“生命之網穩定的維系
——生態系統的功能”單元設計

姚亭秀 白建秀 陳 俠

(1 北京市第八十中學 北京 100102； 2 北京市朝陽區教育研究中心 北京 100028； 3 北京教育學院朝陽分院 北京 100026)

1 單元教學內容分析

生態系統中的各種成分相互影響，形成多樣化的生態系統，完成生態系統的功能——能量流動、物質循環和信息傳遞。其中，能量在生物群落中單向并逐級遞減的流動是生命活動持續運轉的動力機制；同時生物群落與無機環境之間不斷進行的物質循環，既是維持生命活動的物質基礎，又是能量的載體；物理、化學和行為信息在生態系統中不斷傳遞，對生命活動的正常進行、生物種群的繁衍和種間關系的調節起重要作用，是生態系統調控的基礎。三者在生態系統中緊密聯系，不可分割。生態系統正是在一定的時間和相對穩定的條件下，通過多種功能流(能量流、物質流、信息流等)對組成生態系統的結構要素進行調控，進而維持整個生命之網的穩定(圖1)，因此，將本單元設計命名為“生命之網穩定的維系——生態系統的功能”。

同時，生態系統的能量流動、物質循環、信息傳遞均屬于生態學的研究范疇，在研究方法上具有一致性。不同于“傳統的科學實驗”(實驗者在相關理論的指導下，運用一定的實驗儀器，對實驗對象進行干涉，從而獲得相應的實驗現象)，“生態學研究”是在不干涉或少干涉實驗對象，以致于在沒有破壞“自然發生”的條件下，獲得對生物與環境之間關系的認識[1]。因此，生態學具有獨特的研究方法論： ①模型建構是生態學研究的必需方法；②對生態學問題的研究要具有層次性的理念；③生態學只有按照進化論才可以解釋[2]。

圖1 單元知識結構

另外，生態學是自然科學和社會科學的橋梁，被廣泛用于解決社會中的實際問題[3]。只有加強對生態系統自我調控閾值的研究，才能掌握調控和維持生態系統正常運行的機制，才能科學解決全球所面臨的資源與環境方面的問題。因此，引導學生掌握基礎生態學知識、體會生態學研究方法，深刻認識環境污染產生的本質所在，利于學生科學處理人與自然的關系，樹立和踐行“綠水青山就是金山銀山”理念，形成生態意識，參與環境保護實踐。

2 單元教學設計思路

2.1 設計策略 通過問題情境的解決，使學生在主動參與實踐活動的過程中，深刻理解、構建和應用重要的生物學概念，并利用多元的評價策略，培養學生用能量觀、物質觀、信息觀分析生態系統的意識，促成并發展學生的生物學學科核心素養。

2.2 單元任務分解 課題順序上，正如教材所述“一切生命活動都伴隨著能量的變化。沒有能量的輸入，也就沒有生命和生態系統”，可見能量流動的重要性，同時必修1“分子與細胞”模塊中，呼吸作用、光合作用是宏觀生態系統層次能量流動的細胞學基礎。因此，將能量流動安排為第一課題，突出知識的生物學意義，符合學生的認知規律；同時，能量流動以物質為載體，物質周而復始的循環，是一切生命活動的齒輪，是人類社會發展與進化的基本原動力和基本載體，物質循環與能量流動同時進行、不可分割。因此，物質循環安排為第二課題，體現知識的連貫性、關聯性。信息傳遞安排為第三課題，因為信息傳遞作為生態系統的又一大功能既存在于能量流動、物質循環過程中，又把各個組分連成一個整體，隨時對系統進行控制和調節，對穩態的維持意義重大(圖2)。

圖2 單元任務分解

3 單元教學目標

基于課程標準的內容要求、學業要求和學業質量標準，并圍繞培養學生核心素養的要求，制訂了如下單元教學目標：

(1) 能從“物質與能量觀”、“穩態與平衡觀”，說出生態系統的物質循環與能量流動的關系，以及信息傳遞對維持生態系統的穩定所起到的重要作用。

(2) 嘗試建立模型并運用比較、分析與綜合、定性與定量、批判性思維等科學思維的方法，說明生態系統中能量流動、物質循環和信息傳遞的過程、特征及其在生態系統中的作用；

