以模型構(gòu)建促核心素養(yǎng)達(dá)成的“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”教學(xué)設(shè)計

◎ 夏 季

一、設(shè)計依據(jù)與思路

“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”是人教版必修3《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》第5章第2 節(jié)的內(nèi)容。它基于生態(tài)系統(tǒng)的組分與營養(yǎng)結(jié)構(gòu),依賴呼吸、光合等細(xì)胞代謝過程,對生態(tài)工程產(chǎn)生指導(dǎo)[1]。也為物質(zhì)循環(huán)提供動力,連同信息傳遞一起,構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的功能,起到承前啟后的重要作用。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017 年版2020年修訂)》中指出學(xué)生應(yīng)能夠分析出能量流動的具體規(guī)律并以此指導(dǎo)資源的合理、高效利用,理解各類型生態(tài)金字塔的聯(lián)系,并能夠用圖示等方式表征出生態(tài)系統(tǒng)能量流動的過程、特點(diǎn)。

自主探究對達(dá)成生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)來說至關(guān)重要。在已經(jīng)掌握生態(tài)系統(tǒng)的類型和結(jié)構(gòu),對呼吸、光合等細(xì)胞代謝過程有系統(tǒng)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,學(xué)生具備分析各營養(yǎng)級能量的來源與去路的能力,但要理清抽象的能量流動過程及特點(diǎn)仍有較大難度。依據(jù)上述情況,課堂上以“荒島求生策略”創(chuàng)設(shè)情境,引出能量流動分析,將各營養(yǎng)級所同化的能量類比成“拼圖”進(jìn)行分割,助力建模,逐步樹立結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀。關(guān)注學(xué)生最近發(fā)展區(qū),通過定性分割和比例量化逐步分割“能量拼圖”,引導(dǎo)學(xué)生圖示表征生態(tài)系統(tǒng)能量流動的過程,自主總結(jié)出概念和特征,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。指導(dǎo)學(xué)生從能量流動角度分析農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問題,提升學(xué)生社會責(zé)任意識。

二、教學(xué)目標(biāo)

1.通過“拼圖法”構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)能量流動模型并總結(jié)概念。

2.總結(jié)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動規(guī)律。

3.結(jié)合情境探討能量流動規(guī)律的實(shí)踐指導(dǎo)作用。

三、重難點(diǎn)分析

各營養(yǎng)級“能量拼圖”的分割與能量流動過程的圖示表征。

四、教學(xué)過程

1.導(dǎo)入

教師播放電影《魯濱遜漂流記》片段,創(chuàng)設(shè)情境:假如你也遭遇魯濱遜的窘境,面對課本93 頁“問題探討”中兩種生存策略,應(yīng)該如何選擇? 學(xué)生各抒己見,造成觀點(diǎn)沖突。教師繼續(xù)引導(dǎo):要具體分析兩種策略能量流動的情況才可弄清哪種策略能使人獲得更多的能量,引出能量流動的分析。

2.生態(tài)系統(tǒng)的能量流動研究方法

教師提問:研究生態(tài)系統(tǒng)的能量流動一般在個體水平還是群體水平? 生態(tài)系統(tǒng)的能量流動通過什么渠道進(jìn)行? 學(xué)生思考并回答渠道為食物鏈(網(wǎng)),研究應(yīng)處于群體水平。教師總結(jié)理清每個營養(yǎng)級的能量變化情況將使我們明確生態(tài)系統(tǒng)的能量流動過程,為模型構(gòu)建做鋪墊。

3.用“拼圖法”構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)能量流動模型,總結(jié)概念,探索規(guī)律

(1)探究“拼圖”,拆分問題。

教師提問:地球上生態(tài)系統(tǒng)所需能量最終來自哪里? 輻射到地球的太陽能是否全部進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)? 學(xué)生在教師引導(dǎo)下回答出來自太陽能,但僅約1%被生產(chǎn)者固定,進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)。

教師提問:假如每個小組面前的白紙代表第一營養(yǎng)級獲得的能量,要將其進(jìn)行分割以表示能量流動的情況,則需要明確哪兩個關(guān)鍵問題? 學(xué)生討論后總結(jié)出要明確分為幾部分以及各部分占比。教師引導(dǎo)說明解決上述問題需要對該營養(yǎng)級輸入的能量進(jìn)行定性分割和比例量化,從而關(guān)注到學(xué)生的最近發(fā)展區(qū),將分割難題進(jìn)行拆分,使其適合于認(rèn)知規(guī)律。

