基于科學思維的概念教學設計

丘城鋒

摘要：基于學生的認知動機、認知行為、認知方式和認知品質(zhì)，運用分析與綜合、模型與建模和批判性思維等科學思維方法對“能量流動”的概念進行構(gòu)建。

關鍵詞：科學思維 能量流動 概念教學

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：B

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》的基本理念以發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)為宗旨，課程的設計和實施追求“少而精”原則，內(nèi)容聚焦大概念，精簡容量、突出重點、明確學習要求，讓學生能夠深刻理解和應用重要的生物學概念，發(fā)展生物學學科核心素養(yǎng)。“科學思維”是生物學學科核心素養(yǎng)之一，是指尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴謹和務實的求知態(tài)度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。生物學概念建構(gòu)的過程就是學生逐步發(fā)展科學思維，基于生物學事實和證據(jù)去探索求知，獲取新知識的過程。

1教材和學情分析

“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”是人教版高中生物教材《必修3·穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》中第五章第二節(jié)的內(nèi)容，是生態(tài)系統(tǒng)的三大功能之一。在學習該功能之前，學生己建立了物理學的能量、能量傳遞、能量守恒等基本概念，己具備生物學中光合作用和呼吸作用的物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換觀念，己進行種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)組成成分和營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的學習。教師通過上述知識鋪墊，激發(fā)、培養(yǎng)、發(fā)展和完善學生的科學思維，聚焦能量流動概念的內(nèi)涵并拓展其外延（表1）。

2教學目標

①通過構(gòu)建能量流動概念，理解生態(tài)系統(tǒng)的能量流動過程，形成物質(zhì)與能量觀。

②通過構(gòu)建能量流動概念模型，發(fā)展分析與綜合、模型與建模、批判性思維等科學思維能力。

③通過數(shù)學方法分析賽達伯格湖的能量流動圖解，運用同位素示蹤法演繹推理能量流動過程，提升科學分析的能力。

④通過用能量流動規(guī)律解釋研究能量流動的意義，形成人與自然和諧發(fā)展以及可持續(xù)發(fā)展的觀念。

3教學設計思路

科學思維是人類對自然界中客觀事物的一種認知動機、認知行為、認知方式和認知品質(zhì)的反映。本節(jié)課的教學思路是對能量流動的概念進行提煉和升華：提煉過程要營造事實情境、尊重科學證據(jù)、運用科學思維加工和形成概念;升華過程包括提出觀點去解釋生活現(xiàn)象，運用方法去解決生活問題，進而提升對概念的認知品質(zhì)（圖1）。

4教學過程

4.1營造事實情境，激發(fā)認知動機

教師組織學生調(diào)查廣州白云山森林生態(tài)系統(tǒng)的能量流動情況。為使調(diào)查更具有科學性和目的性，調(diào)查前，教師提出以下問題：科學家是如何研究生態(tài)系統(tǒng)的能量流動？能量是怎樣輸入生態(tài)系統(tǒng)？不同營養(yǎng)級的生物是如何獲取能量？能量在不同營養(yǎng)級之間流動的渠道是什么？這些問題直指調(diào)查的方法和目的，明確學生的調(diào)查任務。

學生搜集資料，發(fā)現(xiàn)科學家研究能量流動的常用方法有直接觀察法、腸胃分析法和同位素示蹤法，學生比較3種方法后，結(jié)合調(diào)查的實際情況，采用直接觀察法調(diào)查白云山森林生態(tài)系統(tǒng)的組成成分，分析各種成分之間的結(jié)構(gòu)聯(lián)系，并初步探討該生態(tài)系統(tǒng)的能量流動途徑和過程。最后，教師引導學生將各自列舉的食物鏈（網(wǎng)）進行綜合歸納，構(gòu)建白云山森林生態(tài)系統(tǒng)最基本的能量流動模型：太陽光一生產(chǎn)者一初級消費者一次級消費者。教師依此事實情境，激發(fā)學生“崇尚真知，追求科學知識”的認知動機。

4.2依據(jù)科學證據(jù)，引發(fā)認知行為

激發(fā)學生的認知動機后，教師可將教材中林德曼的研究資料作為科學證據(jù)，指導學生分析賽達伯格湖的能量流動圖解中的數(shù)據(jù)并以表格的形式呈現(xiàn)（表2）。設置表格時，需引導學生明確表格的表題、行標和列標。學生對數(shù)據(jù)進行處理和分析后，設置下列問題：不同營養(yǎng)級的生物能量流動的具體過程有哪些？每一營養(yǎng)級“流入”的能量和“流出”的能量是否平衡？流經(jīng)上一營養(yǎng)級的能量為什么不能100%傳遞給下一個營養(yǎng)級？教師依據(jù)林德曼的科學證據(jù)，引發(fā)學生探析生態(tài)系統(tǒng)能量流動過程的認知行為，使學生初步得出能量流動的過程和能量在食物鏈中單向流動、逐級遞減的特點。

4.3運用科學思維.發(fā)展認知方式

科學的思維方法包括分析與綜合、模型與建模和批判性思維等，是形成概念的重要方法。結(jié)合科學事實與證據(jù)，教師引導學生運用多種科學思維的方法去理解能量流動的本質(zhì)和構(gòu)建“能量流動”的概念模型，進而發(fā)展學生的認知方式。

