基于物質與能量觀的內容錨定與教學策略

黃偉文

（江蘇省奔牛高級中學 江蘇常州 213131）

生物學學科核心素養包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。其中，生命觀念是生物學科區別于物理、化學等其他科學學科的重要體現與核心特質，分為物質與能量觀、結構與功能觀、進化與適應觀、穩態與平衡觀等。生命活動的基本立足點是生命自身及其與外界環境的物質與能量的不斷交換與轉化，也只有在此基礎上才能夠隨著環境的改變，不斷適應、調整完善自身的結構功能與穩態平衡。由此可見，物質與能量觀的建立應當是為培育學生的生命觀念核心素養奠定基礎。下面選擇生命觀念中的“物質和能量觀”，從教學內容中所涉及物質與能量觀的錨定入手，以精煉相關教學策略來進階式培育學生的物質和能量觀。

1 物質與能量觀的內容錨定分析

誠如“通過物質與能量代謝實現自我更新是生命的本質特征”所述，無論是生物體自身細胞水平或個體水平的生命活動里離不開物質與能量的相互轉化，還是生態環境中的本質特征離不開進行的物質循環或能量流動來看，“物質與能量觀”可以統領生命系統各層次上的物質代謝和能量轉化。生命觀念在各類事實性概念基礎上方能形成的，且《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《新課標》）中明確將生物學知識概念的體系構成明確為“大概念+主要概念+次位概念”的結構。次位概念能在40周之內逐步生成，是需要在課堂中予以關注的。因而，針對“物質與能量觀”的培育，教師應當在《新課標》與教材中找到相應的概念內容錨定點，并以之作為抓手探尋適切的教學方法。

筆者將物質與能量觀的課標次位概念與教材顯性內容的錨定點梳理分析得出，其在必修部分主要體現在《必修1·分子與細胞》的內容中，而在選修部分主要分布于《選修1·穩態與環境》中（具體見表1）。這也恰恰印證了上文所述的“物質與能量觀”體現在生物體自身及其與外界環境的物質能量轉化中。

表1 物質與能量觀的《新課標》次位概念及教材具象知識錨定

在生物學教學過程中，教師應當加強自身對所列物質與能量觀的深刻理解，再以多樣化的教學手段幫助學生建構出次位概念、下屬各個概念的內涵意義與復雜關系，并將概念應用于探究生命活動的規律以及解決實際問題。

2 建構物質與能量觀的教學策略分析

2.1 以關聯探求促進“物質與能量觀”的滲透

在生物學概念教學中如果只注重概念含義的辨析，不注重概念本質的探討、交互的關聯與實際的應用，則會讓學生陷入“只見樹木不見森林”的窘境。教師只有充分注重概念體系廣度、深度與關聯度，才能以關聯探求的問題鏈鋪陳，使學生通過概念依附的復雜情境理解概念之間的內在聯系，從而滲透“物質與能量觀”。所謂關聯探求，就是尋找生物學概念間相互關系來提升學生對概念體系的理解力、建構力與實踐力的過程。具體而言，教師在幫助學生建構物質與能量觀時，要以促進學生進行概念之間廣泛聯系的問題為指引，引導學生層層遞進、逐步探究，通過學生自主探究建構實物模型、語義圖示等可視化知識表征加以呈現，從而逐漸自主抽象、逐層聚類地滲透物質和能量觀。

例如，進行光合作用與呼吸作用的教學時，教師以植物葉肉細胞為例，設計以下問題鏈讓學生關聯探求：光能在植物細胞內如何轉化成貯存在有機物中的化學能？呼吸作用如何把有機物的化學能轉化為被生物體直接利用的能量？光合作用和細胞呼吸在物質和能量轉化之間以及和環境之間有何聯系？學生沿著這三個問題，分小組構建植物葉肉細胞內的物質與能量轉換圖示。這樣既幫助學生梳理了細胞水平上能量與物質的轉變過程，也使學生加深對凈光合作用速率等概念的理解。

又如，在講授生態系統的物質循環時，教師可以關聯能量流動的內容設置相應的問題：能量流動與物質循環的渠道均依托于食物鏈（網）嗎?為什么兩者可以基于相同的渠道？能量流動與物質循環基于同樣渠道為何其傳遞特征不同?這三個問題的探究既向學生滲透了物質是能量的載體；又使學生明白了物質與能量的轉化不一定完全重合，因為植物進行光合作用時不能利用各營養級所釋放出來的熱能，但卻可以利用各營養級所釋放出來的CO2。

