模型建構在高中生物教學中的應用

成培平

摘 要 敘述了將教材中的問題探討分層推進，并不斷引導學生借助建模的方法對“生態系統的能量流動”進行分析。利用模型建立分層突破難點，既激發了學生生物學習的熱情，又培養了學生建模分析問題的能力和科學探究的精神。

關鍵詞 生態系統 建模 分析 能量流動

中圖分類號 G633.91 文獻標識碼 B

1 教學分析

1.1 教材分析

本節內容是人教版生物必修3教科書第五章第二節教學內容，該節內容包括：生態系統的能量流動的概念、過程、特點以及研究能量流動的實踐意義。該節對第一節和第三節內容起到承上啟下的作用。本課為第二節的第一課時，教學內容比較抽象，教學重點和難點在于通過學習建構模型的方法深入理解生態系統的能量激動，并系統分析能量流動的概念、過程及其特點，為第二節能量流動的實踐意義和應用的學習打下基礎。

1.2 學情分析

經過前兩章的學習，高二的學生對于模型建構的生物科學學習方法有了一定的認識。并且學生在第1節已經學習生態系統的結構，教師在學生進行能量流動模型建構時只需要創設情境，適當引導即可。而高中生對能量流動的定性和定量分析難度較大，所以在學生自主完成模型建構的基礎上，教師可以從生活實際出發，引導學生完成對能量流動的系統分析。

2 教學目標

（1） 知識目標：概述生態系統的能量流動；分析生態系統的能量流動的過程及特點。

（2） 能力目標：通過分析能量流動的概念和過程，建構相關模型；系統分析能量流動的過程和特點，解決實踐問題。

（3） 情感、態度與價值觀目標：體驗系統分析法在能量流動探究中的一般過程，激發學生學習生物科學的興趣。

3 教學重點和難點

嘗試建構模型，分析生態系統的能量流動及其特點。

4 教學策略與手段

本課采用了分層設問、自主探究、合作學習和模型建構等多種教學模式；利用多媒體課件，幫助學生直觀、生動地完成生態系統能量流動的概念、過程及其特點的模型建構和能量流動過程的系統分析；借助教師引導、小組討論、學生展示等活動實現分層突破本節課的重、難點。

5 教學過程

5.1 導入新課

教師展示課件漫畫，引入教材第93頁“問題探討”，激發學生的學習興趣。教師引導學生用“食物鏈、食物網”分析兩種備選策略的不同之處（圖1）。

教師引導學生回憶第一節生態系統的結構內容，使學生建立食物鏈與能量流動的聯系，從而導出課題，明確本節課的學習目標。

5.2 能量流動的概念

教師引導學生分析教材第93頁中能量流經一個種群的圖示，使學生初步建立定性分析能量流動的思路，由“個體”能量的輸入、輸出，推廣到對種群能量輸出、輸入的研究，初步培養學生建構模型的能力，引導學生建構能量流動概念的模型（圖2）：生態系統的能量流動是指生態系統中能量的輸入、傳遞、轉化和散失的過程。

教師在落實概念教學后，針對“傳遞”提出問題：能量是如何輸入生態系統的？并將該問題分解成兩個小問題：（1） 生態系統所需要的能量來自哪里？（2） 太陽能是如何輸入生態系統的？

在學生根據前面已有知識回答這兩個問題后，教師隨即引出能量流動的過程研究。

5.3 能量流動的過程

（1） 在研究了能量輸入途徑后，教師提出問題：“能量在生態系統中傳遞的途徑是什么？”這樣引導學生建構一個生態系統能量流動過程的基本模型（圖3）。

（2） 教師要求學生閱讀課本第94頁第二段文字，引導學生利用能量流動概念的模型去建構能量流經第一營養級的模型（圖4）。

（3） 引導學生分析能量流經第二營養級與第一營養級的不同，并要求學生嘗試建構能量流經第二營養級的模型（圖5），并進一步定性分析能量流動。另外教師補充“同化作用”的概念。

（4）引導學生分析每個營養級能量的輸入與輸出，并建構生態系統的能量流動模型（圖6），使學生進一步體驗科學探究的過程，完成對能量流動的定性分析。

在模型建構完成后，教師提出問題：生態系統中的能量和轉化是否遵循能量守恒定律？流經某個生態系統的能量能否再回到這個生態系統中來？

5.4 能量流動的特點

教師引導學生閱讀課本95頁，比較賽達伯格湖的能量流動圖解與建構的模型不同之處，學生分析數據，完成表1，計算生產者、植食性動物能量出入比，進而提高學生分析和處理數據的能力。同時教師提出問題：流入某一營養級的能量，為什么不能百分之百地流到下一個營養級？

通過小組分析討論，總結出能量流動的特點：單向流動，逐級遞減。同時根據教材，教師指出傳遞效率約為10%～20%。

教師利用能量流動的特點，完善能量流動的簡化模型（圖7），解釋模型中箭頭“方向和粗細”的意義。

5.5 解決實踐問題

（1） 教師利用多媒體課件第二次引入“問題探討”，引導學生用定量的方法更科學地幫助魯濱遜作出決策。

假設雞含有的能量是1 kJ，玉米含有的能量是15 kJ，按最大傳遞效率20%計算，且策略2中有1/5的玉米給雞吃，剩余的玉米給人吃，則兩種策略流入人體的能量各為多少？

學生計算如下：

策略1：1×20%+15×20%=3.2 kJ。

策略2：（15×1/5×20%+1）×20%+15×4/5×20%=2.72 kJ。

教師引導學生通過數據模擬、計算、比較，解決“問題探討”中的實踐問題。學生體驗了由定性分析到定量研究的方法，認同建構模型進行生物學習的價值。

（2） 應用已有模型建構的方法，嘗試建構能量流動的物理模型——能量金字塔。學生通過構建能量金字塔模型，解決“為什么食物鏈上一般不超過五個營養級”的問題。

5.6 知識總結

教師借助課件，引導學生回顧本節課的核心知識。學生自主總結，完善板書。

5.7 反饋練習與板設計（略）

6 教學反思

本節課中教師利用問題引導學生自主建模，并利用模型系統分析問題，將難點分解為多個模型的建立而得以巧妙突破。整節課教師2次引入“問題探討”中提出的實踐問題，層層深入，持續激發學生的學習興趣，活躍課堂氣氛。在學習中學生體驗到建模法對知識探究的樂趣，學生的科學探究能力在不斷解決相關問題的過程中得到提升。高中生物新課程標準指出：“提高每個高中學生的生物科學素養是本課程標準實施中的核心任務。”中學生物學知識點瑣碎，記憶的知識點也比較多，教師應當把模型方法應用于課堂教學之中，增強知識點之間的聯系，以提高學生的自主學習和科學探究能力。