在“生態系統能量流動”教學中發展科學思維及強化生命觀念

張樹艷 （北京市懷柔區第一中學 北京 101400）

《普通高中生物學課程標準（2017版）》明確提出，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[1]。教師要在課程標準的指導下，在教學實踐中促進學生發展這4個維度的核心素養。在教學中鼓勵學生基于生物學事實和證據，運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模等方法，探討、闡釋生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題。“生態系統能量流動”一節需要學生通過在細胞、個體、種群等生命層次上分析能量流動過程，從而類比推理、歸納總結出生態系統能量流動的過程。此外，需要學生建立能量流動模型，總結能量流動規律，并應用解決實際問題，是培養學生科學思維的典型案例。

物質與能量觀的形成，需要一個認知和發展的過程。“生態系統能量流動”教學內容比較抽象，以往學生真正理解生態系統能量流動的概念和應用存在一定的困難。

基于以上分析，在教學中指導學生通過科學研究方法和建立能量流動概念模型和數學模型，進行定性和定量分析總結出能量流動規律，應用規律對糧食危機情況下選擇合理的膳食結構作出合理的分析和判斷，引導學生用生命觀念認識生命世界、解釋生命現象并學以致用，解決生產、生活中的實際問題。

1 創設情境，支撐概念

通過“荒島求生”的問題創設情境，讓學生設身處地地思考，積極發言，各抒己見。通過討論，學生主要得出A、B 2種策略（略）。討論交流過程中認識到，獲取食物維持生命是因為食物為人體提供了能量，初步建立物質與能量觀。提出問題：為什么能量能維持人體的生命？

2 類比推理各生命系統層次，初步形成概念

2.1 細胞中能量流動過程 細胞和個體水平的物質能量變化是群體水平物質能量變化的基礎，所以，首先引導學生分析細胞中能量的輸入和輸出過程（圖1），明確動、植物細胞通過光合作用和呼吸作用等，進行物質的合成伴隨能量的儲存，物質分解伴隨能量的釋放，以及光能、化學能和熱能之間的轉化，并意識到能量作為動力推動了生命活動的進行，推動了物質的合成與分解，從而解釋了生命的維持需要物質中的能量。

2.2 個體和種群水平上的能量流動過程 學生根據對細胞的分析，得出動、植物個體及種群發生的能量輸入、轉化和散失與細胞是一致的（圖2）。

2.3 生態系統能量流動的研究方法 生態系統是生物群落和無機環境相互作用的有機整體，生物種類繁多，發生在生態系統中的能量流動，除了各種群能量輸入、轉化和散失的過程，還多了一個生物之間能量傳遞的過程。在此教學環節中，展示一個食物網的圖片，使學生意識到生態系統生物之間能量傳遞過程比較復雜。引導學生根據不同生物能量輸入和輸出的共性，將生物按營養級歸類，簡化研究生態系統內的能量傳遞過程，從而學會化繁為簡的分析方法，發展學生的科學思維。了解分析生態系統能量流動過程最好在群體水平上研究，強化系統觀，同時也初步建立生態系統能量流動的概念。

3 生態系統能量流動模型的建立、研究及檢驗

3.1 建立生態系統能量流動模型，發展科學思維并形成概念

1）初步建立能量流動概念模型。指導學生小組合作，利用卡片和箭頭初步構建出能量流經第一營養級、第二營養級的模型，具體分析每個營養級能量流動的來源與去路，并展示交流（圖3）。

2）詳解2個營養級能量的流動過程模型。借助PPT（圖4）詳細分析第一營養級能量來源與去路，重點解釋學生模型中存在的問題：攝入量、同化量與糞便量之間的關系，突破教學難點。

3）簡化修改能量流動模型。指導學生根據圖解的分析，修改模型中存在的問題，簡化能量流經各營養級的整體模型（圖5）。學生通過從初步建立到自己修改優化的活動中，不但發揮了主體地位，避免了被動地接受學習，建立了生態系統能量流動模型，還很好地滲透了建模的思想方法。

3.2 研究模型，歸納能量流動的概念和規律 根據模型和問題驅動，引導學生思考在生物群落與無機環境之間，以及在生物群落內部能量是怎樣流動的。經過逐步建立模型和問題的引導，學生可很好地理解通過生產者的光合作用光能從無機環境輸入至生物群落，轉化為有機物中的化學能沿著營養級逐級傳遞，最后，通過生物的呼吸作用，將有機物分解化學能轉化成熱能散失到無機環境，不能再被重新利用。進而總結出能量流動是指生態系統中能量的輸入、傳遞、轉化和散失的過程，同時發現能量單向流動不可逆、不循環，以及能量流經各營養級有能量散失，逐級遞減的規律[2]。該過程中培養了學生運用模型分析問題的科學思維。

3.3 檢驗能量流動模型，驗證能量流動規律 模型是否準確、規律是否正確需要實踐檢驗，從定性分析到定量研究是科學深入發展的必然，由此引出林德曼的研究。指導學生按能量流動模型內容處理教材（人教版選擇性必修2《生物與環境》）第56頁賽達伯格湖能量流動數據（表1）。

表1 賽達伯格湖能量流動模型數據表[單位：J/（cm2·a）]

學生根據數據分析驗證了“單向流動、逐級遞減”的能量流動特點，同時通過定量分析發現各營養級及生態系統能量輸入總量和輸出總量不相同。教師引導學生分析得出，在林德曼調查期間存在“未利用的能量”，即未被自身呼吸作用消耗，也未被后一個營養級和分解者利用的能量。師生共同完善表格內容（表2），教師引導學生建立數學模型A=R+V+F（+T），證實能量流經賽達伯格湖每個營養級及流經整個生態系統時，遵循能量守恒定律，為后面學習生態系統穩態能量輸入、輸出平衡的問題奠定基礎。

表2 賽達伯格湖能量流動數據補充表[單位：J/（cm2·a）]

引導學生進一步對賽達伯格湖數據進行分析，計算能量在2個營養級之間的傳遞效率，發現相鄰2個營養級能量傳遞效率在10%～20%，真正理解能量流動逐級遞減的規律。通過數據的整理和分析，提高學生定量分析問題的能力，發展邏輯思維。

4 應用能量流動規律解決實際問題，滲透節約糧食的理念

問題1：分析荒島求生的最佳生存策略。策略1，應該先吃雞，再吃玉米；策略2，增加了食物鏈的長度，能量逐級遞減，最后使人獲得的能量較少。數據進行驗證：物質是能量的載體，假設單位質量的生物體所含能量相同，按能量傳遞效率為20%計算，且策略2有1/3的玉米給雞吃，2/3給人吃，求這2種策略分別使人增加多少物質中的能量？

問題2：后疫情時代，許多國家迎來了糧食危機，節約糧食、反對浪費已是一種全球性的趨勢。有人說多吃素，少吃肉，也是節約糧食的一種具體行為。結合荒島求生的實踐經驗，你是否支持這種說法，為什么？

通過這2個問題，使學生意識到合理膳食、多吃素食不僅有利于自身的身體健康，也減少了大量飼養動物而消耗大量的糧食，減少饑餓人口的數量。而且該教學環節也使本節課做到首尾呼應，形成閉合。

5 教學反思

教學圍繞“提高生物學科學素養”制定和實施教學目標，教學中以問題串引導學生分析各生命系統層次能量流動的過程，使學生從微觀到宏觀認識能量流動，引導處理分析數據、建構模型、形成概念，并在概念學習中強化系統觀、物質與能量觀，提升科學思維。在解決實際問題中培養社會責任感。