2.2 以實驗探究驗證“物質與能量觀”的存在

生命科學的形成過程是在觀察、發現生命現象與探求其背后規律與原因中不斷形成的。可見，對物質與能量觀的學習僅僅依靠于教師對概念體系的關聯探求、觀念提煉必然是捉襟見肘。教師只有讓學生親歷生物學知識的發現過程，感悟知識中蘊含的生物學科思想，生命觀念素養培育才能有效落地。此點從《美國新一代科學教育標準》不斷重視科學實踐，以發展核心概念中也可見一斑。為了顯現生物學的理科屬性與科學本質，教師應當在教學中以實驗探究的形式幫助學生去發現、理解并驗證物質與能量觀的存在。具體而言，教師可以引導學生進行合作學習的實驗探究，通過記錄并梳理實驗中物質與能量的轉換來深入理解物質與能量觀。

例如，在進行呼吸作用與光合作用的教學時，教師引導學生利用金魚藻、金魚以及溴麝香草酚藍溶液進行實驗，以試劑顏色的變化幫助學生感知生物體光合作用與呼吸作用中CO2與O2物質的交換隨時在發生。再輔之以有無光照這一條件變量的控制，通過其影響顏色變化，從而讓學生去實際感受物質的轉化需要能量的供應這一生物學事實。又如，進行“設計與制作生態瓶”時，讓學生小組合作選擇各自的材料制作微型生態系統。實驗探究中有小組是利用飲料瓶、水生植物、金魚等材料制作；有的小組則選擇家用金魚缸、黑藻、小魚、少量泥沙等材料制作。教師可以一方面，讓學生探尋生態瓶中的物質與能量的轉變，幫助其理解物質是能量的載體，但物質轉化不一定與能量轉化完全重合，兩者既相互依存又有所區別；另一方面，讓學生通過比較不同生態瓶維持穩定性的時間長短，去理解物質與能量是生態環境適應性穩定的基礎。

2.3 以情境感悟內化“物質與能量觀”的應用

學習科學的最新理論表明，如果學生所學的知識體系、思維觀念與情感態度等不能使其明確世界的運作方式，并將之更好地運用于現實世界中，那么，學校教育執行的內容必然是無效的。此時，教師則需要運用情境“注重學生的客觀感受，滿足學生的心理需求”，以現實生產生活的情境幫助學生感悟所學知識的內涵和本質。反觀物質與能量觀的培育，即深度體驗物質與能量觀在社會實踐中的應用方式和實際意義，才能最終讓學生感悟內化至陪伴學生一生成長所需的素養層面。具體教學中，教師可以擴展教學的時空，以實踐活動、課外調研與研學參觀等一系列的方式，引導學生內化“物質與能量觀”的應用。

例如，在學習“腐乳的制作”時，教師帶著學生去制作的工坊，帶著他們去采訪工坊中的制作人員，詢問腐乳制作的關鍵步驟及原因。之后，教師再提示學生這些關鍵措施其實是以能量供應了毛霉的生長與繁殖，促進豆腐自身的物質分解，讓學生清楚傳統工藝中很早就采用微生物促進物質與能量的轉化。

又如，學習光合作用的影響因素時，教師可以先帶領學生參觀并初識一些蔬菜大棚，并提醒學生觀察大棚中的濕度計、溫度計、CO2鋼瓶等設備物件。之后，教師引導學生從大棚的設施去思考光合作用中物質與能量轉化的相應過程，并據此幫助學生分析農業生產中提高農作物產量的方法。最后，學生以小組合作學習的形式按照物質與能量轉變的相應原理設計未來大棚，進而在真正意義上感悟與內化物質與能量觀在現實生活中具有的重要作用。

生命觀念與生物學基本概念不同，其既蘊藏在生物學基本概念中，又以眾多的生物學事實與概念為依托，進行了高度的特征總結與思想提煉。這也恰恰印證了部分研究中所述的“生命觀念表述為生物學學科的基本思想”。因而，對于培養學生形成如此高度提煉的“物質與能量觀”的基本觀念或思想，并非短時間的教學就可以完成。在生物教學過程中，教師既應當去錨定該觀念的相關知識內容或概念體系，更應當通過多元化的教學策略，以“滲透觀念——驗證存在——內化應用”為連貫性、遞進式的階梯去不斷深化學生的理解認識。