基于真實科研情境的“生態系統的能量流動”復習課教學設計

摘 要：本文根據“紅樹林生態系統的能量流動”這一真實案例，以科研論文為素材，創設真實情境進行高考生物學復習課的教學設計，旨在通過真實的科研情境幫助學生完成重要概念的復習，進而培養學生的生物學學科核心素養和關鍵能力。

關鍵詞：真實情境；生物學學科核心素養；關鍵能力

文章編號：1003-7586（2024）09-0027-04 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

真實情境基于日常生活、生產實踐或科學研究。教師通過真實情境設計教學任務，引導學生逐步構建高中生物學概念體系，從而幫助學生將所學的生物學知識遷移運用于解決生產、生活中的實際問題，促進學生生物學學科核心素養的發展。同時，真實情境的創設應注重設置關鍵問題，以激發學生的思維碰撞，培養學生的生物學學科核心素養和關鍵能力。

科研論文反映了科研工作者在現實條件下開展的科學實驗過程，其以真實的數據、嚴謹的邏輯和客觀的闡述為特征，旨在揭示客觀規律。本文以高考生物學復習課“生態系統的能量流動”為例，探索高考復習中通過科研論文素材創設真實情境的教學策略和途徑，基于真實科研情境進行高考復習教學，凸顯高考評價體系的核心價值。

1 教材分析及設計思路

1.1 教學分析

“生態系統的能量流動”為人教版普通高中教科書《生物學·選擇性必修2·生物與環境》（以下簡稱“教材”）第3章第2節的內容。《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》）對本節的內容要求是，分析生態系統中的能量在生物群落中單向流動并逐級遞減的規律；對應的學業要求為，使用圖示等方式展示和說明生態系統中能量流動的過程和特征，并對相關的生態學實踐應用進行合理的分析和判斷。在新授課中，教師已經完成“介紹能量流動的概念”“分析能量流動的過程和特點”“研究的實踐意義”等內容的教學，同時，學生已能夠基于概念和過程繪制生態系統能量流動的示意圖。

1.2 情境選擇與設計思路

基于上述的教學分析，本復習課選取“紅樹林生態系統的能量流動”作為真實情境。紅樹林生態系統是世界四大最具生物多樣性的海洋生態系統之一。紅樹林作為該生態系統的典型濕地木本植物群落，擁有巨大的生物量和生產力，對生態系統的物質循環和能量流動至關重要。 ［1］

因此，本教學設計基于論文《紅樹林對魚類的吸引及能量標簽技術在紅樹林生態系統能流研究中的應用》創設真實科研情境，并適當補充其他相關研究素材用以充實情境。該研究通過能量標簽技術與胃含物分析法研究了魚類與紅樹林的營養關系，提出“魚類的主要能量來源是藻類”的新觀點，顛覆了“紅樹凋落物為魚類的主要能量來源”的傳統觀點。 ［2］新舊觀點之間的碰撞、沖突使問題情境具有復雜性和可批判性，有利于學生在復習過程中形成科學思維和批判性思維。具體教學設計思路如圖1所示。

2 教學目標

（1）通過分析紅樹林生態系統的能量流動模型圖，闡述生態系統能量流動的過程與特點（生命觀念）。

（2）通過研究魚類的能量來源，簡述如何研究生態系統的能量流動過程，掌握科學探究的方法（科學探究）。

（3）基于紅樹林生態系統的能量流動實驗證據，修正并完善紅樹林生態系統的能量流動模型圖，訓練構建概念模型的能力，培養批判性思維（科學思維）。

（4）以紅樹林為例，分析與闡述生物多樣性的價值，形成生態意識，參與環境保護實踐（社會責任）。

3 教學過程

3.1 創設情境，導入問題

教師播放紅樹林視頻“航拍珠海”，展示紅樹林生態系統中的復雜食物網，并提出核心問題：推測食物網中魚類的能量主要源自哪些生產者，并闡釋原因。

學生根據已有的紅樹林基本情況和食物網展開討論分析。多數學生認為紅樹植物具有光合作用強、種群數量多的特點，進而提出觀點“魚類的主要能量來源是紅樹凋落物”。少部分學生注意到復雜食物網中個別魚類和螃蟹是以海藻為食，且相較于紅樹植物的食物鏈，藻類作為生產者的食物鏈更短，魚類獲得的能量更高，從而提出觀點“魚類的主要能量來源是藻類”。

