“應用生態學原理進行人工生態系統優化”一節情境教學

陳佳健

（湖南師范大學附屬中學 湖南長沙 410006）

情境教學以解決現實生活中遇到的問題為目標，故教學中要選擇真實性任務［1］。教師給予學生解決問題的原型，并指導學生探索，使學習在與現實相類似的情境中發生,不對其做過于簡單化的處理。真實性任務具有復雜性、整體性與多樣性，更容易激發起學生的內部動機。學生在完成任務時，概念性的知識也在情境中通過活動被合成。

1 教學情境

1.1 現實背景 2005年8月,時任浙江省委書記的習近平同志在浙江湖州安吉考察時就提出“綠水青山就是金山銀山”這一科學論斷。2017年10月18日，習近平同志再次在“十九大”報告中強調,必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅持節約資源和保護環境的基本國策，堅持人與自然和諧共生［2］。

生態農業是按照生態學原理和經濟學原理，通過人工設計協調發展與環境之間、資源利用與保護之間的關系，獲得較高的經濟效益、生態效益和社會效益的現代化高效農業［3］。隨著中國城市化的進程加速,生態農業的發展空間將得到進一步深化。

1.2 真實性任務 團結村地處丘陵地帶，村中水脈縱橫。村民因地制宜將天然濕地改建成魚塘、水田，將山頭改建成果園，村中主要有以下3 類人工生態系統：魚塘生態系統、水田生態系統和果園生態系統。但3 類人工生態系統在運轉過程中都或多或少遇到了一些問題：魚塘生態系統旁有許多農戶養豬，豬糞直接排至魚塘中，導致魚塘中水體富營養化，藻類大量增殖，魚類經常因為缺氧而死亡；水田生態系統在種植水稻時飽受稻飛虱、卷葉螟等蟲害之苦，村民需要大量使用農藥，但這不僅污染環境，而且增加了成本；果園生態系統也經常爆發由蛾、蝶類幼蟲導致的蟲害，導致水果品質變差甚至產量減少。

請學生利用生態系統結構和功能的原理，以小組為單位為團結村現有人工生態系統提出優化方案，形成“無污染、高產出”的生態農業體系。教師提供下列材料或生物:沼氣池建造材料、太陽能黑光燈、多種魚苗、雞、蟹、鱉、鴨、蝦、蚯蚓和牛蛙供學生選用。

2 方案范例

學生先在小組內部進行討論,再由教師組織對3 類人工生態系統（魚塘生態系統、水田生態系統、果園生態系統）對應的優化方案進行展示。討論過程中，各小組形成了不同的優化方案；展示過程中，學生可分享不同的優化方案，并對其中不完善的地方進行進一步的討論。

以下為學生在課堂中經過充分討論形成的部分優化方案：

1）魚塘生態系統：①投放多種魚苗：不同魚類適應于水體不同深度,這能豐富池塘中群落的空間結構，使資源得到最大化利用。②飼喂蚯蚓：用豬糞、魚糞作為飼養蚯蚓的基質，蚯蚓可作為魚、雞、牛蛙的食物。③利用沼氣池建造材料建造沼氣池：將豬糞、魚糞排入沼氣池中進行發酵，產生的沼氣可用于村民的生活與照明,產生的沼液中含有大量無機鹽離子可作為水稻或果樹的肥料，產生的沼渣中含有大量有機物可用于喂魚或養雞。

2）水田生態系統：在水田中養魚、蟹、鱉、鴨、蝦等。以在水田中養魚為例，在水田中投放魚苗，在養殖期間間斷性地在田中多放些水,深水中的魚苗可將附在水稻基部的害蟲或田間雜草作為食物基本清除,而魚糞經過稻田中微生物的分解可成為水稻的肥料,同時水稻植株可為魚類遮陰以保證其生存的溫度。待魚苗長到一定大小，就打開水田連通池塘的溝渠，將魚引入池塘繼續飼養。這樣既在不造成環境污染的同時解決了水稻的蟲害，又在水稻增產的基礎上可繼續通過養魚創收。在水田中投放適量的蟹、鱉、鴨、蝦，可起到相似的作用。

