基于“教、學、評”一體化的“生態系統的物質循環”教學設計

摘要：本文以“生態系統的物質循環”為例，基于“教、學、評”一體化理念進行教學設計。其教學實施包括4個環節：分析概念，制訂學習目標；創設情境，確定建構任務；嵌入評價，指向目標達成；遷移應用，檢驗學習成果。通過情境導八、任務驅動、問題引導，引領學生進行科學思維和探究，進一步理解生態系統的物質循環及其特點，真正實現從學知識到做事情的轉變，促進生物學學科核心素養目標的達成。

關鍵詞：生態系統；物質循環；“教、學、評”一體化；教學設計

文章編號：1003-7586（2024）02-0012-05 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

1教材分析及設計思路

“生態系統的物質循環”是人教版《普通高中教科書生物學選擇性必修2生物與環境》第3章第3節內容。該內容是讓學生在學習了“生態系統的能量流動”知識的基礎上，從物質角度來進一步學習生態系統的功能。該內容需要引導學生說明生態系統的物質循環的過程和特征，分析有害物質富集現象、特點和危害，以及探討人類活動對生態系統平衡的影響。《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》）中提出，生物學學科核心素養是學生在解決真實情境中的實際問題時所表現出來的價值觀、必備品格與關鍵能力，是學生知識、能力、情感態度與價值觀的綜合體現。真實問題情境是落實生物學核心素養的重要載體，在教學中應選擇一個情境作為主線貫穿整節課，再通過主線情境創設多個子情境，串聯情境，聯系知識，幫助學生將零散知識系統化。

“生態系統的物質循環”是大概念“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”下的一個重要概念，即“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”，本課時內容對應的3個次位概念有助于該重要概念的形成。

教材以“沙漠中的胡楊死亡后，很長時間沒有腐爛卻依然傲立于大漠”作為情境，該題情境對濕度較大的海南島上的學生而言是非常陌生的。海南西沙群島有我國現存最大的一級保護動物綠海龜產卵場，綠海龜數量驟減的原因有人類的濫捕濫殺、溫室效應、海洋污染等。以海南西沙群島的綠海龜保護作為情境主線，更加貼近海南學生的生活，以層層遞進的形式，引導學生探究影響綠海龜數量變化的原因并且尋找解決措施，逐步幫助學生搭建知識框架，培養學生的科學思維及保護海洋環境的社會責任意識及擔當。選擇海南本土情境會更利于本節課學習目標的順利達成，具體設計思路如圖1所示。

2教學目標

基于《課程標準》的內容要求、學業要求和學業質量標準，并圍繞培養學生核心素養的要求，制訂了如下教學目標。

（1）通過構建碳循環概念模型過程，為解決綠海龜性別比例失調提出合理建議，歸納出生態系統的物質循環概念。

（2）通過分析實驗數據，分析生物富集現象的成因。

（3）通過設計實驗，并結合模擬實驗，分析重金屬元素的濃度沿著食物鏈升高的原因。

（4）通過了解人類破壞環境而影響自身的實例，引發社會責任意識與擔當。

3教學過程

本節課遵循“分析概念，制訂學習目標－創設情境，確定建構任務－嵌入評價，指向目標達成－遷移應用，檢驗學習成果”思路，以西沙群島綠海龜面臨滅絕的事實為大情境，并將其拆分為4個子情境，引導學生將碳循環、物質循環、生物富集3個主要知識點應用到子情境中，幫助學生建立完整的知識體系，實現從抽象到具象，最終上升到概念的過程，如圖2所示。

3.1碳循環

3.1.1創設情境，確定建構任務

以海南西沙群島附近海域綠海龜的生活視頻導入課堂，引入“生態系統的物質循環”的話題。

情境1 教師播放視頻，介紹海龜卵在孵化時，溫度對海龜的性別起著決定性作用，當巢溫為29.4℃時，雌雄比為1：1，溫室效應使西沙群島的巢溫上升至31℃，導致孵化出的綠海龜近80％都是雌龜。溫室效應引發的變暖趨勢，會導致未來海龜種群完全雌性化，雌龜無法交配，使綠海龜逐漸走向滅絕。

教師提問：在正常情況下，大氣中的CO2含量維持相對穩定的原因是什么？溫室效應產生的原因是什么？

教師提供“生產者”“消費者”“分解者”“化石燃料”“大氣和水圈中的CO2庫”等卡紙片，引導學生以小組為單位構建如圖3所示的碳循環模型，利用模型解釋大氣中的CO2含量能夠保持相對穩定以及溫室效應形成的原因。