(3) 嘗試提出關于生態系統能量流動量化研究、生態系統信息源類型探究實驗的實驗方案；

(4) 能夠對相關生態學現象作出合理的分析和判斷，為生態資源的合理利用及維持其可持續發展提出有價值的建議。

4 主要單元教學過程

4.1 “生態系統的能量流動——動力機制”課題 共分為四個教學環節。

環節一： 力爭以已有學習知識為鋪墊(圖3a、 b)，建立有關“能量”知識間的聯系，體會生態學研究的層次性、系統性，使學生從低級層級的能量流動路徑中得到對高級層次宏觀現象及其規律的深入理解，也以高級層次為背景，更清晰地厘清低層次的能量流動路徑；并引發學生對生態系統水平能量流動特殊路徑(即“傳遞”)的思考，體會生態系統能量流動研究的重要意義；此外，定性模式圖的繪制為環節二中定量模式圖的建構奠定基礎。

環節二： 提供具體的生態研究區域，引導學生討論“進行該生態區能量流動量化研究的大體流程”，并提供該區生態系統能量流動測算數據(圖3c)[4]，組織學生通過對數據的整理、分析，建構山東俚島魚礁生態系統能量流動定量模式圖(圖3d)，體驗生態學重要的研究方法——模型建構法，由知識技能轉入對學生學科思想方法的培養，實現學生思維與行為訓練的相統一。

環節三、四： 借助塞達博格湖、銀泉、俚島魚礁能量流動圖解，引導學生討論能量在生態系統中轉化、流動的特點、規律，讓學生樹立能量觀，參與討論提高能量利用率的途徑和方法，提升知識的實踐價值。

(a)

(b)

4.2 “生態系統的物質循環——基本載體”課題 該課題的知識難度不大，因此側重對學生科學思維和社會責任意識的培養和訓練。如環節二，借研究數據(圖4)引導學生分析“全球氣溫升高是否只與溫室氣體的排放有關？”訓練學生的批判性思維。再如環節四，選擇貼近學生生活的社會熱點問題進行研討，切實落實對學生社會責任意識的培養。

圖4 全球氣溫變化統計[5]

4.3 “生態系統的信息傳遞——調控基礎”課題 通過對學術研究成果的分析，訓練學生的科學探究能力，并為后續“穩態與平衡觀”的形成奠定基礎。同時，引導學生體會信息傳遞意義的同時，嘗試使學生體會信息傳遞在生物進化中的作用，不斷滲透進化觀，使其成為學生在生態學研究方法到結果解釋全過程的指導原則[6]。

4.4 關聯知識 體悟價值 最后，引導學生構建生態系統能量流動、物質循環、信息傳遞之間的關系(圖5)，總結單元題目“維系生命之網的穩定——生態系統的功能”，并思考生態學研究方法的獨特性及研究價值(圖5)。

圖5 單元教學效果反饋

5 單元教學反思

5.1 借用生態學研究方法，建構生態學概念 本單元設計貫穿了模型建構法的方法，突破了三部分知識間的獨立性，有效幫助學生厘清復雜生態系統中能量流動、物質循環、信息傳遞在研究方法上的一致性。

5.2 利用科研素材和真實事件，搭建學生學習能力展現的舞臺 精心選用與教材內容密切相關的真實、豐富的科研素材，并與教材內容合理整合，使學生在真實且開放的情境中習得知識，提升能力。

5.3 巧用問題激發社會責任意識，倡導學生學以致用 以學生熟悉的社會熱點問題為切入口，在對大氣中CO2含量的變化、有害物質富集、秸稈焚燒、沼氣利用等問題的探討中培養學生的社會責任意識，真正實現為生態文明培養傳播者、為美麗中國培養建設者。