“生態系統的能量流動”教學案例?

張春菊 田樹青 柳忠烈

（1中國地質大學附屬中學 北京 100083 2北京市海淀區教師進修學校 北京 100195）

生物學是研究生命現象和生命活動規律的一門基礎自然科學。生物學的研究經歷了從現象到本質、從定性到定量的發展過程。高中生物學課程既要讓學生獲得基礎的生物學知識，又要讓學生領悟生物學家在研究過程中所持有的觀點，以及解決問題的思路和方法。高中生物學課程著眼于學生適應未來社會發展和個人生活的需要，從生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任等方面發展學生的學科核心素養，充分體現學科特點和育人價值[1]。

1 教學內容分析

人教版（2019版）高中生物學選擇性必修2《生物與環境》模塊的教學內容主線涉及生物與環境、種群、群落、生態系統等概念。學習本模塊有助于學生理解生命活動的本質，了解系統分析的思想和方法，提高對生態系統與環境關系的認識，并為學生樹立人與自然和諧共處的觀念、形成生態意識、環保意識和踐行綠色低碳生活方式奠定基礎[1]。

1.1 重要概念分析 “生態系統的能量流動”是《生物與環境》第3單元“生態系統及其穩定性”第2節的內容。本節在新課程標準“選擇性必修課程”中屬于概念“2.2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”[1]。本節對應概念“2.2.3分析生態系統中的物質在生物群落與無機環境之間不斷循環、能量在生物群落中單向流動并逐級遞減的規律”[1]。本節對應的學業要求為：使用圖示等方式表征和說明生態系統中物質循環、能量流動和信息傳遞的過程和特征，并對相關的生態學實踐應用作出合理的分析和判斷（生命觀念、科學思維、社會責任）[1]。

1.2 單元內容和課時關系結構圖 本單元主題是生態系統，教材按照從結構到功能，再到穩定性的順序，由淺入深地安排（圖1）。生態系統的結構是能量流動和物質循環的基礎。能量是維持生態系統功能、使生態系統保持穩定的關鍵。信息傳遞對生命活動的正常進行、生物種群的繁衍及種間關系的調節起著重要作用。生態系統的結構和功能處于相對穩定時，生態系統就達到了生態平衡。生態系統的結構、功能、穩定性相互關聯，有很強的邏輯性。

1.3 承載的學科核心素養側重點分析

1.3.1 生命觀念

1）物質與能量觀。物質是能量的載體，能量是維持和更新生命的動力，生命系統時刻進行著能量的輸入與轉化。細胞通過合成代謝和分解代謝，實現生命物質的更新與能量轉化；生物體從外界獲取物質和能量，通過呼吸作用實現物質和能量的轉化；生態系統中生產者將光能轉化為有機物中的化學能，能量以有機物的形式流向消費者和分解者。生命系統的各個層次都有能量的流動和轉化。

2）系統觀。生態系統是由生物群落與非生物環境組成的統一整體。生態系統結構不同，功能也有差別。將生態系統作為一個整體進行分析，培養學生的系統思維。

1.3.2 科學思維 基于生物學事實和證據，運用模型與建模方法闡釋生命現象，構建生態系統能量流動的過程模型。結合數據，定量分析賽達伯格湖的能量流動圖解，歸納、概括生態系統能量流動的特點。

2 教學設計與實施

2.1 設計思路 針對以上教學內容和學業要求，本課時的整體設計思路是：首先，通過問題引導學生分析、討論生態系統能量流動的研究思路和方法，以營養級作為整體，構建生態系統能量流動的過程模型。然后，通過定量分析賽達伯格湖的能量流動圖解，總結生態系統中能量流動的特點。本節教學設計有以下特點。

1）強化概念教學。注意大概念、重要概念和小概念之間的關系。無論是細胞、個體還是生態系統層次，都要將能量的輸入、傳遞、轉化和散失這些重要概念分析透徹。通過具體事例講解生產者固定的太陽能、同化量、攝入量、糞便量、傳遞效率、“未利用”等小概念。

2）落實生命觀念。生命觀念是生物學學科核心素養的標志[2]。教學中要注重落實“物質與能量觀”“系統觀”等生命觀念。幫助學生構建從微觀細胞層次到宏觀生態系統層次的能量轉化過程，滲透能量轉化對生命活動的重要意義。

3）關注模型構建和科學思維。教學環節中最具挑戰性的學習任務是發展學生學科核心素養，學習任務的設計要有遞進性[3]。由定性分析構建模型，到定量分析總結規律。構建模型要從抽象到具體再回到抽象，通過具體形象的能量流動鏈，幫助學生形成清晰的能量流動過程。充分挖掘科學史，對賽達伯格湖的研究方法和研究思路要落實到教學中，培養學生的科學思維。

