)級的同化量，估算最多(或者至少)消耗低營養(yǎng)級的能量，選擇最小傳遞效率和最多營養(yǎng)級數(shù)(或者最大傳遞效率和最少營養(yǎng)級數(shù))來計(jì)算。

③在對傳遞效率的理解上，要強(qiáng)調(diào)此傳遞效率是食物網(wǎng)中的某個(gè)營養(yǎng)級的全部生物個(gè)體同化的能量與上一個(gè)營養(yǎng)級的全部生物個(gè)體同化的能量的比值。

如果某種生物為雜食性的，也就是該生物同時(shí)處于不同的食物鏈上，需要將其不同來源的能量分別歸入相對應(yīng)的食物鏈中的營養(yǎng)級中去計(jì)算。將此類問題稱為“能量分流問題”。

下面就幾道例題進(jìn)行解析：

【例1】圖2表示某生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)的圖解，貓頭鷹體重每增加1 kg，至少消耗草約()

A.100 kgB.44.5 kg

C.25 kgD.15 kg

此題答案是c。根據(jù)關(guān)鍵詞“至少消耗”，確定選擇最大傳遞效率20％，營養(yǎng)級最少的食物鏈“草一田鼠一貓頭鷹”(因?yàn)槟芰繐p耗少)進(jìn)行計(jì)算：1÷20％÷20％＝25(kg)。

此題有一點(diǎn)要說明一下，那就是能量流動(dòng)能否用體重來表示。筆者認(rèn)為在能量流動(dòng)中用體重表示是不恰當(dāng)?shù)摹Ｓ捎诓煌镏泻坎煌袡C(jī)物成分差異大，因此含的能量也差別大。所以生物體所含能量事實(shí)上不能用生物體質(zhì)量來表示的。但在高中階段，因?yàn)椴恍枰敲淳_，對這些差異進(jìn)行了忽略。所以利用了生物體質(zhì)量來代替能量。

【例2】(2004年上海高考題)如果一個(gè)人的食物有1/2來自綠色植物，1/4來自小型肉食動(dòng)物，1/4來自羊肉，假如傳遞效率為10％，那么該人每增加1kg體重，約消耗植物()

A.10 kgB.28 kg

C.100 kgD.280 kg

此題答案是D。這是典型的“能量分流問題”。要根據(jù)題中描述寫出食物網(wǎng)，再根據(jù)人的食物來源的不同比例，將人的1kg體重進(jìn)行分配成1/2、1/4、1/4，分別歸入不同的食物鏈中計(jì)算，最后將各個(gè)食物鏈中消耗的植物質(zhì)量求和。

解答此類型的問題，還需注意是將高營養(yǎng)級的能量分配還是將低營養(yǎng)級能量進(jìn)行分流。不然會(huì)導(dǎo)致結(jié)論錯(cuò)誤。

學(xué)生在分析理解這些原理和掌握傳遞概率的分析計(jì)算后，也能自己來分析諸如教材的“問題探討”欄目中的先吃雞還是先吃玉米的問題了。

4、研究能量流動(dòng)在實(shí)踐意義

研究能量流動(dòng)，可以幫人們科學(xué)規(guī)劃、設(shè)計(jì)人工生態(tài)系統(tǒng)，使能量得到最有效利用，提高了能量的利用率。研究能量流動(dòng)還可以幫助人們?nèi)藗兒侠淼卣{(diào)整生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)關(guān)系，使能量持續(xù)高效流向?qū)θ祟愖钣幸娴牟糠帧?/p>

在這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)中，更多是讓學(xué)生從生活實(shí)踐的實(shí)例中去分析，例如，學(xué)校當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)民每年都要焚燒秸稈，濃煙都給人們生活和健康帶來危害。教師可以此為話題，參照教材中“調(diào)查”欄目，讓學(xué)生討論，對如何改變這種狀況提出建議和策略。學(xué)生在討論和總結(jié)中大多能利用自己所掌握的知識(shí)或原理來解決一些問題或提出建議。在討論中甚至還能提出疑問并設(shè)法解決。例如：有學(xué)生提出：“生態(tài)系統(tǒng)中的分解者中能量有可能流向消費(fèi)者嗎?”在討論和教師指導(dǎo)后，總結(jié)出這是有可能的，因?yàn)榻滩闹械氖澄镦溨皇遣妒呈澄镦湥谏鷳B(tài)系統(tǒng)中還有腐生食物鏈的存在。生活中也有這樣例子：人們利用棉子殼和麥稈等培養(yǎng)平菇等食用菌供人食用，其本身的能量也就流向人了，而這些食用菌就屬于分解者。學(xué)生一旦主動(dòng)參與到討論和學(xué)習(xí)，往往會(huì)迸發(fā)出很大的潛力。這更有助于學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的理解和應(yīng)用。