設計意圖：教師通過紅樹林生態系統食物網中的捕食關系，引出本設計案例的核心問題“紅樹林生態系統中魚類的能量來源”。教師要求學生結合生活經驗和知識儲備分析討論，得出兩種主要觀點。本設計案例以紅樹林創設真實情境，開啟探討核心問題，激發學生的學習興趣，促進學生進入學習狀態。

3.2 分析情境，論證觀點

教師通過整理文獻資料創設真實情境，引導學生在真實情境中論證核心問題“魚類的能量來源”。

情境一：關于藻類的生產力的數據表明浮游藻類在紅樹林生態系統的生產力總值中占20％～50％；在巴布亞新幾內亞的紅樹林河口中，浮游藻類占到生產力總值的20％。 ［3］

情境二：教師提供紅樹林生態系統能流示意圖（見圖2）。

情境三：紅樹是一種富含纖維素的植物，魚類對其吸收和轉化的效率較低。因此，紅樹凋落物必須先經甲殼類動物的消化處理，才能被魚類有效利用。相比之下，藻類等植物可以直接被魚類取食。基于此，當等量的紅樹凋落物和藻類同時進入食物鏈時，最終進入魚類體內的藻類能量大約會比紅樹凋落物高出10倍。

根據以上情境，教師設置系列問題：能否從群落結構的角度分析藻類生產力比紅樹植物生產力低的原因？圖2中的箭頭在能量流動過程中所代表的含義是什么？圖2中紅樹林生態系統的能量流動支持上述哪個觀點？圖2中紅樹林生態系統的能量流動缺失哪些能量去向？請利用能量流動的特點分析情境三的觀點。

學生活動：學生從藻類和紅樹植物的垂直分布出發，推測第一個問題的答案與植物的分布空間有關，林下的藻類獲得光照更少，光合作用受到抑制，因此生產力更弱。學生通過回顧能量流動的過程，分析紅樹林生態系統的能量流動，理解各個箭頭所代表的不同流向，即一部分能量被同化進入下一個營養級，一部分流向沉積物，一部分作為未被利用的能量殘留，而另一部分則可能轉移至其他生態系統。圖中缺失的能量去向是流向分解者和生物通過呼吸作用以熱能形式散失的兩個能量去向。學生根據對情境三的分析，推測情境三的觀點是“魚類的主要能量來源是紅樹凋落物”。由于能量流動的逐級遞減特性，藻類相比紅樹植物更適合作為魚類的主要食物來源，該結論支持另一觀點“魚類的主要能量來源是藻類”。

設計意圖：教師提供三個新情境素材來補充說明“紅樹林生態系統的能量流動”這一真實情境，既能引導學生復習與掌握能量流動的過程，又能發展學生的邏輯思維。學生運用所學的能量流動過程和特點、群落結構等知識解決實際問題。結合素材和所學知識，學生嘗試尋找證據以支撐觀點。然而，兩個相互矛盾的觀點均有證據支持，引發了進一步的討論和修正。教師通過創造認知沖突，激發學生對于新事物的好奇心和探索欲。學生嘗試運用生物學知識和科學思維方法支撐自己的觀點，做到具體問題具體分析，這一過程促進了學生批判性思維的培養。

3.3 設計方案，繼續論證

教師根據上述觀點的討論情況，提出問題：應當采用什么研究方法探究該生態系統中魚類的主要能量來源？

學生活動：學生根據已掌握的實驗操作，提出利用單一變量原則與對照原則進行實驗設計。例如，選取數量相同、體型相當的同種魚類，均分為兩組，一組以紅樹凋落物作為食物，另一組以藻類作為食物，對比魚群的進食量。除了開展實驗，部分學生提出利用觀察的方法，分析魚類消化道中的食物成分。

設計意圖：教師引導學生復習實驗設計的原則，設計可行的實驗方案，同時檢驗學生對科學探究基本思路和方法的掌握程度。此外，教師可以將科研論文中多樣的實驗方法適度轉化并呈現給學生，從而開闊學生的視野，發展學生的科學思維。

3.4 實驗證據，得出結論

為進一步深入探討核心問題“魚類的能量來源”，教師呈現論文《紅樹林對魚類的吸引及能量標簽技術在紅樹林生態系統能流研究中的應用》中關于“胃含物分析”和“能量標簽技術”的實驗原理和實驗數據，并設置系列任務：請根據胃含物分析的數據討論魚類的食物來源；根據能量標簽技術的原理分析數據，總結實驗結論；根據上述結論，對圖2紅樹林的生態系統能流進行修改和完善；分析得到的新結論和完善的能量流動圖，是否與紅樹林生態系統具有生物多樣性的原因存在矛盾？ ［2］

