基于概念模型構建的“生態系統的能量流動”一節的教學設計

陳 鵬 （江蘇省溧陽中學 江蘇溧陽 213300）

1 教材分析及設計思路

“生態系統的能量流動”一節是人教版必修3《穩態與環境》第5 章第2 節的內容。本節內容是學生在學習了第1 節生態系統的結構內容后，對于生態系統功能的首次學習，而本節內容的學習也是以生態系統的結構（成分與食物鏈、食物網）為前提；同時生態系統的能量流動也是第3 節生態系統物質循環的動力，兩者之間相輔相成。在必修1《分子與細胞》內容中，微觀的細胞層次的呼吸作用和光合作用涉及的能量轉換，是該節內容宏觀生態系統層次能量流動的細胞學基礎，所以必修1 相應內容的復習是本節內容學習的鋪墊。

能量流動過程與特點是本節課的重點和難點。第一營養級和第二營養級能量的輸入和輸出是本節課學生理解的難點。鑒于抽象、宏觀的內容特點，本節課以“同位素標記法”為研究方法，為學生提供思維的切入點；以“構建生態系統能量流動概念模型—校驗生態系統能量流動概念模型—形成生態系統能量流動概念模型—應用生態系統能量流動概念模型”為線索。通過分析具體的農田生態系統中，同位素放射性標記的CO2在生態系統成分中出現的先后對象、形式、途徑，以物質為載體滲透能量的流動分析歸納，構建生態系統能量流動的概念模型、理解能量流動的過程和特點。在形成概念模型構建整體認識的同時，幫助學生形成物質是能量的載體這一物質能量觀，培養學生的核心素養。

2 學情分析

學生已學習了細胞呼吸、 光合作用能量轉化過程；生態系統結構（成分與食物鏈、食物網）相關內容，為學習本節內容儲備了良好的前知識概念。而學生在必修1 分泌蛋白的合成和分泌內容中，通過同位素標記追蹤分泌蛋白的過程，已形成了同位素標記能直觀呈現微觀的抽象流動性這一認識，為本節課的學習提供了思考、分析的切入點。

3 教學目標

1）知識目標：分析生態系統能量流動的過程和特點，分析某個生態系統的能量傳遞效率，舉例說明研究能量流動的實踐意義。

2）能力目標：嘗試運用科學方法（同位素標記）分析能量流動問題，嘗試構建“能量流動”概念模型和“能量金字塔”物理模型。

3）情感態度與價值觀目標：認同物質是能量的載體這一物質能量觀，形成對概念模型構建的整體認識，關注生態系統能量流動生物學知識在現實生產中的應用。

4 教法分析

采用小組合作學習法。通過對問題的分析、歸納得出能量流動的概念模型；同時通過構建能量金字塔物理模型，呈現學生不同的思維過程，加深對能量流動特點的認識和理解，真正實現課堂中學生主體地位的回歸。

5 教學重、難點

重點：1）生態系統的能量流動過程；2）生態系統的能量流動特點。

難點：能量流經第一、第二營養級情況的比較。

6 教學過程

6.1 創設情境，激發學習熱情 呈現稻谷收割季節隨處可見的“禁止焚燒秸稈”宣傳標語圖片，并提出問題：“秸稈有哪些用途？ ”引導學生分析、討論秸稈中所包含的能量，引入課題。

6.2 溫故知新，做好學習鋪墊 學生共同回憶必修1 中細胞呼吸、 光合作用流程圖中相關生理過程、能量形式，為學習宏觀的生態系統能量流動做好準備。

6.3 分析案例，構建概念模型 以具體的秸稈所在的農田生態系統為對象，以林德曼的賽達伯格湖能量流動圖解為案例。通過分析以14C 為標記的CO2的同位素在農田生態系統成分中的出現順序、形式、途徑等，并結合物質轉換過程中的能量轉化，實現由物質到能量的遷移，構建能量流動概念模型；以林德曼的賽達伯格湖具體案例為實驗依據，通過與構建的能量流動概念模型進行比較，對構建的模型進行校驗并形成概念模型；最后通過現實生活中的具體實例，從能量流動角度進行解釋和分析，應用模型，達成學習目標。

6.3.1 同位素標記分析、構建模型 以秸稈所在的農田生態系統為例，通過14C 為標記的CO2的同位素在不同生態系統成分中出現的先后順序、形式、借助的生理過程，并結合物質是能量的載體這一生命觀念，分析能量在不同生態系統成分中的流動過程，構建模型。

教師活動1： 呈現農田生態系統典型生物類群（農作物、鼠、蛇），引導學生進行問題探討：1）用箭頭表示同位素在3 種生物中出現的先后順序；2）在3 種生物體內14C 以怎樣的形式出現？ 又要借助于怎樣的生理過程才能實現？ 3）能否出現在生態系統其他成分——分解者、無機環境中？又是以怎樣的形式？必須借助怎樣的生理過程？引導學生以同位素標記法為切入點，探討生態系統中的物質轉換過程。

學生活動1：結合前面所學知識內容，寫出食物鏈，完成問題探討，標出以14CO2為起點在農田生態系統各成分中與14C 轉換相關的物質存在形式和相應的生理過程。

設計意圖：以同位素標記法為切入點，以物質分析為載體，首先引導學生通過物質轉換的分析，為能量的轉化分析做好鋪墊。

教師活動2：在物質轉換的基礎上，反問：今天的課題要講能量流動，但一直分析的是14C 標記的CO2的物質轉換，哪里有能量流動？到底有沒有？真的沒有嗎？借助知識回憶內容中對于光合作用、細胞呼吸生理過程中能量的轉化關系，引導學生在以物質為載體的前提下，進行蘊含的能量轉化的分析（圖1）。

