指向科學思維培養的高中生物學一輪復習教學實踐

李雨殷

［摘 要］文章以“生態系統的能量流動”一輪復習為例，通過創設“改造新會柑果園”的情境，激發學生的科學思維；引導學生運用分析與綜合、歸納與概括等思維方法建構生態系統能量流動過程模型、生態金字塔模型，訓練學生的科學思維；引導學生從能量流動角度解決真實情境問題，提升學生的科學思維能力；通過拓展遷移，發展學生的科學思維，提高復習的效果。

［關鍵詞］科學思維；高中生物學；一輪復習；生態系統的能量流動

［中圖分類號］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）29-0088-03

科學思維的表現形式是科學思維方法，其種類包括比較與分類、歸納與演繹、分析與綜合、抽象與概括以及批判性思維［1］。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課標》）中明確指出科學思維是生物學學科核心素養的重要內容，并確定了科學思維的不同發展水平［2］。這為高考試題命制提供了科學依據。因此，考查科學思維是高考的重點方向。在日常生物學教學中，發展學生科學思維是重要的目標之一。本文以“生態系統的能量流動”一輪復習為例，探討在日常生物學教學活動中如何培養學生的科學思維。

一、教材及學情分析

“生態系統的能量流動”是人教版（2019年）高中生物學選擇性必修2第3章第2節的內容。本節復習課是在種群、群落的基礎上，進一步過渡到對生態系統的復習，為后續復習人與環境的內容奠定了基礎。而能量流動是生態系統的重要功能之一，對維持生態平衡有重要作用，是發展學生系統觀、物質與能量觀的重要內容之一。同時，該部分內容也可與必修1中細胞的能量供應和利用建立聯系。在等級考試中，此部分內容重點考查信息獲取和整理能力、邏輯推理能力、分析判斷能力、遷移應用能力等能力。因此，在復習時不僅要回顧核心知識，還要注重訓練和發展學生的科學思維，提升學生的生物學學科核心素養。

在知識方面，高三學生對生態系統的能量流動過程的認識較為混亂，不能較好地運用生態系統的能量流動的規律。在能力方面，學生具備一定的分析推理能力和邏輯思維能力，但基于事實建構概念模型、運用知識解決問題的能力還有待提高。

二、教學目標

《課標》對此部分內容的要求為：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；舉例說明利用物質循環和能量流動規律，人們能夠更加科學、有效地利用生態系統中的資源；解釋生態金字塔表征了食物網各營養級之間在個體數量、生物量和能量方面的關系。

基于《課標》的內容要求、學業要求和學業質量水平，并圍繞學科核心素養及其表現水平，制訂了如下的教學目標：

（1）通過創設單純種植柑樹的果園生態系統的農業生產情境，分析能量流經第一營養級、第二營養級的過程，運用歸納與概括的方法，使用圖示的方式表征柑果園生態系統能量流動的過程，發展系統觀、物質與能量觀。（生命觀念；科學思維）

（2）基于柑果園生態系統的情境，建構能量、生物量和個體數量的生態金字塔，表征生態系統能量流動的特點。（科學思維）

（3）從調整生態系統能量流動關系的角度嘗試對單純種植柑樹的果園生態系統的升級改造提出合理化建議，并認同研究生態系統能量流動的實踐意義。（科學思維；社會責任）

三、教學實踐

（一）創設情境，激發科學思維

在復習課的引入環節，教師簡要介紹學生熟知的當地食品——新會柑及其陳皮，并創設情境：在當地有不少百姓以種植新會柑為生，為助力鄉村振興，農科院學生小鄭在調研某個新會柑果園生態系統時發現了一些不好的現象：種植物種單一，并受到了潛葉蛾、蚜蟲等害蟲的侵害，且害蟲的天敵較少，需噴較多的殺蟲劑；雜草長勢較快；人們只獲取新會柑的果皮，其余則丟棄。對此，他感到憂心忡忡。據此，教師提出核心任務：幫助小鄭同學，從生態系統能量流動的角度為這樣的柑果園升級改造提供建議。

從學生的生活情境和經驗出發設計情境主線——如何改造新會柑果園，并提出核心任務，從而引入對生態系統能量流動相關內容的復習。從解決實際問題的角度出發，通過身邊的例子來激發學生的學習熱情，進而促進學生思考周圍生活中存在的生物學問題，并應用生物學知識解決問題。這不僅能調動學生的學習積極性，還能激發學生的科學思維，增強學生熱愛家鄉、奉獻家鄉的情感。

（二）建構模型，訓練科學思維

1.建構生態系統能量流動過程模型

教師提出問題：根據以上情境（暫不考慮該柑果園生態系統與人的聯系），該柑果園生態系統的生產者、初級消費者、次級消費者有哪些？分別屬于第幾個營養級？學生自主學習，借助文字和箭頭繪制能量分別流經該柑果園生態系統第一營養級和第二營養級的示意圖，小組交流討論，并達成共識，由小組代表分享討論結果（如圖1和圖2），其他小組進行評價、補充和完善，教師適時進行點評。

在此基礎上，教師引導學生分析、比較第一營養級、第二營養級的能量去路，歸納兩者能量去路的共同點，讓學生使用圖示的方式表征柑果園生態系統能量流動示意圖，并請學生代表結合示意圖概述柑果園生態系統能量流動的過程（如圖3）。教師繼續引導學生根據所建構的生態系統能量流動過程示意圖回顧能量流動的概念和特點，并設置合理的問題：①為什么能量在生態系統中是單向流動的？②有人說柑果園生態系統是人工設計的，所以其營養級之間的能量傳遞效率可由人任意控制，你認為這種說法對嗎？引導學生回顧能量傳遞效率內容，并繼續追問：為什么只有10%～20%的能量流入下一營養級？其他能量流去哪里了？