學生活動：學生根據胃含物分析結果，推測處于第二營養級的魚類的主要食物來源是藻類。學生基于穩定性同位素技術的原理分析數據，得出結論：魚類的能量主要來自藻類。胃含物分析法和能量標簽技術得到一致的實驗結論，并且均支持“魚類的主要能量來源是藻類”這一觀點，學生以此修正、完善紅樹林生態系統能流示意圖。此外，學生認識到，盡管紅樹林植物不是魚類的主要食物來源，但仍然在維持生態系統穩定中發揮著至關重要的作用。

設計意圖：教師選取利用能量標簽技術與胃含物分析法得到的研究數據，充實真實情境，強調培養學生的理解能力與實驗探究能力。學生通過論證觀點的過程，鍛煉運用科學研究方法追求真知的理性思維。教師圍繞“魚類的能量來源”核心問題展開研究方法的探討，引導學生運用科學的思維方法認識事物、掌握科學探究的方法并基于給定的實驗數據使用科學術語精確闡述實驗結論。學生在新舊理論之間的思維碰撞與修正中，培養自身的批判性思維和社會責任意識。

4 教學反思

4.1 科研融合，培養核心素養

教師利用科研工作者的實驗成果進行教學設計，結合高中生物學知識，有效制造認知沖突，將研究過程全面展開，讓學生直面真實的實驗過程。教師利用科研論文創設真實情境，引導學生在解決實際問題的過程中，了解科學知識的論證過程，掌握觀察與解釋生命現象的方法，進而理解科學本質，掌握科學探究的基本思路和方法，最終達成培養學生生物學學科核心素養的目標。

4.2 科研賦能，強化關鍵能力

生物學學科的關鍵能力包括理解能力、實驗探究能力、解決問題能力和創新能力。本案例包含大量的文字資料和實驗數據，需要學生通過自主閱讀、分析理解獲取關鍵信息，并運用科學規范用語解釋生物學現象、描述實驗結論，能夠培養學生的理解能力和語言表述能力。同時，本案例拓展研究能量流動的實驗方法，要求學生能夠自主分析問題、設計實驗、得出結論等，培養學生的實驗探究能力。在本課例中，真實情境的運用不僅為了引入話題或吸引學生的注意力，其核心價值在于為復習“生態系統的能量流動”這一主題創設基于真實情境的實際問題，使抽象概念與具體實踐相結合。通過引入科研論文中的豐富證據，教師能夠引導學生發展生物學關鍵能力，幫助學生運用所學知識解決現實世界中的具體問題，實現知識的有效遷移和應用。

4.3 科研引領，與高考接軌

試題情境是考查目標的載體，合理創設試題情境能有效激發考生思考作答。 ［4］以福建省普通高中生物學學科學業水平合格性考試為例進行分析。2021年的考卷選用“物候錯配”情境考查信息傳遞的作用及學生對實驗數據或結果的分析能力；2022年的考卷選用“提高柵藻的培養效率和油脂含量”情境考查學生對實驗數據的分析能力；2023年的考卷選用“不同放牧強度對草地植物數量和昆蟲多樣性的影響”情境考查群落的相關知識及學生對實驗數據的分析能力。

由此可見，高考試題傾向于讓學生解決真實情境中的實際問題，且這些實際問題與社會生產實踐息息相關，目的在于引導學生積極運用生物學的知識和方法，關注社會性議題，從而培養學生的社會責任意識。在真實情境的問題解決過程中，學生必須細致地分析教師提供的素材和數據，通過逐步分析和討論，將所學知識應用于解決實際問題。這一過程不僅有助于鞏固概念性知識，而且對于發展學生的批判性思維、問題解決和知識遷移等關鍵能力至關重要。

參考文獻

［1］何明海.紅樹林生態系的能量流動［J］.生物學通報，1992（1）：8+38+2.

［2］黃振遠.紅樹林對魚類的吸引及能量標簽技術在紅樹林生態系統能流研究中的應用［D］.廈門：廈門大學，2007.

［3］高宇，林光輝.典型紅樹林生態系統藻類多樣性及其在生態過程中的作用［J］.生物多樣性，2018，26（11）：1223-1235.

［4］楊帆，郭學恒.基于高考評價體系的生物科考試內容改革實施路徑［J］.中國考試，2019（12）：53-58.