“5E”教學模式下高中生物學模型建構教學
——以“生態系統的能量流動”為例

李潔，李艷紅*，胡杰，蘇珍

（1.西華師范大學生命科學學院，四川南充 637002；2.成都市武侯高級中學，四川成都 610043）

“5E”教學模式是基于建構主義和概念轉變理論提出，由吸引（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）和評價（Evaluation）五個環節組成的一種教學模式，能在幫助學生開展科學探究獲得深層次知識的同時，提升其演繹、歸納、概括、建模、批判性思維等科學思維能力[1-2]。模型建構是利用各種材料、符號、文字或數學公式等，對抽象事物進行概括性描述的過程[3]，常被用于抽象生物學概念的教學中。“生態系統的能量流動”一課涉及生態系統的能量流動過程及特點等內容，知識點抽象零亂且內容晦澀難懂。本文將“5E”教學模式與模型建構教學有機結合進行“探究”教學，有利于學生把握抽象生物學概念，培養科學思維[4]。

一、教學分析

（一）教材分析

“生態系統的能量流動”是人教版新教材高中生物學選擇性必修2《生物與環境》第3章第2節內容，在“生態系統的結構”基礎上，從“生態系統的能量流動”角度為學習“生態系統的穩定性”奠定基礎。本節重點是生態系統能量流動的過程及特點，難點是生態系統能量單向流動、逐級遞減的過程分析。教材展示了“生態系統能量流動的示意圖”“能量流經第二營養級的示意圖”和“賽達伯格湖的能量流動圖解”等7個示意圖，有利于教師開展模型建構教學以突出重點、突破難點。

（二）學情分析

本節內容抽象，傳統講授方式為教師直接向學生展示教材示意圖，學生難以完成對生態系統能量流動過程的完整闡述，對特點的把握也僅限于知識點灌輸，對背后原因的理解不夠透徹。同時，學生已初步掌握生態系統能量流動的途徑——食物鏈（網）、能量守恒定律和呼吸作用等相關知識，且具有一定的科學思維和模型建構能力，教師可進行模型建構教學，將難解過程置于所建構模型中，便于學生理解與掌握。

二、教學目標

1.生命觀念：分析生態系統的能量流動過程和特點以形成生態系統的物質和能量觀。

2.科學思維：分析“賽達伯格湖的能量流動圖解”，總結生態系統能量流動的特點，培養科學思維。

3.科學探究：通過探究生態系統的能量流動過程建構模型及課后思考“如何根據實際情況設計方案獲得最多能量”，提高科學探究能力。

4.社會責任：通過課后思考解決實際問題，形成合理運用生態學知識服務于人類的生態意識。

三、教學過程

（一）吸引

創設情境：假設你是流落荒島的魯濱遜，身邊除了一只母雞、15 kg玉米和能飲用的水，幾乎沒有任何食物。你會選擇哪種生存方案等待救援？方案1：先吃雞，再吃玉米。方案2：先吃玉米，同時用一部分玉米喂雞，最后再吃雞。

學生根據意愿選擇方案。

教師提問：你們為何選擇該方案？換言之，我們應從什么角度進行探究？

教師提示：本節課我們將學習從能量角度探究哪種方案更合理。（導入本節主題——生態系統的能量流動。）

設計意圖：教師利用問題探討創設情境導入主題，在解決實際問題的同時，將生物學知識與實際生活聯系起來。此外，荒島求生充滿刺激和冒險，能激發學生學習的積極性。

（二）探究

1.實例中能量流動模型建構

教師介紹：教師根據“科學方法”模塊的內容，向學生介紹“研究能量流動的基本思路”，初步提出以模型建構的方式探究能量在種群中的流動過程。

學生活動：學生根據科學方法首先畫出兩種方案的食物鏈，標記食物鏈中的營養級。

教師講解：最優方案可使人獲得更多能量，讓我們嘗試分析能量在營養級間的傳遞，即能量流動。如何根據同學們展示的食物鏈（網）具體分析能量流動？

教師展示：教師以玉米→雞→人食物鏈為例，引導學生思考玉米（第一營養級）的能量來源和去路，并指導學生參考教材建構模型。

學生回答：“玉米通過固定太陽能獲得能量。”因此，玉米的能量來源于太陽能；玉米的能量去路則是呼吸作用散失、被雞捕食以及部分被分解者利用。學生小組分析討論建構“能量流經玉米的示意圖”（圖1）。