設計意圖 通過溫室效應對綠海龜影響的視頻導入新課，通過事實建構學習情境，激發學生保護綠海龜的欲望和學習相關知識的興趣。

3.1.2嵌入評價，指向目標達成

學習小組成員利用教師提供的卡紙片將植物、動物、微生物等具體生物種類歸類為生態系統的組成成分（生產者、消費者、分解者），初步構建如圖3甲所示的碳循環概念模型，通過思考和合作進一步完善和優化得到如圖3乙所示的碳循環模型。利用構建的模型準確分析出碳元素在生態系統中通過不斷循環達到平衡，從而使大氣中的CO2含量能夠保持相對穩定。通過對大氣中CO2的來源和去路進行分析，說出人類對化石燃料及森林等的過度利用會打破碳循環的平衡，從而造成溫室效應。碳循環對象是碳元素還是CO2？生態系統中除了碳元索之外還有哪些元素熊發生循環？物質在生態系統的什么成分之間發生循環？學生以小組為單位，在組內合作構建模型和講解碳循環過程，小組代表上臺在全班展示，其他各小組成員提出不完善之處并進行修正，教師進一步引導學生歸納出“生態系統的物質循環”概念，使學生能夠達成學習目標。

設計意圖 小組成員利用教師提供的相關學具合作構建碳循環模型，講解碳循環過程，應用模型解決問題，并在同伴及教師的協助下進行完善和修正。通過全球氣溫變化的實例，理解物質循環具有全球性和循環性的特點。學生在動腦思考、動手構建、語言講解、交流討論中達成學習目標。

3.1.3遷移應用，檢驗學習成果

為使學生能夠基于碳循環模型應用所學知識，首先引導學生從正常情況分析大氣中CO2的來源與去路，再分析人類活動對生物圈中的碳平衡的影響，從而分析溫室效應產生的原因，為緩解溫室效應及解決西沙群島綠海龜性別比例失調提出合理化建議。基于碳循環模型，結合日本核污水排海事件新聞，歸納出物質循環的范圍和特點。

設計意圖 以問題驅動的形式，由淺入深，環環遞進，培養學生解決問題的能力和責任意識。引導學生在不同情境和問題面前創造性地、靈活地、流暢地應用所學知識（解決問題）。

3.2生物富集

3.2.1創設情境，確定建構任務

除了溫室效應，海洋污染也是影響綠海龜種群數量的重要因素。人類向環境中排放了很多有害物質，包括一些重金屬元素，如鉛（Pb）、鎘（Cd），以及人工合成的有機化合物，如DDT、六六六農藥等。

假如這些有害物質進入生物體內，它們能否同碳一樣，可以較快地通過食物鏈離開生物體，回歸非生物環境呢？

情境2：西沙群島不同采樣點水、水底沉積物和海草體內鎘平均濃度對比資料，如圖4所示。

教師提問：根據相關知識，分析西沙群島海草體內的鎘濃度比它所處環境高的可能原因是什么？綠海龜主要以海草為食，倘若綠海龜捕食富集鎘的海草，一段時間后，海龜體內的鎘濃度與海草相比會怎樣呢？重金屬元素沿著食物鏈傳遞過程具有什么特點？海龜捕食海草一段時間后，海龜體內的鎘濃度與海草相比會更高嗎？若以鎘濃度基本相同的海草、健康且同等大小的海龜為實驗材料，如何設計實驗來驗證鎘在生物體內的濃度沿著食物鏈升高呢？

設計意圖 教師根據綠海龜的生活環境——西沙群島附近水域的水、沉積物和海草體內鎘平均濃度的資料，引導學生對生物富集問題的分析，得出人類活動影響了某些物質，如重金屬、人工合成的有機化合物等物質在生態系統中的分布的結論，激發學生的學習興趣。

3.2.2嵌入評價，指向目標達成

學習小組成員通過對教材內容的學習，能夠分析出生物富集的成因，歸納出生物富集的概念。因為生物富集，西沙群島海草體內的鎘濃度比它所處環境的高。海龜捕食海草一段時間后，海龜體內的鎘濃度與海草相比會更高，重金屬元素沿著食物鏈傳遞，逐漸在生物體內聚集，最終積累在食物鏈的頂端。小組成員經過合作交流，根據提供的實驗材料，進行分析，寫出驗證鎘在生物體內的濃度沿著食物鏈升高的實驗思路、預期結果和結論。小組代表展示實驗設計方案，其他小組代表分析、點評，對方案進行修正，得到完善的實驗方案。由于實驗條件、時間等的限制，無法將實驗思路轉化為相應的實驗，筆者將科研人員在海口東寨港不同采樣點獲得的植物、鯔魚（植食性）、多鱗培（肉食性，以鯔魚等為食）體內汞平均濃度的實驗數據進行展示，如圖5所示。學生通過分析實驗數據得出重金屬元素在生物體內的濃度會沿食物鏈不斷升高的結論。

