問題驅動下的高中生物學大概念教學研究
——以生態系統及其穩定性為例

張 曼 趙克平

(四川師范大學附屬中學 四川成都 610066)

大概念教學是以大概念為核心目標的教學方式,進行大概念教學能有效地提高教學效益,發展生物學學科核心素養,問題驅動教學法的運用有助于大概念教學的開展。 問題驅動的大概念教學,強調創設合理的情境,并將相關的核心問題和子問題穿插其中,引導學生通過對問題的分析和解決,深入探尋事物的本質和規律,從而實現概念模型的建構,并在遷移和運用中對模型進行檢驗和矯正。 問題驅動的大概念教學,能充分地喚醒學生的學習動機,呈現知識的邏輯聯系,提升學生的能力品格。 本文以“生態系統及其穩定性”為例探討問題驅動的大概念教學及其實踐策略。

1 課標、教材、學情分析

《普通高中生物學課程標準(2017 年版2020 年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)就“生物與環境”模塊所提出的大概念內容如下“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”,要求學生在完成本模塊的學習后,能夠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;能夠從生態系統具備有限自我調節能力的視角,預測和論證某一因素對生態系統的干擾可能引發的多種潛在變化;能夠分析或探討人類活動對自然生態系統動態平衡的影響及人工生態系統帶來的經濟、生態和社會效益,并嘗試提出人與環境和諧共處的合理化建議。

“生態系統及其穩定性”是人教版新教材《選擇性必修2·生物與環境》第三章的內容,隸屬于《課程標準》所劃分的“生物與環境”模塊,其內容包含了生態系統的結構、生態系統的功能(能量流動、物質循環、信息傳遞)、以及生態系統的穩定性。 結合《課程標準》中對本模塊的大概念的闡述,可構建概念模型(圖1)。

圖1 “生態系統及其穩定性”概念圖

此前,學生已經通過對個體、種群、群落等生命系統的學習, 認識了生命系統結構和功能的整體性,理解了生命系統的穩態。 本節課的教學設計是基于學生已完成該章節全部內容的學習,圍繞“生態系統的穩定性”這一核心概念,通過創設合理情境,利用問題驅動來組織教學,幫助學生更加深刻地領悟:結構健全是功能完善的基礎,只有結構與功能都相對穩定的生態系統才能具備一定的穩定性,從而將生態系統的結構、功能和穩定性組建成一個完整的知識體系,并能夠將所學知識聯系實際,用以觀察、分析和評估身邊的生態系統,感受人類活動對生態系統穩定性的影響,加強環境保護的社會責任感。

2 學習目標

(1) 通過對校園池塘生態系統結構和功能的調查,對校園池塘生態系統穩定性較弱的原因做出合理的解釋,深入理解生態系統的結構與功能之間的關系,增強搜集和處理科學信息的能力,以及分析和解決問題的能力。

(2) 結合所學知識與池塘生態系統的調查結果,總結出生態系統維持穩定所必須具備的條件,培養良好的科學思維。

(3) 以維持生態系統穩定性所必備的條件為依據,設計并建構一個成分齊全,結構合理,功能完善的微型封閉式生態系統——生態缸,實現知識的遷移與運用。

(4) 體會環境因素對生態系統穩定性的影響,加強環境保護的責任感,形成科學的生態觀。

3 教學思路

問題驅動的大概念教學策略如圖2 所示。 本節課所涉及的大概念、核心概念、次位概念,以及圍繞相關概念所設計的核心問題、子問題可歸納如下(表1)。

表1 相關概念及問題設計對照表

圖2 以問題驅動大概念教學的基本策略圖

4 教學過程

4.1 借助真實問題創設學習情境

教師通過播放事發現場的記錄視頻和相關管理人員的采訪視頻,帶領學生走進校園池塘——小獅潭的“魚民”死亡事件,并以此提出問題:潭中之魚為何頻頻死亡? 小獅潭為何無法護其周全? 哪些因素在威脅著小獅潭生態系統的穩定性?

