基于證據進階式的概念模型建構

李招富

科學思維是生物學科核心素養之一，它是學生進行科學探究、樹立生命觀念、承擔社會責任的基礎。基于生物學事實和證據進行模型建構，是發展科學思維的方法之一。概念模型可以將復雜問題簡單化，將具體現象抽象化，將散亂知識結構化。建構概念模型需要圍繞核心概念，進行分析、綜合、抽象、概括和推理，完成從表象和具體到抽象和本質的認知過程，屬于高階科學思維能力。

“生態系統的能量流動”這節內容要求之一是“分析能量在生物群落中單向流動并逐級遞減的規律”，在學業要求中提出，學生能夠使用圖示等方式表征和說明生態系統中能量流動的過程和特征。這提示我們，不僅要學習相關知識，還要訓練學生建構模型的方法。

一、激活已知，厘清概念

由于能量不可見且儲存在物質中，學生常將二者混淆。本節中能量是核心研究對象，應予以明確，避免錯誤的前概念給后續的建構模型帶來障礙。教師可演示初中所學的花生種子燃燒實驗，使學生直觀感受能量的釋放過程。同時，回憶已學知識，總結生物體細胞中的儲能物質有糖類、脂肪、蛋白質、ATP等，舉例說出細胞中儲存或釋放能量的化學反應和能量的作用。

二、梳理已學證據，建構能量流經個體的簡易模型

教師創設情境：從宏觀到微觀逐級展示真實的農田生態系統、農田中的玉米種群、單棵玉米植株。提出問題：“一棵玉米的能量來源和去路有哪些？”學生紛紛提出自己的看法，教師引導學生思考形成這些觀點背后的證據。大家認為主要是根據已學的光合作用與呼吸作用的過程，此外，教材中，“在細胞內，1mol葡萄糖徹底氧化分解可釋放2870kJ的能量，可使977.28kJ左右的能量儲存在ATP中，其余的能量則以熱能的形式散失掉了”。

分析以上證據，師生梳理光合作用和呼吸作用中能量的變化過程：太陽能—ATP和NADPH中的化學能—有機物中的化學能—ATP中的化學能和熱能。教師引導學生類比人體中血糖的來源與去路模型，建構能量流經玉米植株的模型。

三、分析科研證據，建構能量流經種群的模型

在個體能量流動模型的基礎上，教師啟發學生思考：此模型是否適用于玉米種群？小組討論，展示推理過程：由于上述模型適用于每個玉米植株，而種群是個體的集合，所以可將玉米種群作為一個整體來研究，因而適用于此模型。

教師展示科研資料：1926年，美國生態學家研究了一塊玉米田的能量流動情況。在整個生長季節，入射到這塊玉米田的太陽能總量為8.5×109kJ。收割玉米并進行化學成分分析，這些玉米折算共含葡萄糖6687.5kg，而1kg葡萄糖儲存1.6×104kJ能量。據他估算，這些玉米在整個生長過程中，通過細胞呼吸消耗的葡萄糖共2045kg。

問題：①計算該玉米種群輸入、儲存、散失的能量分別是多少？此研究是否說明上述能量流動模型適用于該種群？②入射該玉米田的太陽能是否都被玉米同化？為什么？③對于玉米植株而言，儲存的能量可用于哪些方面？④呼吸散失的熱量能否被玉米植株再同化？

通過問題①開展定量分析，證實上述模型適用于玉米種群。針對問題②，學生解釋玉米植株無法捕獲漏射、散射的太陽光，且葉綠體主要吸收紅光和藍紫光，因而玉米同化的能量只是入射太陽能中的一部分。針對問題③，學生認為凈光合作用積累的有機物可促進植株長高、長大、結出玉米籽粒等，因此玉米植株儲存的能量用于生長發育和繁殖。學生對呼吸散失的熱量能否被玉米植株再同化有爭議，此時可引導學生運用結構與功能觀分析“植株中葉綠體可捕獲光能，但無捕獲熱能的結構”。以上分析之后，引導學生對上述模型進行精化，得出玉米種群的能量流動模型。

四、模型遷移與精化，建構能量流經第一、二營養級的模型

該生態系統中除了玉米之外，還有哪些生物的能量流動也遵循上述模型？學生發散思維，不難發現大多數生產者符合，少數是通過化能合成作用來獲取能量。此時可將其作為一個整體進行研究，即構建能量流經第一營養級的模型。結合生態系統的組成，引導學生思考生產者用于生長發育和繁殖的能量的去向。學生根據生產者的枯枝敗葉被土壤中微生物分解，玉米籽粒和秸稈被牲畜、人食用等事實，不難得出其中能量流向分解者和下一營養級，隨后進一步精化該模型。

建構第一營養級的能量流動模型后，學生已經具備了相關經驗。繼續思考：家畜攝食植物后是否將其中的能量全部同化，為什么？學生紛紛表明自己的觀點和證據。由于不少學生對糞便中能量的來源和去向不清，教師通過展示兩則資料，幫助學生整理消費者攝入量、同化量和糞便之間的關系，明確糞便中能量屬于上一營養級，且其去向是被分解者利用。隨后學生自主構建能量流經第二營養級的模型。

五、模型整合及分析，建構生態系統的能量流動模型

繼續類比構建能量流經其它營養級的模型，比較不同營養級能量流動模型的異同：均需要先同化能量，能量的去向都是呼吸作用散失、流向分解者、流入下一營養級（最高營養級除外）。將這些模型簡化、連接，則得出能量流經整個生態系統的概念模型。

教師展示美國科學家林德曼對賽達伯格湖的研究數據，引導學生思考：未利用的能量是什么？儲存在哪里？該部分能量最終去向是什么？學生借助已學的“精明的捕食者策略”，不難發現短時間內每一營養級不能完全被捕食、分解，進而明確該研究屬于“定量定時的研究”。但長遠看，這些能量最終流向分解者、流入下一營養級和呼吸散失，因此可證實上述模型。隨后，教師引導學生利用表格整理數據，計算相鄰營養級之間的能量傳遞效率，體驗定量分析的方法，發現生態系統能量流動特點并解釋原因。

六、體驗能量流動過程，應用規律解釋現象

基于證據理性建構模型之后，還需體驗該過程。教師組織每個小組模擬不同的生態系統，各成員分別扮演生態系統的不同成分，包括生產者、初級消費者、次級消費者、三級消費者、分解者、無機環境。教師將代表能量的一張紙交到扮演生產者的學生手中，告知這張紙的面積代表能量的數值，隨后小組內分割、傳遞紙片并說出每塊紙片代表哪部分能量。學生需根據傳遞效率計算出流向下一營養級的能量來分割紙片，依據能量的含義和流向來傳遞紙片，深度體驗能量流動過程，總結生態系統能量流動的概念。