4）關注學情。學生的知識和能力水平如何？哪些知識是需要教師啟發、引導才能想到的？哪些知識是需要教師講解才能知道的？通過學情分析，設計具體的問題和學習任務。

試講發現，學生對生態學基本概念不理解，分析流經每種生物能量的“傳遞、轉化和散失”過程難度較大。學生忘記了呼吸作用對于生命活動的重要意義。分析每種生物所屬的生態系統的成分及每種生物獲取能量的途徑時，需要優化問題，引導學生思考所有生物通過呼吸作用為生命活動提供能量，此過程中產生熱能。教學中注意關注學生的課堂反饋，耐心傾聽，及時指導。

2.2 教學實施

2.2.1 教學環節1：生態系統能量流動的概念

以池塘生態系統為研究對象，首先提出問題1：分析以下生物（蘆葦、螺螄、大魚、細菌、真菌等）分別屬于生態系統中的什么成分？分別通過何種方式獲取能量？分析每種生物成分的能量流動過程；然后提出問題2：所有生物生命活動的直接能源物質是什么？該能源物質是如何產生的？以營養級為研究對象，逐步分析能量流經第1、第2營養級的過程，最后，構建生態系統能量流動的過程模型。

認同細胞、個體、生態系統等不同生命層次的能量流動過程。構建“太陽能→有機物中的化學能→熱能+ATP中的化學能”的物質與能量轉化概念圖。

2.2.2 教學環節2：構建生態系統能量流動的過程模型

提出問題3：研究生態系統的能量流動應該以個體、種群還是營養級為研究對象更科學、更準確，為什么？引導學生分析個體的偶然性和局限性，認識以營養級為研究整體的準確性和意義。思考研究生態系統能量流動的基本思路。

提出問題4：要想定量地研究生態系統，應該選擇怎樣的生態系統？教師介紹賽達伯格湖的大小和特點：賽達伯格湖深1 m，面積約14 480 m2，湖岸線長500 m，湖底深度一致、性質均一，沒有大波浪，是一個營養結構較簡單、相對較小、能保持相對穩定的天然生態系統。

提出問題5：賽達伯格湖里可能有哪種生物？如何去定量研究各個營養級的能量關系？引導學生分析湖中的各種生物成分，思考定量分析的方法。

教師介紹林德曼（Lindeman）研究賽達伯格湖能量流動的思路和方法：“從1936年12月21日至1941年3月28日，林德曼采用周期調查的方法，進行了近50次調查；用取樣器對湖底淤泥進行取樣，獲得多個系列的生物和化學樣品；從底部樣品的粗碎屑中分離出生物體，進行鑒定、測量、計數和稱重；采用離心分離法，分析浮游生物的質量和數量；依據產量對魚類進行合理估計；根據不同物質每克的熱量值將質量轉化為能量值單位J/（cm2·a）”。教師補充賽達伯格湖的相關文獻資料，提出問題6：能量流經每一個營養級的具體過程是怎樣的？照射到生產者的太陽能是否是生態系統的總能量？問題7：消費者攝入的能量是否為輸入該營養級的總能量？初級消費者糞便中的能量是否屬于同化量？通過討論交流，引導學生定量分析賽達伯格湖的能量流動圖解，歸納、概括能量流動的特點，理解能量流動逐級遞減的特點：①任何食物層次的能量都不能完全被以它為食的生物體所攝取。在食肉動物無法消化和吸收的“死亡”組織中，仍存在很多能量。②食物循環很少超過5個營養級，掠食者不斷增加的呼吸作用是限制食物循環中營養級數量的重要因素。③每種生物經非捕食性死亡后，作為細菌和真菌等腐生生物的潛在能源，其代謝產物進一步分解為簡單的無機物和有機物，可供光合生產者使用[4]。

教學過程中，培養學生的建模能力、科學探究能力，強化物質與能量觀。

2.2.3 教學環節3：生態系統能量流動的特點

基于環節1和環節2的資料，問題驅動，進一步梳理、概括生態系統能量流動的特點，培養學生分析數據的能力。

問題8：根據賽達伯格湖的能量流動圖解，定量分析每一營養級能量的流動過程，計算相鄰營養級之間能量的傳遞效率。

問題9：計算每一營養級的呼吸消耗率。思考為何隨著營養級升高呼吸消耗率逐漸升高？

問題10：能量流動方向是否會逆轉，能否循環流動？能量在流動過程中逐級遞減，與能量守恒定律是否矛盾？

通過數據分析和資料分析，引導學生理解能量流動是逐級遞減的，營養級越多在流動過程中消耗的能量就越多。

2.3 教學評價

2.3.1 課堂實施情況質性描述

環節1：學生分析表述以個體、種群或營養級作為研究對象是否可行，能初步分析構建生態系統能量流動過程圖。除部分學生遺忘呼吸作用的意義外，大部分學生能理解攝入量、糞便量和同化量三者之間的關系，能理解“同化量－呼吸量=積累有機物中的能量”。

