“生態系統能量流動”一節疑難知識的教學策略

童雅赟 （四川省綿陽中學實驗學校 四川綿陽 621000）

1 教學分析

“生態系統能量流動”一節分析了生態系統能量流動的情況，與“細胞的能量利用與供應”“生態系統的物質循環”等內容相聯系，同時緊密聯系物理學知識，揭示了生命與能量、物質與能量的關系，內涵豐富、重難點凸顯。僅就知識目標而言，通過教師的直接講解，學生也能接受大部分的難點知識，但這樣的教學方式違背了“以學生為主體，以教師為主導”的現代教學理念，削弱了學生探究學習、主動學習的熱情。

宋代教育學家朱熹說過：“讀書無疑者須先教有疑，有疑者卻要無疑，到這里方是長進?！痹谔幚肀竟澮呻y知識的過程中，筆者以系列提問為載體，激勵學生發現問題、思考問題、解決問題。文中設計的系列問題是學生既有一定基礎，又需進一步思考解決的問題，旨在幫助學生建立新、舊知識間的橋梁，引導學生聯系舊知識，解決新問題，符合建構主義教育學對問題設計的要求： 提出問題時除了基于學生已有知識和經驗以外，還需反映新知識［1］。認知主體的認知發展過程中，只有當發生認知沖突時，才會發生“順應”過程，順應的結果則是調整認知主體原有的認知結構，達到一種更高級的新的認知平衡［2］。為了更好地啟發學生思維，文中對部分問題采用了創設矛盾情境的提問方式，引導學生進入矛盾情境、 解決矛盾情境、達到新的認知平衡。

2 疑難知識及教學策略解析

2.1 攝入量、同化量與糞便量的關系

2.1.1 問題設計

①消費者能否將攝入的物質完全消化、吸收，轉化為自身的物質？

②消費者若不能將所攝入的物質完全消化、吸收，請思考該部分物質中化學能的去向？

③什么是攝入量、同化量、糞便量？ 它們三者的關系是什么？

④大象是植食性動物，有一種蜣螂專以象糞為食，大象的同化量可否流入蜣螂體內？

2.1.2 教學策略解析 前2 個問題是學生已知的內容，目的是引導學生回憶已有知識，為新知識的拓展做好鋪墊：對各級消費者而言，其攝入的物質并不能被完全消化、吸收。能消化、吸收的物質最終轉變為自身的物質；不能消化、吸收的物質以糞便的形式排出體外。第3 個問題出現在前2 個問題的基礎上，符合維果茨基的“最近發展區理論”，通過循序漸進的提問，學生在聯系舊知識的基礎上能夠較為容易的獨立拓展出新的知識網絡：消費者攝入食物中儲存的化學能即為攝入量，其中能消化、 吸收轉化為自身的物質中儲存的化學能為同化量，糞便中的能量為糞便量。可見，糞便量并未被本營養級同化，消費者的攝入量為其同化量與糞便量之和。第4 個問題通過實例的形式強化學生對新知識的理解和應用： 題設中蜣螂利用的是大象糞便中的能量，這部分能量不屬于大象的同化量，因此大象的同化量不會流入蜣螂體內。

2.2 未利用的能量

2.2.1 問題設計

①為什么教材的圖5-6、 圖5-7 中不存在未利用的能量？ 而圖5-8 存在未利用的能量？

②未利用的能量指代的是哪部分能量？

③未利用的能量儲存在哪里？ 時間足夠長的情況下，未利用的能量最終會被利用嗎？

④結合教材的圖5-6、5-7、5-8 總結什么情況下考慮未利用的能量，什么情況下不考慮？

2.2.2 教學策略解析 第1 個問題創設矛盾情境，引發認知沖突，激發學生興趣。第2 個問題引導學生由概念入手，明確研究對象： 未利用的能量，指的是未被自身呼吸作用消耗，也未被后一營養級和分解者利用的能量。第3 個問題拋磚引玉，引導學生突破矛盾聚焦點，達到新的認知平衡：根據第2 問可知，未利用的能量以化學能的形式暫存于生態系統中。若時間足夠長，一定時間內未利用的能量其實還是會通過呼吸作用等方式被利用。第4 個問題引導學生歸納總結：生態系統能量流動有2 種分析方法，一種是 “定量不定時分析法”，另一種是“定量定時分析法”［3］。教材圖5-6展示第二營養級一定攝入量的最終去向，圖5-7展示生態系統一定同化量的最終去向，2 幅圖都反映一定能量的最終去向，是定量不定時的分析，不存在未利用的能量。而教材圖5-8 展示的是1915—1942年這一時間段內賽達伯格湖的能量流動情況，是定量定時的分析，在這段時間內存在未利用的能量。即一定時間范圍內才存在未利用的能量，若不限時，一定的能量最終總會被消耗完。

