基于學科核心素養中科學思維培養的情境創設教學的應用
——以“生態系統的能量流動第1課時”為例

內蒙古 冰 潔 薛井杰

《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》中提到，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，其中科學思維的形成，要求學生能夠運用已有的生物學知識、證據和邏輯對生物學議題進行思考或展開論證；掌握科學探究的思路和方法，形成合作精神，善于從實踐的層面探討或嘗試解決現實生活中的問題；具有開展生物學實踐活動的意愿和社會責任感，在面對現實世界的挑戰時，能充分利用生物學知識主動宣傳引導，愿意承擔抵制毒品和不良生活習慣等社會責任，為繼續學習和走向社會打下認識和實踐的基礎。

因此在教學中，教師需要向學生提供各種豐富的、有代表性的事實來為其概念的形成提供支撐，同時教師安排的活動不應僅停留在讓學生記住一些零散的生物學事實的層面上，而是要通過對事實的抽象和概括，幫助學生建立生物學概念，并以此來構建合理的知識框架，為學生能夠在新情境下解決相關問題奠定基礎。科學思維是人們在科學認識和科學實驗的活動中進行的一種思維活動；是以探索真理為目的的思維活動；是反映客觀事物本質與規律、以“理論”掌握世界的方式進行的思維活動。而高中生解決現實生活中的實際問題的機會較少，因此，在高中生物教學中，運用情境創設教學的策略，對培養學生的學科核心素養，尤其是對科學思維的培養來說是一種常用的、有效的策略。

本文以“生態系統的能量流動第1課時”為例，探討創設情境教學充分體現學科核心素養的應用。

一、教材分析

人教版生物學教材必修3第5章“生態系統及其穩定性”第2節“生態系統的能量流動”第1課時的內容包括：能量流動的概念、能量流動的過程和特點，它與必修1中“細胞代謝”的知識聯系密切，又直接關系到本章第3、4、5節“生態系統的物質循環”“生態系統的信息傳遞”和“生態系統穩定性”的學習，教學重難點是運用分析和構建概念模型的方法理解能量流動的過程。本節內容綜合性強，理論聯系實際緊密，需要提高靈活運用知識、分析解決問題和識圖解圖能力。

通過本節內容的學習，學生需要理解只有生態系統的能量流動及其他兩個功能正常進行，生態系統才能維持穩態。

二、學情分析

高二年級的學生已掌握了能量傳遞、轉化和能量守恒等基本概念，也熟悉了能源物質、光合作用與細胞呼吸中能量的固定、轉化、散失的相關知識，此階段部分學生邏輯思維發展較好、已具備一定的學科核心素養，尤其是歸納、概括、建模的科學思維能力較強。

三、教學目標

1.完成三級概念構建

一級概念：生態系統中的各種成分相互影響，共同實現系統的物質循環、能量流動和信息傳遞，生態系統通過自我調節保持相對穩定的狀態。

二級概念：生物群落與非生物的環境因素相互作用形成多樣化的生態系統，完成物質循環、能量流動和信息傳遞。

三級概念：舉例說明利用物質循環和能量流動規律，人們能夠更加科學、有效地利用生態系統中的資源；解釋生態金字塔表征了食物網各營養級之間在個體數量、生物量和能量方面的關系。

根據以上內容，筆者將本節內容分為2個課時講授，第1課時內容包括能量流動的概念、過程、特點、能量金字塔，第2課時內容包括生態金字塔、能量流動的計算和意義。

2.目標分解

(1)以問題情境為例，從個體→種群→某一營養級→生物群落的層次，通過討論、小組間交流、構建能量流動概念圖的活動，依次分析能量流動的過程，形成局部與整體觀、物質與能量觀的生命觀念，運用演繹與推理、模型與建模的方法培養科學思維；

(2)在能量守恒的前提下，學生通過自己歸納、總結各營養級能量的來源和去路的恒定，得出4個關于“同化量”的關系式，分清能量流動的兩種研究方法，培養歸納與概括的科學思維，了解研究能量流動的基本思路和方法，提升科學探究能力；