2.建構生態金字塔模型

教師先引導學生基于柑果園生態系統的情境，用圖形表示柑果園生態系統的能量金字塔（如圖4）、生物量金字塔（如圖5）、個體數量金字塔（如圖6），學生代表展示并闡述其繪制的生態金字塔。緊接著追問：①柑果園生態系統的能量金字塔的每一層體積代表什么？②為什么能量金字塔和生物量金字塔是上窄下寬的形狀？③為什么柑樹和害蟲在數量關系上會出現倒金字塔的情況？讓學生進行交流討論，從而加深學生對生態金字塔概念的理解。

整個環節教師緊扣情境，精心設置問題串，充分引導學生運用歸納與概括、模型與建模等科學思維方法，通過概念模型的形式清晰梳理能量流動的過程，加強學生對必備知識的理解和掌握，發展學生的物質與能量觀。充分利用新會柑果園生態系統的情境素材，培養學生獲取與整理信息的能力，提升學生的思維能力。

（三）解決問題，提升科學思維

教師再次提出情境導入時的核心任務：幫助小鄭同學，從生態系統能量流動的角度為這樣的柑果園升級改造提供建議。首先，引導學生回顧研究生態系統能量流動的實踐意義，并根據其實踐意義，從能量流動角度思考如何對單純種植柑樹的果園生態系統（如圖7）進行升級改造。為了促進學生深入思考，教師首先提出了引導性問題：①如何充分利用空間和資源，增大流入該柑果園生態系統的總能量？②為了使能量持續高效流向對人類最有益的部分，應該減少哪部分的能量流動？③是否可以通過環保的方式將雜草與害蟲中的部分能量進行傳遞，使其最終被人類所利用呢？其方法是什么？④如何對柑果園實現能量的多級利用，從而提高能量的利用率？然后請學生對比分析柑果園改造前后的生態系統模式圖（如圖7和圖8），并從能量利用率、生態保護、經濟效益等角度分析升級改造后的柑果園生態系統有哪些優點。

將單純種植柑樹的果園生態系統模式圖和復合的果園生態模式圖作為素材進行對比，從人們期望的“持續”“高效”與“綠色”地實現經濟、生態和社會效益出發，圍繞增大能量的輸入、提高能量利用率、調整能量流動的關系等角度，提出引導性問題，讓學生基于情境信息和必備知識，展開關于研究能量流動的實踐意義的復習，重視學生在真實情境下的應用能力、在分析問題和解決實際問題過程中科學思維能力的提升。

（四）遷移拓展，發展科學思維

教師呈現2020年高考全國Ⅲ卷第31題，引導學生學以致用，實現對知識的遷移和應用，發展學生的科學思維。

（2020年高考全國Ⅲ卷第31題）假設某種藍藻（A）是某湖泊中唯一的生產者，其密度極大，使湖水能見度降低。某種動物（B）是該湖泊中唯一的消費者。回答下列問題：

（1）該湖泊水體中A種群密度極大的可能原因是? ? ? ? ? ? ? ?。（答出2點即可）

（2）畫出該湖泊生態系統能量流動的示意圖。

（3）假設該湖泊中引入一種僅以A為食的動物（C）后，C種群能夠迅速壯大，則C和B的種間關系是? ? ? ? ? ? ? 。

教師充分挖掘情境價值，給學生布置拓展性作業：小鄭根據調研所發現的問題，準備向政府提交一份發展綠色生態柑果園的建議書。請試以小鄭的身份，運用所學知識，完成此建議書，字數在300字以內。以此號召學生心系鄉村振興，為祖國的發展貢獻力量，升華主題。

從素養立意的角度，布置作業，能展現學生邏輯思維的過程性，達到強化學生科學思維，提升學生綜合素養的目的。在此過程中，學生主動進行深度思考，嘗試用生態平衡的觀念解決相關生態問題，這進一步強化了學生的科學思維。此外，該過程中還滲透社會責任，使學生心系鄉村振興，培養其家國情懷，鞏固其人與自然和諧相處、可持續發展的觀念。

四、教學反思

本節課以“升級改造新會柑果園”這一情境貫穿整個教學過程，從真實的生活世界選取情境素材，以情境為載體引導學生思考、分析和判斷，讓學生回顧生態系統能量流動的一般規律和特征，認識到研究生態系統能量流動的實踐意義，從而學會更加科學、有效地利用生態系統中的資源。在教學中，教師通過概念建模、問題引領以及任務驅動，加深學生對生物學重要概念的理解，進一步提高學生分析解決生物學問題的能力。在整個教學過程中，教師以合理的問題作為任務驅動，讓學生小組內合作、探討、歸納與概括，小組間進行交流展示，最終建構概念模型，發展物質與能量觀。高三的復習課，不僅是對知識的復習與鞏固，更重要的是加深對概念的理解，提高在真實情境下運用學科知識和概念解決生產生活中的實際問題或完成任務的能力。通過解決問題或完成任務還可以激發、訓練、提升和強化學生的科學思維，發展學生的生物學學科核心素養。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 吳成軍.試論科學思維及其在生物學學科中的獨特性［J］.生物學教學，2018（11）：7-9.

［2］? 中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準：2017年版2020年修訂［M］. 北京：人民教育出版社，2020.