圖1 能量流經玉米的示意圖

教師提問：雞（第二營養級）的能量來源和去路？

學生探究建模：學生討論后在第一次模型建構的基礎上完善“能量流經玉米、雞的示意圖”（圖2）。

圖2 能量流經玉米、雞的示意圖

設計意圖：從實例出發引導學生建構模型，由簡至繁，層層遞進，學生在自主建構模型過程中，通過概念模型將抽象的生態系統能量流動過程具體化，進而掌握本節易錯知識點。

2.生態系統能量流動宏觀模型建構

教師提問：將實例中建構的模型應用于生態系統，用生產者和消費者級別代替具體生物，模型將是怎樣？

學生討論完善模型：學生根據教師提示，在討論后完善“生態系統能量流動的示意圖”（圖3）。

圖3 生態系統能量流動的示意圖

教師根據學生所展示模型（箭頭與方框同等大小）與教師提供模型（箭頭與方框逐級減小）在箭頭與方框大小上的差異設疑：箭頭、方框的大小有何含義？

設計意圖：將實例模型應用于生態系統，修正模型過程分析錯誤與不足，提高學生模型建構能力的同時培養科學思維。

3.生態系統能量流動微觀模型建構

教師提問：同化量指某一營養級從外環境獲得的全部能量。第一營養級同化量即生產者固定的太陽能總量，除了通過呼吸作用直接散失，其余能量通過生命活動流入分解者與初級消費者。如何建構模型展示此傳遞過程？

教師提示：生產者同化量一部分通過呼吸作用直接散失，另一部分用于生長、發育和繁殖，進而流入分解者與初級消費者（同時展示模型的起始進行引導。）

學生建模：學生討論后根據教師提示與起始模型，建構“能量流經生產者（第一營養級）的示意圖”（圖4）。

圖4 能量流經生產者示意圖

教師提問：能量如何流經初級消費者（第二營養級）？

教師通過課件展示模型中初級消費者攝入與初級消費者同化兩方框，提問：初級消費者同化量如何表示？是否就是攝入量？

學生閱讀教材解答初級消費者攝入量與同化量的概念與關系。

教師強調：在代入具體數值計算時，某一營養級的糞便量應歸于上一營養級流入分解者的能量當中。

學生建模：學生討論后根據圖4及教師提示，建構“能量流經初級消費者的示意圖”（圖5）。

圖5 能量流經初級消費者示意圖

總結概念：能量在生態系統中由太陽能輸入，在各營養級間及各營養級與分解者間傳遞，經光合作用和呼吸作用進行轉化以及呼吸作用的散失過程。學生分析后總結生態系統能量流動的概念。

設計意圖：該部分模型較為復雜。因此，教師首先在講解中展示雛形，由學生完善模型、總結概念。以學生為主體，將抽象過程具體化，提高學生的科學思維能力。教材優先展示“能量流經第二營養級的示意圖”，再展示“生態系統能量流動的示意圖”。學生在學習過程中對于微觀的能量流動過程難以理解，因此，該部分的教學設置為由宏觀到微觀步步遞進，便于學生理解。

（三）解釋

教師提問：生態系統中每一營養級的能量是否全部傳遞到下一營養級？能量在生態系統中流動有什么特點？

學生探究：學生根據教師展示的“賽達伯格湖的能量流動圖解”（圖6）從方向與數值兩個方面分析總結生態系統能量流動的特點。

圖6 賽達伯格湖的能量流動圖解［單位：J/(cm2·a)］

1.單向流動

學生總結：從方向上分析，生態系統的能量流動具有單向流動的特點。

學生解釋：由于在食物鏈和食物網中，箭頭只能由被捕食者指向捕食者。因此，生態系統的能量單向流動且無法循環往復。

2.逐級遞減（傳遞效率在10%～20%左右）

學生總結：從數值上分析，生態系統的能量流動具有逐級遞減的特點

教師提示：除逐級遞減外，傳遞效率是否有一定范圍？并解釋：某一營養級同化量與上一營養級同化量之比×100%，表示上一營養級與某一營養級之間的能量傳遞效率。各小組如何根據“討論1”設計一份小組清單用以探究生態系統的能量傳遞效率？