(2)各營養(yǎng)級“能量拼圖”的定性分割。

教師提問:輸入第一營養(yǎng)級的能量,可劃分為幾條去向? 學(xué)生分組討論并在白紙背面嘗試定性分割。絕大部分小組能夠劃分出呼吸耗散、流入下一營養(yǎng)級和被分解者利用三條去向。繼續(xù)提問:一般情況下,生產(chǎn)者可否全部被下一營養(yǎng)級吃掉? 或者全部死亡? 學(xué)生思考作答后繼續(xù)引導(dǎo):在某個確定的時間點(diǎn)應(yīng)存在未利用的能量,從而將“能量拼圖”劃分成上述四個部分。

教師提問:第二營養(yǎng)級的能量來自哪里? 初級消費(fèi)者攝入的食物可否全部被吸收利用? 該營養(yǎng)級的“能量拼圖”又該怎樣定性分割? 第三、四營養(yǎng)級的情況是與之類似嗎? 學(xué)生在問題引導(dǎo)下討論總結(jié)出:攝入量=糞便量+同化量[呼吸耗散量+用于生長發(fā)育繁殖的能量(被下一營養(yǎng)級的同化+分解者利用+未利用)],類比可知后續(xù)各營養(yǎng)級的情況與之類似。

教師提問:明確了各營養(yǎng)級的能量流動劃分,各部分占比如何? 承前啟后。

(3)量化“能量拼圖”比例,完成建模,總結(jié)概念。

教師展示林德曼的量化分析圖(課本95 頁圖5-8),設(shè)計表格讓學(xué)生總結(jié)圖中各項(xiàng)數(shù)值。根據(jù)表格中的數(shù)據(jù),讓各小組完成各營養(yǎng)級“能量拼圖”的逐級分割,并以“拼圖模型”對該生態(tài)系統(tǒng)的能量流動過程進(jìn)行表征。通過總結(jié)量化分析表中各項(xiàng)數(shù)據(jù)可明確“能量拼圖”中四部分的各自占比,進(jìn)而完成“能量拼圖”的逐級分割,構(gòu)建出“拼圖模型”,引導(dǎo)學(xué)生概括出生態(tài)系統(tǒng)能量流動的概念。

(4)總結(jié)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的規(guī)律。

教師提問:模型中箭頭的方向能否調(diào)轉(zhuǎn)? 你能從中看出什么規(guī)律? 學(xué)生總結(jié)出能量流向總是單向的。

教師提問:表格中某個營養(yǎng)級同化的能量占其上一營養(yǎng)級同化量的比例是多少? 學(xué)生計算得出數(shù)據(jù)分別為13.5%、20%,教師總結(jié)能量傳遞效率的概念并指出一般范圍。繼續(xù)提問:根據(jù)上述數(shù)據(jù)并觀察模型中每個營養(yǎng)級“能量拼圖”的大小和箭頭粗細(xì),你能得出什么規(guī)律? 學(xué)生在引導(dǎo)下答出逐級遞減的特點(diǎn)。

教師提問:如果用金字塔圖表明能量流動的情況,各營養(yǎng)級應(yīng)處于什么位置? 如果換成數(shù)量或者生物量,金字塔會不會有變化呢? 學(xué)生思考并在教師引導(dǎo)下梳理各類生態(tài)金字塔的聯(lián)系和特點(diǎn)。

4.結(jié)合情境探討能量流動規(guī)律的實(shí)踐指導(dǎo)作用

教師提問:根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動規(guī)律,導(dǎo)入中的問題應(yīng)當(dāng)選擇哪個策略? 為何說“一山不容二虎”? 食物鏈中的營養(yǎng)級數(shù)量總是有限? 學(xué)生思考作答,檢驗(yàn)對能量流動特點(diǎn)的理解。

教師提問:“桑基魚塘”較傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)具有哪些進(jìn)步意義? 學(xué)生討論作答。

五、教學(xué)反思

本課以情境討論為切入點(diǎn),造成觀點(diǎn)沖突,引出能量流動分析。關(guān)注學(xué)生最近發(fā)展區(qū),通過定性分割和比例量化逐級分割“能量拼圖”,完成建模,逐步樹立結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀。根據(jù)數(shù)據(jù)分析并結(jié)合模型觀察自主總結(jié)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的概念和特點(diǎn),并解釋農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問題,從而鍛煉科學(xué)思維,培養(yǎng)社會責(zé)任,落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)。頗為遺憾的是對于未利用的能量沒有進(jìn)一步分析,需要課下輔導(dǎo)。課堂上層層遞進(jìn)的問題是驅(qū)動任務(wù)環(huán)環(huán)相扣和思維節(jié)節(jié)攀升的關(guān)鍵,本課的問題設(shè)計還需要更加精巧。