2.3 能量傳遞效率的運用范圍

2.3.1 問題設計

①若一只兔子的同化量為105，一只狼捕食了這只兔子，可否依據能量傳遞效率計算出這只狼攝食該兔子獲取的能量的取值范圍？

②能量傳遞效率的含義是什么？

2.3.2 教學策略解析 第1 個問題是學生的易錯題，部分學生很可能依據10%～20%的能量傳遞效率計算出104～2×104的錯誤答案，接著提出第2個問題引導學生自己發現錯誤。通過這2 個提問的配合，旨在加深學生理解能量傳遞效率的運用范圍： 能量傳遞效率是指下一營養級所有生物的同化量約為上一營養級所有生物的同化量的10%～20%，不適用于種群和個體。營養級間的能量傳遞效率不能用于計算個體之間能量傳遞，一只狼攝食一只兔子獲取的能量取值范圍無法通過營養級之間的能量傳遞效率進行計算。

2.4 區分“能量傳遞效率”和“能量利用率”，以及“能量多級利用”與“能量循環利用”

2.4.1 問題設計

①何謂提高能量利用率？ 圖1、圖2中哪個生態系統中的能量利用率更高？ 為什么？

②何謂能量傳遞效率？生態系統能量利用率提高，是否也意味著生態系統的能量傳遞效率提高？

③農業生態系統b 中人糞便中的能量可否再次流入人體？ 通過什么途徑實現？

④農業生態系統b 中人糞便中的能量2 次流經人體，這部分能量是否被循環利用了？能量可以循環利用嗎？

2.4.2 教學策略解析 上述問題的材料源自于課后習題，使得提問形象具體，在課后習題的基礎上水到渠成地引導學生加深思考。第1 個問題讓學生明確“提高能量利用率”的含義，并學會利用能量流動圖解判斷能量利用率的高低：提高能量利用率是指通過研究生態系統的能量流動，使能量更多地流向對人有益的部分，而通過能量流動圖解，可知農業生態系統b 中的能量能更多地流向對人類有益的部分，所以能量利用率更高。第2個問題引導學生回顧能量傳遞效率的基本概念，強化區分能量利用率與能量傳遞效率2 個概念。相較于農業生態系統a，農業生態系統b 能量利用率更高，但各營養級之間的能量傳遞效率依然是10%～20%，能量傳遞效率保持不變。

第3 個問題訓練學生讀取圖文信息的能力，同時讓學生進入情境，為第4 個問題的提出做好鋪墊。學生根據能量流動圖解可以看出：人糞便中的部分能量可先后經由沼氣池中的微生物、 食用菌的同化作用，最后又以食物中化學能的形式再次被人類攝取。第4 個問題創設矛盾情境引起認知沖突，最終引導學生達到新的認知平衡，并強化區分“能量多級利用”與“能量循環利用”2 個概念： 人糞便中的能量第1 次流經人體時未被消化吸收、同化利用，第2 次流經人體時才有部分以食物中化學能的形式被同化利用，因此這部分能量并未被循環利用，這被稱之為實現了能量的多級利用，能量不能循環利用。

2.5 生命系統的有序性

2.5.1 問題設計

①從熱力學第二定律可以推知，一個特定體系的有序性要增加，其環境的無序性便必須增加［5］，請據此推測生命系統如何保持自身的高度有序性。

②生命系統降低環境的有序性以增加自身的有序性的具體途徑是什么？

2.5.2 教學策略解析 第1 個問題以熱力學第二定律作為問題的切入點，聯系學科間知識，循序漸進地引導學生達成認識： 生命系統是開放的系統，它能通過吸收外界環境中的能量維持自身的有序性，在增強自身有序性的同時降低環境的有序性。第2 個問題解答生命系統維持自身有序性的生物學途徑，完善生物學科知識體系構建：生命系統是與外界環境緊密聯系的開放系統，它不斷地與外界環境發生物質和能量的交換。它從環境吸收日光（植物）或富含自由能的有機物（動物、真菌等），而將熱及含自由能很少的簡單物質（代謝廢物）送回環境。環境熵增而生命系統從環境中吸收負熵［6］。

3 教學反思

筆者通過問題引導式的教學策略解決上述5個疑難知識點，收效顯著：不但通過環環相扣的提問逐步降低了新知識的難度，深入淺出地解決了難點問題，而且立足舊知識、解決新問題和創設矛盾情境的提問方式也極大地調動了學生主動學習的積極性，激發了學生質疑、探索的科學精神，達成了“以教師為主導，以學生為主體”的教學目標。