4.3.1分析與綜合

分析是把研究對象的整體分解為各個組成部分，分別進行研究的思維方法。綜合是在分析的基礎上，從整體上把握事物的屬性和本質(zhì)，是思維的延續(xù)和發(fā)展。依據(jù)賽達伯格湖的能量流動圖解，教師引導學生從生態(tài)系統(tǒng)能量的最初來源——太陽能入手來分析，根據(jù)光合作用和呼吸作用的關系，分析能量在第一營養(yǎng)級的流動情況。接著，引導學生比較能量輸入消費者與生產(chǎn)者的不同之處，根據(jù)消費者的同化量和攝入量的關系，剖析能量在第二營養(yǎng)級流動過程。以此類推，得出各級消費者能量流動的共性，再綜合概括生態(tài)系統(tǒng)中各營養(yǎng)級能量的來源和去向（圖2）。

4.3.2模型與建模

模型能反映事物的本質(zhì)特征和共同屬性，能說明認知對象的結(jié)構(gòu)組成、過程特點及規(guī)律。建模有助于學生抓住事物的關鍵要素，解釋生物現(xiàn)象和過程，加深對概念的理解，形成系統(tǒng)思維。

構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)的能量流動模型過程中，各營養(yǎng)級能量的來源和去向是本節(jié)課學生理解的難點。教師以“同位素標記法”為研究思路，為學生提供思維的切入點，借助物質(zhì)為能量的載體去分析能量的來源和去向，演繹推理以¹⁴C為標記的CO2同位素在白云山生態(tài)系統(tǒng)中不同組成成分出現(xiàn)的先后順序、方式來分析能量在該生態(tài)系統(tǒng)中的流動過程（圖3），同時培養(yǎng)學生的物質(zhì)與能量觀。

學生根據(jù)圖2和圖3構(gòu)建“四向能量流動圖”。教師提出問題：未被利用的能量儲存在哪里？時間足夠長的情況下，未被利用的能量又會去哪里？這樣使學生認識到“四向能量流動圖”是“三向能量流動圖”（圖4）在時間屬性上的變形。依據(jù)同位素標記法的分析，流入下一營養(yǎng)級和分解者分解的能量均來自于上一營養(yǎng)級生長、發(fā)育和繁殖的能量，據(jù)此構(gòu)建“二向能量流動圖”（圖5）。學生通過“多向能量流動圖”可以更為清晰地理解能量流動的去向。

結(jié)合賽達伯格湖的能量流動圖解和白云山生態(tài)系統(tǒng)的“同位素標記法”的演繹推理，教師促進學生運用分析與綜合、模型與建模的科學思維方法分析各營養(yǎng)級能量的來龍去脈，可有效地培養(yǎng)學生的科學思維，并對“能量流動”的概念進行提煉。依托對各營養(yǎng)級同化的能量去向分析，最終構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)能量流動的概念模型（圖6）。

4.4培養(yǎng)批判精神，提升認知品質(zhì)

構(gòu)建能量流動概念模型的過程中，需培養(yǎng)學生敢于用質(zhì)疑批判的精神去發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題，提升學生的認知品質(zhì)。例如，在講授“能量單向流動的特點”時，學生提問：“人食用秸稈培育的食用菌，這是否符合能量單向流動的特點？”學生指出，食用菌作為分解者，得出人食用菌類不符合能量單向流動的特點。此時，教師引導學生拓展食物鏈除具有捕食鏈、還有寄生鏈和腐生鏈，指出“農(nóng)作物秸稈一食用菌一人”的食物鏈是腐生鏈。學生由此可理解，腐生鏈中生物的能量同樣沿著營養(yǎng)級流動，遵循能量單向流動的特點。借此腐生鏈，教師可進一步引導學生理解能量流動的意義：農(nóng)民對秸稈的處理通常是直接燃燒，致使能量浪費和環(huán)境污染，而利用秸稈培育食用菌，可以實現(xiàn)能量的多級利用，提高能量利用率，使能量流向?qū)θ祟愑幸娴牟糠郑龠M人與自然和諧，可持續(xù)發(fā)展。

此外，教師還可以讓學生運用質(zhì)疑和批判的精神去解釋生活現(xiàn)象：飼養(yǎng)植食性動物成本低，產(chǎn)量高;農(nóng)田農(nóng)作物種植需及時清除雜草和蟲子;老虎和獅子等肉食動物容易成為瀕危物種;食物鏈（網(wǎng)）各營養(yǎng)級之間在個體數(shù)量、生物量和能量方面呈金字塔形的原因。學生嘗試將所學知識運用于生活情境中，解決實際問題，提升對“能量流動”的認知品質(zhì)。

5教學反思

在構(gòu)建“能量流動”概念的教學活動中，學生對概念的認知動機、認知行為、認知方式和認知品質(zhì)是逐漸提升的，體現(xiàn)科學思維的邏輯層次。教師立足學生的認知水平，引導學生調(diào)查白云山森林生態(tài)系統(tǒng)能量流動情況，結(jié)合林德曼的科學證據(jù)與同位素標記法的演繹推理構(gòu)建能量流動的概念，并運用多種科學思維的方法說明生態(tài)系統(tǒng)中能量流動的過程和特征，能對相關的生態(tài)學實踐應用作出合理的分析和判斷。