模型建構(gòu)在能量流動圖解分析中的應(yīng)用

廣東

生態(tài)系統(tǒng)的能量流動在高考中屬于高頻考點，一般會結(jié)合圖形來考查，試題比較抽象，難度較大。本文通過模型建構(gòu)幫助學(xué)生分析、理解能量流動，為課堂教學(xué)和高考備考提供參考。

人教版教材必修3第五章第2 節(jié)“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”在高中生物教學(xué)中占據(jù)重要地位，幾乎是每年高考的必考考點。試題常常結(jié)合能量流動的過程示意圖考查能量流動的過程分析。這一部分的內(nèi)容比較抽象，學(xué)生不容易理解，教師也不容易講授。筆者結(jié)合自己多年的教學(xué)經(jīng)驗總結(jié)出可借助模型建構(gòu)的方法來突破本節(jié)內(nèi)容的重點和難點。教師在課堂教學(xué)中可以按照下列環(huán)節(jié)來推進教學(xué)。

1.環(huán)節(jié)一：教材示意圖的解讀

教材在本節(jié)課程中共給出了3 個示意圖（如圖1），這是幫助學(xué)生理解能量流動過程最好的材料。因此，教師在課堂教學(xué)中一定要利用好這些材料，引導(dǎo)學(xué)生通過反復(fù)拆分、合并這些示意圖來理解能量在不同營養(yǎng)級之間的輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失的過程，掌握能量流動的本質(zhì)。

圖1

假設(shè)教材中的3 個能量流動示意圖是根據(jù)同一個生態(tài)系統(tǒng)得出的。教師在教學(xué)中，第一個環(huán)節(jié)就是精讀教材中的文字和示意圖，對3 個示意圖進行比較和分析，針對某個營養(yǎng)級找出3 個示意圖中能量流動過程的相同之處和不同之處，做上標記。筆者以第二營養(yǎng)級為例做的標記如圖1 所示，將拆為兩項的稱為二項圖，拆為三項和四項的分別稱為三項圖和四項圖。然后引導(dǎo)學(xué)生思考：3 個示意圖中能量流動的不同點之間有沒有聯(lián)系？是本質(zhì)不同還是本質(zhì)相同。學(xué)生精讀教材和示意圖并動腦思考后一定會對能量流動的過程有一個全新的理解，為后面的環(huán)節(jié)提供基礎(chǔ)。

2.環(huán)節(jié)二：模型建構(gòu)

有關(guān)模型建構(gòu)的知識在人教版教材必修1 中已有詳細的介紹，模型的形式有很多，包括物理模型、概念模型和數(shù)學(xué)模型等。本環(huán)節(jié)核心任務(wù)是理解生態(tài)系統(tǒng)中能量的去向。能量流動是抽象的，因此可采用建構(gòu)概念模型的方法來幫助學(xué)生理解能量流動（以第二營養(yǎng)級為例）。

任務(wù)1：根據(jù)能量的去向完成第二營養(yǎng)級同化量的拆分；

任務(wù)2：標出每部分能量的含義，并能體現(xiàn)3 種圖（二項圖、三項圖、四項圖）之間的聯(lián)系（如圖2）。

圖2

設(shè)計意圖：基于學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，以物質(zhì)轉(zhuǎn)換為外在顯性線索，分析伴隨的內(nèi)在隱性能量轉(zhuǎn)化過程，使學(xué)生形成能量轉(zhuǎn)化是以物質(zhì)轉(zhuǎn)換為前提和載體的生命觀念。

簡化模型思路：即每個營養(yǎng)級只用一個方框代表。經(jīng)過模型建構(gòu)過程，學(xué)生不但理解了模型對于教學(xué)的作用，也更加深入地理解了“能量流動”這一重要概念，從模型的評價中不斷地分析，進而建構(gòu)出第二營養(yǎng)級之后的概念模型，發(fā)現(xiàn)各營養(yǎng)級模型的共性特征。通過上述評價，學(xué)生概括總結(jié)出“能量流動”的內(nèi)涵：輸入每一營養(yǎng)級的能量，一部分通過呼吸作用以熱能的形式散失，一部分用于自身的生命活動或儲存在體內(nèi)，另一部分被下一營養(yǎng)級的生物攝入，或者以遺體、殘枝敗葉等形式被分解者分解而釋放出來。概念內(nèi)涵的達成有助于學(xué)生接下來學(xué)習(xí)“能量流動特點”的相關(guān)內(nèi)容。模型建構(gòu)的教學(xué)對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維至關(guān)重要，對于科學(xué)概念的應(yīng)用也大有裨益。

3.環(huán)節(jié)三：模型應(yīng)用

任務(wù)3：標出模型1、模型2、模型3 中第二營養(yǎng)級的同化量并標出能量去向；

任務(wù)4：與相應(yīng)模型匹配。

解答流程：閱讀題干→分析圖形→選擇模型→找出答案。

上述解題模型可以使解題思路更加清晰，但還需要一定的熟練程度才能快速解答。下面筆者以3 道試題為例運用上述解題模型進行分析。

【例1】生態(tài)系統(tǒng)中存在食物鏈“馬尾松→松毛蟲→杜鵑”，如圖3 表示松毛蟲攝入能量的流動方向，回答下列問題。

圖3

從能量流動的角度來看，圖3 中A 表示______________；B表示_____________；D 表示________________。

【答案】松毛蟲的同化量 松毛蟲用于生長發(fā)育和繁殖的能量 松毛蟲遺體、殘骸被分解者分解利用的能量

【分析】先按上文中提到的四個環(huán)節(jié)（閱讀題干→分析圖形→選擇模型→找出答案）進行審題并進行題文信息的轉(zhuǎn)換，結(jié)合圖3 中箭頭的數(shù)量和方向，確定圖3 符合二項圖模型，然后結(jié)合二項圖模型及A、B、D 三者之間的關(guān)系，很容易確定A 為“松毛蟲的同化量”；B 為“松毛蟲用于生長、發(fā)育和繁殖的能量”；D 為“松毛蟲遺體、殘骸被分解者分解利用的能量”。