(3)利用能量流動模型，構建能量流動的概念模型，樹立穩態與平衡觀的生命觀念；

(4)通過計算賽達伯格湖相鄰兩個營養級能量傳遞效率，明確傳遞效率的計算方法，并總結、闡述能量流動單向流動、逐級遞減的特點及其原因，學會用數學方法解決情境中的問題，并引導學生關注能量流動的意義，增強學生解決生產生活問題的擔當和能力。

四、教學過程

1.創設情境——創建科學思維鍛煉平臺

設計意圖：從學生必備知識和關鍵能力來看，科學思維是科學態度、科學世界觀和價值觀的基礎，學生應具備分析和解決問題的能力，因此筆者選擇了“尼斯湖水怪”情境，整節課以“探究‘水怪’是否真的存在”為主線，將能量流動知識貫穿其中，解決情境中的問題，激發學生的學習興趣，同時鍛煉其科學思維。

情境創設：傳說，在英國蘇格蘭高原北部的大峽谷中，有一個面積為62.4 km2、平均水深為200 m的尼斯湖，這里有一只頂級消費者——重達40 t的“水怪”。

早在1 500多年前，就開始流傳尼斯湖中有巨大怪獸常常出來吞食人畜的故事。古代一些人甚至宣稱曾經目擊過這種怪獸，有人說它長著大象的長鼻，渾身柔軟光滑；有人說它長著長頸圓頭；有人說它出現時泡沫層層，四處飛濺；有人說它口吐煙霧，使湖面有時霧氣騰騰，你認為這會是真的嗎？

2.在情境中主動建模、探究——鍛煉嚴謹的科學思維

科學思維方法是指形成并運用科學認識活動的、人腦借助信息符號對感性材料進行加工處理的方式與途徑。一般來說，科學思維方法比日常思維方法更具有嚴謹性與科學性。通過建模、歸納與概括、批判性思維等方法，培養學生科學思維習慣、落實科學思維發展，同時在觀察、分析、討論和交流的過程中也在鍛煉其科學探究的能力，這兩方面的學科核心素養也間接影響著另兩個學科核心素養的達成。

(1)構建個體、種群水平的能量流動過程圖，探究一個營養級能量的去路

設計意圖：概念(包括模型)的形成主要依靠抽象和概括的方法，讓學生根據已有知識，基于事實證據，構建個體及種群水平的能量來源和去路模型，運用了前概念的方法。教師講解的過程是幫助學生逐漸明晰完整、科學的概念的過程。構建概念的過程中，學生明確了研究生態系統能量流動的基本原理是能量守恒定律，以群體作為整體進行研究是系統科學常用的研究方法，可以培養學生良好的思維習慣和思維方式。

活動一：以尼斯湖生態系統的一條食物鏈：水草→甲→乙→丙為例，以文字和箭頭的形式，分小組構建水草、甲、丙在個體水平和種群水平上的能量來源和去路模型(如圖)。

教師點評：大多數同學總結出的個體水平和種群水平的能量流動的來源和去路模型是基于能量守恒定律的，即能量可以由一種形式轉化為另一種形式。并且同學們發現個體水平和種群水平上的能量來源和去路是一樣的。

研究能量流動可以在個體水平上進行，也可以在群體水平上進行，一般將群體視為一個整體進行研究是系統科學常用的研究方法。下面筆者以食物鏈中的種群乙捕食種群甲為例，探究沿著食物鏈的兩個種群間能量流動情況。

探究關系式1：展示種群乙捕食種群甲的過程圖，給出“同化量”概念，強調研究生態系統能量流動應以同化量為單位。

關系式1：同化量=攝入量-糞便中的能量

探究關系式2：分析過程圖，總結關系式，理解同化量的兩個去路：同化量=呼吸散失量+用于生長、發育和繁殖的能量

關系式2：同化量=呼吸散失量+用于生長、發育和繁殖的能量

(2)構建各營養級能量流動示意圖，探究定性、定量研究中能量流動過程

設計意圖：思考、構建能量流動概念模型流程圖；思考、總結、思維互動理解同化量的3個、4個去路；學生討論后達成共識，上交一份紙質版結果；成果展示，初步達成本節課對生態系統能量流動過程分析的目標，培養學生自主學習、合作交流的能力，引導學生透徹理解相關概念。培養歸納與概括的科學思維，了解研究能量流動的基本思路和方法，提升科學探究能力。教師點評時提出問題，引導學生運用批判性思維進行思考和追問。

