基于科學史和系統論的“生態系統的能量流動”教學設計

朱靖

摘要 在“生態系統的能量流動”一節的教學中，以真實情境展開討論，探討生態系統研究的意義和方法，提升學生社會責任意識;充分運用科學史素材滲透系統論的思想和方法，使學生親歷林德曼的思維過程和探究歷程，從定性和定量兩個角度建構生態系統能量流動模型，促進學生理解科學本質，感悟科學精神，培養科學思維和科學探究能力。

關鍵詞 能量流動 科學史 系統論 教學設計

中圖分類號C633. 91

文獻標志碼B

1 教材分析及設計思路

本節內容以生態系統的結構為基礎認識生態系統的功能，能使學生更好地領悟系統觀、結構與功能觀、物質和能量觀，建立大概念，了解系統分析的思想和方法，同時為“生態系統通過物質循環的自我調節機制維持穩態”這一內容的學習打下基礎，從而有助于學生樹立穩態與平衡觀。因此本課內容的學習對于學生樹立生命觀念、掌握系統論方法有著至關重要的作用。

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《新課標》）要求學生“分析能量在生物群落中單向流動并逐級遞減的規律;舉例說明利用能量流動規律，人們能夠更加科學、有效地利用生態系統中的資源;對相關的生態學實踐應用作出合理的分析和判斷”。為更好地體現《新課標》要求及生物學學科核心素養的培養，在本課教學設計時擬作四個方面的嘗試：①有機滲透系統論的思想和方法以更好的體現科學探究;②設計模型建構的學生活動以更好的體現科學思維;③分析生態系統中核心要素間的相互關系及能量流動的特點和規律，促進學生更好的領悟系統觀、物質與能量觀;④組織學生應用所學知識討論“稻魚共生系統”等生產實踐中的問題，以提升學生的社會責任意識。

本節課以三個核心問題構建課堂教學主線：為什么要對生態系統進行研究？如何研究生態系統能量流動的規律？怎樣應用生態系統能量流動的知識解決生產實踐中的問題？并運用“林德曼對賽達伯格湖能量流動的研究”這一科學史素材，設計層次性問題串，以問題教學法和討論式教學為主要教學方法。

2 教學目標

（1）通過討論生態系統四大要素間的相互關系，分析生態系統能量流動的特點和規律，逐步樹立系統觀、物質與能量觀。

（2）通過分組討論分析科學史素材，嘗試從定性和定量兩個角度建構生態系統能量流動模型，發展科學思維能力。

（3）通過稻魚共生系統情境的問題討論，簡述對宏觀生態系統進行研究的意義，初步學會系統論的科學方法，提升科學探究能力。

（4）通過參與討論稻魚共生系統等生產實踐中的問題，了解研究生態系統能量流動的實踐意義，樹立社會責任意識。

3 教學過程

3.1 創設真實情境，介紹系統論的研究方法

教師出示浙江省青田縣“稻魚共生系統”的照片并作簡單介紹，提出問題：稻魚共生系統相比傳統的單稻系統有什么優勢？養多少魚合適？學生認為稻田養魚可以提高收益，節約成本，但鯉魚會破壞水稻根系，因此養魚的數量需對整個系統進行研究后測算。教師提出新問題：生態系統是由許多成分組成的復雜整體，通過什么方法研究其結構與功能？學生回顧常用的觀察法與實驗法，認為二者主要適用于個體水平的研究，對于宏觀又復雜的生態系統僅通過這兩種研究方法并不合適。接著，教師以汽車研發為例，說明研究汽車這一復雜系統時人們按結構與功能將其分成發動機等四大部分，即組成汽車的四大核心要素，再通過研究這四大要素間的關系來研究整輛汽車的結構與性能。學生通過類比說出組成生態系統的四大核心要素、其分類的依據、各要素之間的聯系，運用這種要素分析的方法研究整個生態系統的結構與功能。教師進而介紹系統論的概念、核心思想與研究目的，強調系統論的基本方法——要素分析法。

設計意圖：教師以真實情境導入，引導學生探討生態系統研究的重要性。以汽車研發為例，使學生了解系統論的思想、方法及其對宏觀對象研究的重要作用，指向科學本質教育，提升學生科學思維能力。

3.2 深入挖掘科學史素材，分析生態系統能量流動的規律

3.2.1 林德曼選擇賽達伯格湖為研究對象的原因分析

教師出示森林、草原、荒漠、苔原、河流、湖泊、海洋的圖片，提出問題：選哪種類型的生態系統作為研究對象較合適？為什么？學生通過討論認為湖泊范圍小、邊界清楚、成分相對穩定、結構較簡單，因此最便于研究。教師出示1941年林德曼的“一個老年湖泊內的食物鏈動態”研究報告原文摘錄，學生通過閱讀了解林德曼選擇賽達伯格湖的原因。教師介紹林德曼的生平、研究成果及其價值。

設計意圖：各類生態系統特征的比較分析發展學生批判性思維，突出了合理的研究對象選擇對于研究成功與否的重要性。學生閱讀科學史文獻，體會科學家嚴謹的思維方式。教師介紹林德曼生平，使學生感悟科學家刻苦鉆研、勇于奉獻的科學精神和科學態度。