設計意圖 小組成員利用教師提供的研究數據進行比較、分析，并對實驗數據進行解釋，概括出生物富集的概念，總結出生物富集的成因。小組成員將自己的實驗方案在小組內進行表述，小組代表在全班進行展示，在與同伴及教師一起研究中進行完善和修正，將學習目標嵌入學習任務之中，轉化為在學習任務中要解決的問題。

3.2.3遷移應用，檢驗學習成果

研究表明重金屬元素等在生物體內的濃度會沿食物鏈不斷升高。為什么會出現這種現象？碳濃度也如此嗎？通過對元素轉移過程進行實驗模擬，讓學生感受和理解元素轉移過程的成因和機理。

教師提供“裝有紅色水晶石和水的小杯子”、“裝有水的大杯子”等模擬實驗學具，大杯子代表海龜、小杯子代表海草，紅色水晶石代表鎘、水代表碳，杯體上方均扎有小孔。

學生利用學具模擬元素轉移過程，實驗過程如圖6～圖9，觀察海龜（大杯子）體內的鎘和碳濃度，它們相比海草（小杯子）有什么特點？學生觀察海龜（大杯子）內的鎘（水晶石）及碳（水）濃度變化，可發現隨著海龜捕食海草量的增加，水晶石不易離開生物體，代表鎘元素在生物體內的濃度沿著食物鏈逐漸升高；水可通過罐子上方的小孔逸出，如圖9所示，最后水的含量無明顯變化，代表碳元素可通過呼吸作用排出生物體外，其濃度沿著食物鏈無明顯變化。能量流經各營養級時，逐級遞減，高營養級的生物往往需要捕食較多低營養級的生物；重金屬元素在生物體內易形成較穩定的化合物，不易排出，碳可通過呼吸作用等方式排出體外。

情境3 教師展示痛痛病、水俁病等實例，播放日本福島核污染水排海計劃新聞視頻。

真實的事例，讓學生體會到人類對大自然的破壞，最終會使人類遭到報應，讓學生了解人類破壞環境而影響自身實例，引發社會責任意識與擔當。教師引導學生結合本節課所學知識，關注日本將核污水排海行為等社會熱點問題，并談談對這些問題的看法。

情境4 播放海南師范大學海龜救助中心救助海龜及海洋保護宣傳視頻。

現實生活中有許多人在為保護海洋盡一份力，保護環境，人人有責。通過視頻引導學生結合所學內容，積極參與環境保護實踐，促進學生在日常生活中參與環境保護活動，為保護環境貢獻自己的一份力量。

設計意圖 如何評價學習目標是否達成？其中一個評價標準是能否應用所學知識解決新的問題，能否將相關知識應用到新的情境中。設計實驗，動手實踐，掌握實驗探究的方法，培養學生的科學思維和科學探究能力。結合模擬實驗，化抽象為具象，化難為易，幫助學生攻克難點。通過搭建學與做橋梁的任務設計，實施指向解決現實問題的論證式教學評價。通過一些人類破壞環境而影響人類自身健康的實例，引導學生關注身邊的生態問題，形成生態意識，培養社會責任與擔當。

4教學反思

本節課通過對課程標準、教材，學情的分析，制訂了4個教學目標，以4個目標為導向，以溫室效應對海南西沙群島綠海龜數量的影響實例等情境為載體，布置了一系列可操作、可評價的建構任務，采用問題引導的方法，在分析問題、解決問題的過程中構建碳循環概念模型，概述生態系統的物質循環。通過分析實驗數據、設計實驗及進行模擬實驗，分析生物富集現象及重金屬元素的濃度沿著食物鏈升高的原因。

“教、學、評”一體化是指在課程實施過程中，將教師的“教”、學生的“學”和對“教”與“學”的效果進行“評”，將三者通過科學的方法融合為一個整體，合力實現課程目標的一種教學策略。“教、學、評”一體化的教學觀倡導以可觀、可測、可評的目標為核心，將“評”貫穿在整個教與學過程中，達到以評促學、以評促教，教學相長的目的。讓師生都成為評價主體，讓評價成為學習的一部分，充分發揮過程性評價、診斷性評價和增值性評價的功能，確保核心素養的教學實踐落實而不落空，使新課標理念真正走人課堂，讓真實學習在課堂中發生，讓學生成為一個“能學習、會學習”具有自主學習能力的學習者。