學生活動2：聯系知識回憶內容，對14C 標記的CO2的物質轉換過程中蘊含的能量流動過程進行分析、討論。

設計意圖：基于學生最近發展區，以物質轉換為外在顯性線索，分析伴隨的內在隱性能量轉化過程，使學生形成能量轉化是以物質轉換為前提和載體的生命觀念。

教師活動3： 以農田生態系統中的其他同營養級生物為例設置問題，讓學生演繹推理它們的能量流動情況，進行歸納、總結，構建能量流動概念模型，并通過問題鞏固模型。

學生活動3：分析、歸納得出農田生態系統中的不同營養級生物的能量流動情況，構建能量流動概念模型。借助問題分析、討論，加深對模型的理解。

設計意圖：概念的形成、模型的構建要基于大量的事實依據，因此以其他生物并推而廣之到某一營養級生物的能量流動情況，構建能量流動概念模型。

6.3.2 利用賽達伯格湖案例校驗模型 以賽達伯格湖的能量流動定量分析圖為實驗依據，通過表格對該案例進行定量分析，了解賽達伯格湖的能量流動情況；并通過表格對能量流動概念模型及賽達伯格湖的實驗數據從過程、 特點2 個方面進行分析、比較，校驗模型。

教師活動1： 展示賽達伯格湖能量流動定量分析圖，設計表格（表1），讓學生完成數據填寫，并計算能量流動傳遞效率。

學生活動1：完成表格，并對能量流動過程傳遞效率進行計算。通過整理、計算數據，了解賽達伯格湖的能量流動過程。

表1 賽達伯格湖能量流動分析表［單位:J/（cm2，a）］

設計意圖： 在構建能量流動概念模型的基礎上，通過對賽達伯格湖能量流動過程的定量分析，收集具體案例數據，為模型校驗提供依據。

教師活動2：設計表格（表2），引導學生對構建的模型和實際案例進行比較分析，判斷模型的科學性、正確性，校驗模型，得出實驗結論。

學生活動2：依據表格，完成理論模型和實際案例的比較，校驗模型，得出實驗結論。

設計意圖：構建的理論模型正確與否，需要實驗現象和數據的驗證。通過表格對比理論模型和實際數據的一致性，對模型進行校驗，得出結論。

表2 能量流動概念模型和賽達伯格湖能量流動案例比較分析表

6.3.3 比較分析、 形成模型 在比較理論模型、實際案例數據的基礎上，對模型進行修正，形成生態系統能量流動的正確概念模型（圖2）。

教師對模型進行簡化和說明，使學生形成正確的生態系統能量流動模型和概念。

學生借助問題，對模型進行分析、說明，理解模型。

設計意圖： 歸納總結得出正確的生態系統能量流動概念模型。

6.3.4 構建物理模型、解釋現象原理、應用模型解決實際問題 通過對能量金字塔物理模型的構建及現實生活中相關應用領域的現象和原理解釋，讓學生應用生態系統的能量流動概念模型解決實際問題，加深對模型原理、特點的理解。

教師活動1： 提供白紙、3 種不同顏色的其他紙、膠水、剪刀。不同顏色代表不同營養級生物，紙片大小表示所含能量多少（傳遞效率為20%），構建第一、第二、第三營養級之間能量多少的物理模型。

學生活動1：小組合作，動手完成用紙片表示第一、第二、第三營養級生物之間能量多少的物理模型構建。

設計意圖：學生通過親自動手構建模型，體會能量流動過程的特點。

教師活動2：展示實際生活中相關現象或應用，讓學生運用能量流動相關知識進行說明和解釋：1）虎等大型肉食動物容易成為瀕危物種；2）飼養牛、羊等動物，成本低、產量高；3）農作物栽種時要及時清除雜草；4）依據草場的實際情況，確定載畜量；5）蘇北農村將秸稈做飼料喂牲畜；牲畜糞便進行沼氣發酵。并進行點評。

學生活動2：運用生態系統能量流動概念模型相關知識進行解釋和說明。

設計意圖：通過對現實生活中相關實例的分析和說明，加深學生對能量流動的理解，并體會研究生態系統能量流動的現實指導意義。同時借助最后一方面的應用引入對于糞便中能量的討論，進而突破能量流經第一、 第二營養級情況差異這一難點。

教師活動3：展示概念圖（圖3），讓學生將與第二營養級相關的能量概念按照相互的大小、包含關系填入概念圖中相應位置：攝入的能量、固定的能量（同化量）、用于生長發育繁殖的能量、呼吸作用散失的能量、糞便量。

學生活動3：通過小組分析、討論各能量概念的含義、大小關系，完成概念圖。

設計意圖： 借助概念圖這一直觀形式表示能量之間的相互包含關系，幫助學生理解能量流經第二營養級的具體情況，突破難點。

本節課以物質轉換分析為切入點，在此基礎上進行能量轉化的分析，并在整個教學過程中以完整的概念模型構建為線索，借助具體的案例、現實應用和概念圖，幫助學生理解相關內容、突破難點、達成學習目標，較為順利地使學生形成物質能量觀、體會概念模型構建的一般過程。