3.2.2 林德曼對賽達伯格湖的要素分析

學生閱讀林德曼研究報告的原文摘錄，了解賽達伯格湖生態系統的各要素及要素間的相互關系，舉例說出生物與生物、生物與環境之間的關系。

設計意圖：學生嘗試像科學家一樣運用系統分析法進行思考，通過閱讀與分析科學史資料，了解賽達伯格湖各要素間的聯系，為能量流動模型的建構打下基礎。

3.2.3 對賽達伯格湖能量流動的定性分析

教師提問：能否將動植物進一步歸類從而簡化林德曼研究報告中的要素關系圖？學生將生物歸納為生產者、初級消費者、次級消費者3個營養級。學生分組討論，用箭頭和文字表示出各營養級能量的來源和去向，并思考：生態系統的能量以什么過程和形式輸入群落？能量以什么過程和形式輸出群落？能量在群落中沿什么途徑傳遞？傳遞方向如何？學生展示并交流討論結果，通過同學間的相互補充和糾正，最終構建賽達伯格湖能量流動的定性分析模型（圖1），歸納出能量沿著食物鏈單向流動的傳遞特點。

設計意圖：學生以合作學習的方式理清各營養級能量的輸入和輸出過程。運用系統論的方法建構能量流動定性分析模型，提升學生的科學思維能力，發展學生的學科核心素養，為定量分析模型的建構做鋪墊。同時，通過分組討論、小組匯報與學生點評的一系列活動，學生提升了表達交流能力。

3.2.4 對賽達伯格湖能量流動的定量分析

教師介紹林德曼通過湖泊中取樣研究、實驗室生態箱模擬的方法對各營養級能量的去向進行定量測定，并出示林德曼研究報告的原文摘錄（表1）。教師要求學生將表1中對應數據填入定性分析模型中，構建賽達伯格湖能量流動的定量分析模型，并討論：消費者同化量是否等于攝入量？兩者有何區別？第二營養級產生的糞便中的能量包含在哪部分里面？流入該生態系統的總能量是多少？能量沿著食物鏈逐級傳遞過程中有何變化？

學生閱讀林德曼文獻中的賽達伯格湖能量傳遞效率表（表2），發現生產者對太陽能的利用率其實非常低，大量太陽能未輸入群落被生物所利用，因此賽達伯格湖生態系統能量流動的起點準確地說是生產者通過光合作用固定的太陽能。學生計算各營養級之間的能量傳遞效率，將表2中的數據填寫完整。學生得出結論：沿著食物鏈能量逐級遞減且傳遞效率一般在10%-20%。

設計意圖：教師引導學生以定性分析為基礎進行定量分析，使學生親歷林德曼的研究歷程，體會科學家的思考方式，掌握定量研究的基本過程。學生通過定量分析模型的建構與計算，歸納能量傳遞的規律與傳遞效率，提升科學思維能力。

3.3 結合真實情境，探討研究生態系統能量流動規律的實踐意義

教師提問：以“稻魚共生系統”為例，談談研究生態系統能量流動規律有什么意義？學生認為可以依據能量流動規律規劃人工生態系統，更好地實現人們對能量的利用.以獲得更多的收益。學生分組討論提高生態系統能量利用率的措施，通過討論與交流得出：一方面可以增加能量的來源，如杭州東站屋頂的光伏發電設備不僅能提高太陽能利用率，還能減少不可再生能源的利用，減少CO2排放;另一方面可以提高生物的能量利用率，如改變生態系統的營養結構實現能量多級利用、通過基因工程的手段改良消費者的基因或培育光能利用率高的轉基因作物等。教師出示資料并介紹：浙江青田縣稻魚共生系統和浙江湖州桑基魚塘系統分別于2005年和2017年被列為“全球重要農業文化遺產”。但目前由于稻魚共生系統的經濟效益并不十分明顯，因此處于瀕危狀態已是一個不爭的事實。對此請學生提出一些可行的建議以更好地發展并推廣稻田養魚事業。

設計意圖：將科學原理與真實情境相結合，探討研究的實踐意義，體現科學與社會之間的緊密聯系，有助于樹立學生社會責任意識。通過討論提高能量利用率的措施，發展了學生的科學思維能力。

4 教學反思

本節課以“稻魚共生系統”這一真實情境導入，讓學生意識到自己原有的知識體系無法解釋情境中的問題，產生認知沖突，進而激發學生探索欲望并意識到學習新科學知識的重要性。結尾處通過該情境一系列問題的討論，使學生理解所學知識的應用價值，嘗試運用能量流動的原理與規律解決現實中的問題，提出更好的建議、決策，強化學生對社會的關注，提高運用知識的意識和能力，培養學生擔當社會責任。

大多教師在科學史運用上更注重研究結果，忽略科學史中蘊含的科學家的思維過程、方法運用和探究精神。因此本課深入挖掘科學史素材，呈現給學生較為完整的林德曼研究的過程與想法，引導學生像科學家一樣經歷確定研究對象、選擇研究方法、要素分析、定性分析、定量分析、得出規律的探究歷程與思維過程，了解目前所知的科學知識是如何形成的，領悟科學家解決問題的思路和運用的科學方法，進而體現科學史的內在價值，促進學生對科學本質的理解，發展科學思維與探究能力，培養科學精神。

本節課重視科學本質與科學方法的教育，通過情境與案例使學生了解并運用系統論的思想與方法，樹立系統觀。教學過程突出了系統論方法的運用，從定性和定量兩個角度逐步建構賽達伯格湖生態系統能量流動模型，滲透了模型和系統論的科學方法，促進了學生對多元化的科學方法的認識，提升了學生歸納、概括、分析、建模等科學思維能力，有助于生物學學科核心素養的培養。

參考文獻：

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