3）果園生態系統：①利用太陽能黑光燈滅蟲。黑光燈可發出人眼不可見的紫外線,但昆蟲對該波長的光很敏感。被黑光燈引誘來的蛾蝶類昆蟲可再用化學或電的方法加以殺死,并作為雞或牛蛙的食物。②在果園中養雞。雞能除草滅蟲，果園中的害蟲或雜草可成為雞的食物,這能節省養雞飼料的成本；而雞糞經過土壤中微生物的分解可作為果樹的肥料，這能節省果樹肥料的成本；同時雞在種滿果樹的山頭走動能促進生長，增強體質，提高肉質。綜上，這一措施能減少養雞與原有果園項目各自生產投入，同時提高水果與雞的品質，從而提高農民的投資回報率。③在果園中養殖草菇。參照人教版必修3 第77 頁 “科學·技術·社會”欄目中提供的信息，可利用果樹種群下微弱的光照、較高的空氣濕度和較低的風速等特殊環境條件，在果樹下加入一個人工栽培的草菇種群。草菇利用這種適宜的環境條件生長發育,栽培草菇剩下的基質又給果樹提供了營養［4］。

學生還提到可在團結村建造農家樂,為人們提供回歸自然、獲得身心放松的休閑旅游方式，從而開發生態系統的直接價值,例如,提供池塘垂釣、水田摸魚、果園露營等活動,用土生土長的雞、魚等制作特色農家菜等。

3 原理總結

教師引導學生從得到的優化方案中提取出所包含的生態學原理,并用板書即時記錄提煉得到的生態學原理（圖1）。例如向水田生態系統中引入鴨、蝦等其他生物防治蟲害這一措施，增加了生態系統中的物種豐富度,從而提高了生態系統的自我調節能力；向農田中引入其他物種并不是漫無目的,而是從營養結構層面上重新合理設計了食物鏈；對食物鏈的重新設計帶來了能量沿食物鏈的流向改變，為了創造更多收益，經過設計后的食物鏈讓能量更多地流向對人更有益的部分，提高了能量利用率；物質是能量的載體，這里又涉及到了物質隨能量流動循環再生。

圖1 有關生態學原理的總結板書

分析的過程中,教師還應隨時結合方案中的具體措施對學生產生的疑問進行點撥講解。以講解“實現能量的多級利用”與“使能量持續高效地流入對人類最有益的部分”有什么區別與共同點為例：前者指廢物再利用，即不改變現有的能量流動關系，其中產生了一些離開食物鏈的廢物，人們繼續利用廢物中包含的能量，例如，用秸稈做基質培養食用菌、利用沼氣池處理糞便；后者改變食物鏈中的能量流動關系，例如，雞在果園中吃青草、草籽、害蟲；這2 項措施對人類來說，都能提高能量利用率。為了將這一疑難解決得更加透徹，還可結合之前討論中生成的優化方案進行整理,分析哪些具體措施體現了“實現能量的多級利用”，哪些具體措施又體現了“使能量持續高效地流入對人類最有益的部分”，對易混淆的實例進行及時辨析，例如，用魚糞作水稻肥料并不能體現“能量的多級利用”，因為植物不能直接利用有機物，只能利用無機鹽。

4 教學反思

本節課中,教師有目的地創設了具體生動的情境，讓學生將“生態系統結構與功能”有關理論知識在具體情境中使用,這能幫助學生進行知識的重組與遷移，實現知識的同化與順應。在課堂中生生之間或師生之間的密切交流,使學生在互相合作中得到更加完善的方案，并理解了“可持續發展”的社會責任。

但在此過程中，教師應注意以下3 個問題：

1）要具備較強的教學組織能力：情境教學是一種較為開放的教學模式，但絕不是雜亂無章、毫無秩序的。教師既要讓學生在和諧、寬松的氛圍中積極主動地進行各種活動,又不能讓課堂成為鬧市。這就對教師的教學組織能力提出了較高的要求，教師要能做到收放自如，使課堂教學活潑而有序［5］。

2）給予恰當的評價：在情境教學中，學生的活動較多,教師對學生的學習結果一定要給予恰當的評價。教師的評價可引導學生探究的方向，也會使學生獲得愉悅甚至成就感,從而成為學生學習的強大動力。

3）難度適當，照顧不同層次的學生：一個班級總有層次不同的學生,教師在創設情境時要注意難度適當,同時可通過小組合作等手段使不同層次的學生都能參與進來，得到提高。