環節2：學生能梳理生態系統能量流動的研究思路和方法，能根據賽達伯格湖的能量流動圖解完成準確的數據分析。學生對“未利用”的含義理解得不透徹。通過分析流向分解者的能量資料和呼吸消耗率，學生理解能量流動過程中營養級越多，消耗的能量就越多。

2.3.2 學生學案分析

1）物質與能量觀：生命過程需要能量驅動，生命系統是開放系統，時刻進行著物質和能量的輸入、輸出。從生物個體角度分析能量的流動和轉化，以概念圖的形式，構建生命系統中能量的轉化與利用過程（圖2）。

任務1：生態系統能量流動的過程（池塘生態系統）。

①分析以下生物分別屬于該池塘生態系統中的哪種組成成分？分別如何獲取能量？

蘆葦、荷花：生產者、利用太陽能合成有機物。

昆蟲、螺螄：初級消費者、攝取生產者。

大魚、小蝦等：次級消費者、捕食初級消費者。

細菌、真菌：分解者、分解生產者和各級消費者的遺體殘骸。

2）系統觀：將生態系統作為一個整體進行分析，分析每一個營養級的能量流動過程，構建生態系統的能量流動的過程模型，培養學生的系統思維（圖3，圖4）。

3）科學思維：基于生物學事實和證據，分析生態系統能量流動的過程圖解，運用歸納與概括、模型與建模等方法，闡釋生命現象及規律，提升科學思維能力。

任務2：生態系統能量流動的特點。

①流經該生態系統（圖5）的總能量是：464.4J/（cm2·a）

②填表梳理每一個營養級的能量輸入總量及能量的去向（表1）。

表1

③相鄰2個營養級之間能量的傳遞效率為何不是100%？

一部分用于呼吸作用；一部分被分解者利用；一部分“未利用”。

④“未利用”的含義是仍以有機物的形式儲存在生物體內；未流入下一個營養級；未被呼吸作用消耗；未被分解者利用；未利用的煤炭等有機物形式。

各營養級“未利用”的能量的可能去向是流向下一個營養級；自身呼吸作用消耗；被分解者利用；流向人類生產、生活等。生態系統能量流動的特點表現為：單向流動、逐級遞減（圖3，圖4）。

2.3.3 學生訪談

針對不同學習進度的學生提出不同難度等級問題。

低等難度問題：請描述生態系統能量流動的過程和特點？同化量、攝入量和糞便量三者之間的關系是什么？

學生反饋：基本能說出每一營養級能量的輸入和能量的去向，知道生態系統中能量流動的特點是單向流動和逐級遞減。容易混淆同化量、攝入量和糞便量。

中等難度問題：請描述生態系統能量流動的過程？研究能量流動的基本思路和方法是什么？為何能量流動是逐級遞減的？

學生反饋：能說出生態系統能量流動的過程，初步了解研究能量流動的思路和方法。能闡釋生態系統中能量單向流動、逐級遞減的特點。

高難度問題：如何理解生態系統能量流動過程中滲透的物質與能量觀、系統觀等生命觀念？是否能清楚了解生態系統能量流動的基本研究思路和方法？如何理解生態系統能量流動是逐級遞減的？

學生反饋：從細胞、個體和生態系統層次對能量的流動過程有了清晰的認知，能說出生命系統中能量的轉化形式。已了解賽達伯格湖的研究思路和方法，并深刻理解到有很大一部分能量被分解者或自身呼吸作用消耗，營養級越多，能量消耗越大，能量流動是逐級遞減的、單向流動的。

3 教學反思

在真實情境中落實生物學學科核心素養。中、小學生對知識意義的感受與理解，是通過在真實情境中應用實現的。評估學生是否習得核心素養的最佳作法就是讓學生“做事”，而“做事”必須要有真實的情境[5]。通過池塘生態系統這一真實情境，引導學生構建池塘生態系統中各種生物成分之間能量流動的過程模型，落實物質與能量觀、系統觀等生命觀念。池塘生態系統中錯綜復雜的食物網，能直觀地幫助學生理解“以‘營養級’作為能量流動的研究對象更加科學和準確”。

經典科學史學習中落實科學思維和科學探究。學習生物學科學史，能沿著科學家探索世界的道路，認識科學的本質，學習科學研究的思路和方法。通過林德曼研究賽達伯格湖的背景介紹，使學生理解科學研究中研究樣本、研究方法和研究手段的重要性。