活動二：請同學們各自構建從生產者到最高營養級的同化量流動圖解。學生上交后，利用投影儀展示各組流程圖。

教師點評：①輸入某生態系統的總能量主要是生產者固定的太陽能，少數生態系統可以以化學能為能量輸入；②能量以有機物中化學能的形式沿著食物鏈、食物網的渠道傳遞。③呼吸作用以熱能的形式散失能量。

探究關系式3：根據此圖，請總結出有關同化量三條去路的關系式3。

總結方法：這是能量流動的定性分析方法，還有一種定量分析方法。

關系式3：同化量=呼吸散失的能量+流入下一級的能量+分解者利用的能量

探究關系式4：給出賽達伯格湖能量流動圖解，引導學生分清這種定量研究方法中，同化量的去路又多了一條，請同學們自己總結。

關系式4：同化量=呼吸散失的能量+流入下一級的能量+分解者利用的能量+未利用的能量

教師點評：未利用的能量在下一個單位時間主要以三種形式存在：一是以活的植物體的形式存在、二是以枯枝敗葉的形式存在、三是以初級消費者未被分解的糞便流到了下一年。

(3)提供數據，探究能量流動特點

設計意圖：填表、計算，探究能量流動特點，學生學會運用數學方法，探究出能量流動的特點，并能夠科學地解釋原因。此環節的重點是培養學生實證意識、重證據、重邏輯的思維習慣和能力。

活動三:出示賽達伯格湖各營養級能量數據表，給出能量傳遞效率的計算方法，引導學生發現并闡述能量流動的兩個特點和原因。

教師點評：在能量傳遞和轉化過程中，除了一部分可以繼續傳遞和做功的能量外，總有一部分能量以熱能的形式散失，對生態系統某一營養級來說，一部分能量以熱能的形式散失，一部分能量會被分解者利用，還有一部分能量在單位時間內未被利用，只有10%～20%的能量可以傳遞給下一營養級；能量主要以光能的形式進入無機環境后，就不能再以光的形式存在，而是以化學能或熱能的形式存在，生物代謝產生的熱能也不能再轉化為生物體內的化學能，也就是說，無論是從環境到群落，還是在各營養級之間，能量都是單向流動的。

3.構建核心概念——訓練邏輯思維能力

教師給出能量在生態系統、無機環境、生物群落中的輸入、傳遞、轉化和散失圖，引導學生總結能量流動的概念以及能量流動的過程。

4.解決情境中的問題——運用科學概念、科學思維解決問題

設計意圖：運用新的概念，通過討論、發言解決問題，實現預設目標。通過難度較大的完整思維活動，訓練邏輯思維的全面性、深刻性。

提問：請同學們利用本節課所學的能量流動知識，再次思考情境中“水怪”是否存在呢？

5.課堂小結——通過問題訓練思維的靈活性

設計意圖：厘清本節課所學知識的脈絡、引出第2課時內容。教師提出的問題，不追求標準答案，訓練學生思維的靈活性、變通性，培養學生的發散思維、求同思維、求異思維。

教師小結：通過了解能量流動的過程和特點，同學們能夠說出最高營養級的“水怪”無法從生產者獲得如此多的能量來維持它的生命活動，所以“水怪”并不存在，這與科學家提倡人類多吃素食是一樣的道理，因為與吃肉相比，吃素時人類所處營養級較低，這樣縮短了食物鏈，就減少了能量的損耗。筆者再為同學們布置一道思考題：已知該湖泊生產者的生物量是2 g/m2,該湖泊面積為62.4 km2，平均水深為200 m，按能量傳遞效率為20 %計算，這個湖泊中的生產者能不能養活這只“水怪”？

五、教學反思