【例2】如圖4 為某生態(tài)系統(tǒng)中能量傳遞過程，其中甲、乙、丙表示三個不同的營養(yǎng)級，請據(jù)圖4 回答下列問題：

圖4

（1）圖4 中的甲表示第一營養(yǎng)級，其同化的總能量為_______________；其能量傳遞過程中的175、200、875 分別表示_______________、_______________、_______________。

（2）甲→乙的能量傳遞效率為_______________。

【答案】（1）1 250 kJ 呼吸作用散失的能量流入下一營養(yǎng)級的能量 以遺體、殘骸流向分解者的能量 （2）16%

【分析】按照上述步驟，確定符合題意的模型，依據(jù)箭頭的數(shù)量和方向，確定圖4 符合三項圖模型，結(jié)合題干并對照三項圖模型，很容易確定“175”表示的是“呼吸作用散失的能量”、“200”表示的是“流向下一營養(yǎng)級的能量”、“875”表示的是“以遺體、殘骸流向分解者的能量”。因此甲同化的能量為1 250 （175+200+875） kJ；甲→乙的能量傳遞效率為16%（200/1 250 kJ×100%）。

【例3】如圖5 是某人工魚塘生態(tài)系統(tǒng)能量流動過程中部分環(huán)節(jié)涉及的能量值[單位為103kJ/（m2? a）]。請據(jù)圖5 回答下列問題：

圖5

（1）如圖5 所示，A 代表________________。

（2）能量從第一營養(yǎng)級流到第二營養(yǎng)級的傳遞效率是________________。

【答案】（1）各營養(yǎng)級呼吸作用散失的能量（2）12.73%

【分析】繼續(xù)上述步驟，依據(jù)箭頭的數(shù)量和方向，確定圖5 符合四項圖模型，對比圖5 和四項圖模型，很容易得出A 代表“各營養(yǎng)級呼吸作用散失的能量”；要得出第一營養(yǎng)級到第二營養(yǎng)級能量的傳遞效率，先要求出兩個營養(yǎng)級各自的同化量，依據(jù)四項圖模型，第二營養(yǎng)級（植食性動物）的同化量為14[0.5+9+4+流向肉食性動物的能量（0.05+0.25+5.1+2.1-5）-2] ；第一營養(yǎng)級的同化量為110[3+70+23+流向植食性動物的能量（14）]，因此，兩個營養(yǎng)級之間能量的傳遞效率為12.73%（14/110×100%）。

4.模型建構(gòu)融入教學(xué)的實踐反思

上述內(nèi)容只是高中生物教學(xué)中的一個參考，高中生物學(xué)知識面廣、科學(xué)性強、內(nèi)容抽象，在教學(xué)中合理利用模型來解釋生物學(xué)事實和生物學(xué)問題，可以提升學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)，這也是培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。但在實際運用模型建構(gòu)輔助教學(xué)的過程中，教師應(yīng)注意以下三點。

（1）重視教材分析

模型建構(gòu)前的教材分析非常重要，但這一步驟往往容易被教師忽視。建構(gòu)模型的目的是為了更好地理解和運用教材知識，忽視對教材的解讀會造成本末倒置，方向“跑偏”的情況。其次，并非教材上的每個內(nèi)容都可以運用模型建構(gòu)的方法，如果不對教材內(nèi)容進行科學(xué)分析，盲目地套用模型建構(gòu)的方法，反而會造成學(xué)生理解上的困難。教師只有在分析教材內(nèi)容，了解概念與模型、實例與表征物之間的關(guān)系后，才能提高教學(xué)剖析的針對性和邏輯的可靠性。

（2）關(guān)注學(xué)生的學(xué)情

教師教學(xué)的目的是為了服務(wù)學(xué)生，學(xué)生才是課堂教學(xué)的主體，模型建構(gòu)的目的是將抽象的生物學(xué)概念形象化、復(fù)雜的知識系統(tǒng)化。教師在課前必須結(jié)合學(xué)生的實際情況，綜合考慮本次教學(xué)內(nèi)容對學(xué)生而言是否存在難點、如何幫助學(xué)生突破難點、是否需要模型的幫助、或者利用模型建構(gòu)能否引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生等問題。如果不關(guān)注學(xué)生的實情和教學(xué)的實際，機械地套用模型，反而會將問題變得更加復(fù)雜，造成學(xué)生的畏難情緒。

（3）注重過程的引導(dǎo)

為了降低學(xué)生在模型建構(gòu)中的難度，教師可以通過布置任務(wù)等方式幫助學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)，特別是在學(xué)生自主建構(gòu)模型的時候，將隱性的關(guān)鍵內(nèi)容顯性化，就算是不經(jīng)意間的提醒也有助于學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。如果教師只是將建構(gòu)的模型簡單地灌輸給學(xué)生，無疑剝奪了學(xué)生獨立思考的權(quán)利，不利于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)。