學生歸納總結：學生設計并完成表1。總結生態系統能量流動在數值上的特點，即逐級遞減（傳遞效率在10%～20%左右）。

表1 賽達伯格湖的能量流動數據處理

教師提問：思考“討論3”，為什么能量在傳遞過程中逐級遞減？

學生討論回答：學生從某營養級能量的去路解釋能量逐級遞減原因。

教師解釋：任何生態系統都需要不斷得到來自系統外的能量補充，包括自然的太陽能輸入和人工的化肥投入等，以便維持生態系統的正常功能。同時，教師解答上一節遺留問題“食物鏈為何一般不超過5個環節”，講解未利用的能量。

學生討論修改后展示本小組所得結論及模型，回答：箭頭、方框逐級變小表示生態系統能量流動逐級遞減，且箭頭只能由被捕食者指向捕食者,表示生態系統能量單向流動。

教師總結：教師評價學生小組成果，與學生共同總結生態系統的能量流動過程、概念、特點及原因分析。

小組修正總結：學生小組根據教師的解釋，結合小組成果對本節概念及模型進行修正與總結。

設計意圖：學生通過小組合作，運用解讀模型、計算和歸納等方式得出生態系統能量流動的特點，提高模型解讀能力。學生根據教師解釋進行成果的修正與總結，培養學生提煉信息與發現問題、修正問題的能力。

（四）遷移

教師設疑：假設問題探討中一只雞和15 ㎏玉米所含有的能量分別是100 KJ和400 KJ，且玉米中供人食用和喂雞的能量之比為3∶1，根據各小組選擇的方案計算魯濱遜分別最多獲得的能量。

學生探究：學生將能量傳遞效率確定為20%以獲得最多能量，各小組根據所選方案進行計算并交流結果，最終確定方案1獲得更多能量。

課后思考：方案1使魯濱遜獲得更長的等待救援時間，如果魯濱遜所漂流的荒島被發現的可能性很小，如何運用生態系統能量流動知識設計方案以維持最長等待時間？思考所設計方案的檢驗方式。

設計意圖：在學生解決問題的同時，檢驗他們對生態系統能量流動特點及能量傳遞效率有關計算的掌握程度，通過課后實際問題的靈活思考，實現理論與實際相結合，促使學生利用生物學知識解決實際問題，提高學生科學探究能力。

（五）評價

過程性評價：學生小組在本節建構并修正了5個模型，根據后期幾個模型建構的速度和準確度等可對學生的建模能力進行評價。同時，教師解讀“賽達伯格湖的能量流動圖解”后，根據學生對生態系統能量流動特點總結的完善度與準確度再一次評價學生解讀模型的能力。在遷移環節，學生通過計算得出最佳方案并從生態系統能量流動角度思考實際問題，進一步對學生進行多元化評價。

綜合評價：學生結合生態系統的能量流動知識思考如何獲得最多能量，從綜合角度評價學生對生態系統能量流動過程和特點的掌握程度。

設計意圖：通過模型建構過程與課后作業，多方面進行鞏固與評價，體現評價的多元化。

四、教學反思

（一）學生建構與修改模型耗時長

由于“生態系統的能量流動”一課涉及模型較多，學生在建構與修改模型時耗費大量時間。因此，教師應將簡單模型交與學生討論后完成，教師只做修正提示；復雜模型引導學生先分析過程，明確所要完成的任務，隨后根據復雜程度選擇提供起始模型或者由學生小組獨立完成剩余任務。

（二）教師需加強模型建構過程引導

學生首次接觸如何分析生態系統的能量流動，對于某一營養級能量的來源和去路及去路的具體用途等還不熟悉。因此，教師在進行模型建構教學的過程中要通過適當引導、合理提示和加強課堂巡視等方式，及時發現學生困惑并引導學生思考解答。

（三）課后習題還需進一步完善

由于課時限制，課堂檢測僅設置了課前探討遺留問題的解決，學生對于所建構模型在生態系統能量流動習題解答過程中的意義還未明晰，教師可在課后設置相應習題，便于學生明確概念，充分理解生態系統能量流動過程并解決相關計算問題。