設計意圖:以發生在學生身邊的、真實的事件作為情境,將真相的探尋和實際問題的解決作為目標,更好的激發了學生的求知欲,調動了學生的積極性。

4.2 開展調查活動探尋事實真相

教師賦予學生“生物學家”的身份,并借此引導學生從生物科學的專業角度圍繞小獅潭“魚民”的死亡原因開展調查活動,同時對小獅潭生態系統的穩定性做出合理的評估,從而提出相應的解決辦法和改善措施。

在調查活動開展之前,學生需站在生物學家的角度,思考并討論出針對小獅潭“魚民”死亡事件的調查內容,過程中教師可帶領學生回歸教材,對調查內容進行補充、完善。 隨后,教師結合調查內容協助學生完成分組,并分配相應的調查任務:(1) 小獅潭中有哪些生物? 分別屬于生態系統中的哪種成分?(2) 小獅潭中的生物可以形成怎樣的營養結構?(3) 小獅潭生態系統的功能是否完善? (4) 小獅潭“魚民”的死亡原因可能有哪些? (5) 為了小獅潭持續穩定的發展,你能給出哪些建議? 其次,教師介紹相關的調查手段,并提供相應的調查設備。

接下來,學生根據分配所得的調查內容,結合所學知識,通過組內分工合作,完成調查任務,并記錄調查結果。

設計意圖:讓學生在實際的調查活動中,實現對生態系統的結構、功能以及穩定性等相關知識的深度理解和遷移應用,同時,有助于培養學生的科學探究意識和提升學生的科學探究能力。

4.3 依據調查結果建構概念模型

各調查小組選派學生代表匯報調查結果,并進行組間的交流、討論以及評價。 教師對調查結果進行總結,并引導學生思考:你能歸納出維持生態系統穩定所需的條件有哪些嗎? 學生依據調查結果總結出維持生態系統穩定所需條件的普遍規律,并以此建構出概念模型(圖3)。

圖3 生態穩定性概念模型

設計意圖:讓學生在合作探究與分享交流中形成良好的科學思維,同時通過引導學生對實際調查結果進行總結和抽象,提升了學生的模型建構能力,也有利于學生更好的掌握概念與概念之間的聯系,建立結構化的知識體系。

4.4 建造生態缸促進遷移與運用

教師首先向學生介紹生態缸的概念并提出問題:你能依據上述規律設計并建造一個具有一定穩定性的生態缸嗎? 接下來教師展示和介紹課堂內所提供的可用于生態缸建造的實驗材料,并提示學生可在課后對缸內的成分進行替換或補充。 最后引導學生結合以下問題完成生態缸的設計:你將選擇模擬何種生態系統? 生態缸中將投放哪些生物? 這些生物的數量應該如何配置? 這些生物在該生態系統中扮演著什么角色? 這些生物間可以形成怎樣的營養結構?該生態系統的功能是如何實現的? 你對該生態系統未來的發展作何預測?

學生以學習小組為單位進行生態缸設計方案的討論,并依據最終的設計方案進行生態缸的搭建。 生態缸搭建完成后,選取兩個不同類型的小組進行生態缸的展示和設計理念的介紹,其余小組參與討論與評價,最后由教師進行點評和總結。

設計意圖:通過對生態缸的設計、搭建、討論和評價,使學生能更加深入地理解生態系統的結構和功能對其穩定性的影響,強化了知識間的聯系,并且把從具體問題中抽象出來的規律再運用到相關問題的解決中去,促進了學生對知識的遷移與運用。

4.5 課堂延伸

教師引導學生以搭建好的生態缸為材料,進行后續的觀察和研究:(1) 觀察并記錄生態缸中生物的生長情況,在生態缸出現問題時及時分析找出影響因素,并作出相應的調整。 (2) 利用生態缸來模擬研究外界因素對生態系統穩定性的影響,如:生物入侵、化學污染等。

設計意圖:通過引導學生在實際觀測中對實驗設計方案進行修正和完善,培養學生的批判性思維,也讓學生深刻地認識到科學結論的得出必須經過科學實驗的驗證。 通過開展模擬研究實驗,幫助學生深入體會環境因素對生態系統穩定性的影響,加強了環境保護的責任感,形成了良好的生態觀。

本節課的設計宗旨是以核心問題引導學生深入理解核心概念,并在課堂的各環節中實現對核心概念的延伸和核心問題的拆解,讓概念從實際情境中來,再回到實際問題的解決中去。 學生在真實情境中產生疑問,在調查和推理中找尋答案,在交流和討論中建構起概念模型,最后在實踐中對模型進行檢驗和修正,較好的發展了科學思維,提升了科學探究能力,形成了良好的生態觀,增強了保護環境的社會責任感。