基于变易理论的能量流动教学案例

郭穗绵 （佛山市杏坛中学 广东佛山 528325）

1 变易理论的分析

变易理论是由瑞典哥德堡大学Marton 教授所领导的研究小组，基于“现象图示学”研究发展起来的学习理论。 该理论认为，学习必须透过“审辨”，而审辨必须透过“变易”。 变易指关注该事物的“关键特征”（学习要点），并通过“变易图式”将其与其他事物相区分。 一个学习内容可能存在多个关键特征，以氨基酸结构通式为例，包含关键特征1：含1 个氨基和1 个羧基；关键特征2：氨基和羧基同连在1 个碳原子上；关键特征3：含1个可变的R 基；关键特征4：4 个基团的位置是可变的。 人教版教材中展示的4 种氨基酸就是一种变易图式，它让学生关注到了关键特征1 和关键特征3， 但学生往往会忽略4 个基团位置是可以发生变化的，以及氨基、羧基必须连在同一碳原子上的信息。 很多学习内容由于缺乏变易图式，呈现的是多个关键特征融合的整体，因而不同学生所关注的关键特征可能是不同的。 教师如果能对学习内容包含哪些关键特征进行分析，并预测学生主要存在的学习障碍， 创设恰当的变易图式，再匹配适合的教学策略，能有效帮助学生突破学习重、难点。

2 “能量流动”的教学分析

生态系统能量流动是生态系统三大功能之一，是高中生物生态学部分的核心内容。该部分除了要求学生掌握能量流动的概念、 过程、 转移方向、传递效率、能量流动的金字塔，以及研究能量流动的实践意义等基础知识外，还涉及系统分析、模型构建、数据处理分析等能力的培养。由于教材文字精简、示意图关系交叠，导致学生存在多个学习障碍。

3 利用变易理论处理教材

本节通过从“不同的层次”进行变易研究能量流动，体验系统分析和模型构建的方法；利用学生对同一知识的不同理解， 对一个营养级的能量流动去向及相关要素进行变易，理解“同化量”“粪便量”“用于生长、 发育和繁殖”3 种能量的内在关系，掌握一个营养级的能量流动过程；通过对赛达伯格湖的能量流动图解分析，认识“未被利用”这部分能量的含义及去向， 辨析定性和定量分析法在能流分析上的应用，总结能量流动的特点。

4 “生态系统的能量流动”（第1 课时） 的教学过程

以教材第93 页“问题探讨”作为情境引入，设问：哪种求生策略能为鲁滨逊争取营救时间？ 为本节学习埋下伏笔。教师介绍研究能量流动涉及系统分析法： 指的是利用数学的概念和方法建立模型，优化结构，采用系统科学的研究途径解决复杂系统问题的方法，是目前生态学研究的发展趋势。 初步体验系统分析法：首先为学生提供一个粗略的能量流动分析模型：能量输入→系统→能量输出。

4.1 从生活出发，分析一个个体的能量流动情况 以自己为例，描述一个个体如何获取、储存、输出能量？ 目的在于让学生初步感知能量的存在形式与转化途径。由于贴近生活，学生很快在黑板上写出图1， 很多学生误以为粪便的排出就是能量的输出。暴露学生存在的前科学概念后，教师引入“摄入量”“同化量”“粪便量”等概念，明确“能量输出” 指能量流向其他生物或通过细胞呼吸散失。 通过试误探讨，突破关键特征：粪便属于食物残渣，并没有同化为体内的有机物，最终其能量被分解者利用。 修正后如图2 所示。

再设问：同化能量有何去向？这时学生展示出不同理解，其中具有代表性的如图3、图4 所示，显然学生对于“用于生长发育、繁殖”与“呼吸作用所释放的能量”之间的关系较为模糊。

让学生进行讨论、辨析：当体内的有机物氧化分解，相当一部分能量转化为热能而散失（无法再被利用），其余将用于合成新的组织而作为潜能贮存下来，贮存的这部分能量就属于“用于生长发育繁殖”的能量（修正如图5）。 利用学生对同一知识的不同理解进行变易， 突破了某一营养级能量流动分析的难点， 为生态系统能量流动模型的构建做铺垫。

上述过程经历如下变易图式（图1～图5）：

表1 变易图式（针对图1、图2 的分析）

表2 变易图式（针对图3～图5 的分析）

4.2 以一条简单的食物链入手， 分析一个营养级的能量流动情况 以草→兔→狐→狼这条简单的食物链为例，分组让学生分析每个生物种群的能量来源和去向，并派代表在黑板上从左至右分别展示草、兔、狐、狼的能量流动示意图，由于经历前面个体的能流分析，这部分学生很容易突破。 学生经历表3 变易图式，发现除了最高营养级“狼”，每个营养级的能量流动去向都具有共性，从而完成了一个营养级能流的模型构建（图6）。

表3 变易图式（针对图6 一个营养级的能流分析）

师生再根据能流关系将黑板上4 种生物的能流示意图用箭头相关联，生成图7，然后分小组展开讨论，进一步完善能量流动模型：1）生物是通过什么行为或生理活动完成相关能量的传递、转化的？ 2）该食物链的能量流动中能量存在的形式有哪些？ 3）若用线条粗细表示箭头所代表的能量含量变化，图7 应如何修改？ 4）图7 中的箭头能反转（能量可以反向流动）吗，为什么？ 5）该能量图解是否也适用于其他食物链？ 通过以上教学活动，学生经历了表4 相关变易图式，进一步理解生态系统能量流动的过程： 能量的传递转化涉及光合作用、呼吸作用、摄食、消化吸收等生理活动；能量流动过程中能量形式的变化： 光能→生物体内有机物中的化学能→热能； 该模型也适用于其他食物链。 从而完成生态系统能量流动的模型构建（图8），并从定性的角度初步理解能量流动具有单向流动、逐级递减的特点。

表4 变易图式（一个生态系统的能流分析）

4.3 从定性到定量，以赛达伯格湖为例，分析一个生态系统的能量流动 科学家是如何研究一个生态系统的能量流动的， 师生构建的模型是否符合事实？ 展示教材第95 页图5～图8 赛达伯格湖的能量流动图解。设问：该生态系统的能量流动与前面构建的生态系统能量流动图解有什么相同点和不同点？ 通过2 个变易图式（表5、表6）的比较，学生会发现，除了有3 个能量流动去向相同之外，还出现“未利用能量”和许多具体的数据。 逐一进行变易分析：首先突破“未利用能量”：1）现实中的生态系统是否存在这部分能量？ 2）这部分能量存在于哪里？ 3）这部分能量的最终去向如何？进而总结： 前面能量流动探讨的是每个营养级最终的能量去向，属于“定量不定时分析”，而对赛达伯格湖某一历史时刻能量流动的研究属于 “定量定时分析”，因此未利用的能量最终还是通过上述3 个去路传递，与前面构建的模型没有矛盾，可以隐去“未利用能量”，减少分析干扰；第2 个变易：从定性分析转向定量分析（数据分析）：1）该生态系统总的能量是多少？ 引导学生关注各个数据间的关系，澄清部分学生认为“各个营养级的能量相加就是该生态系统总能量”的误区；2）营养级之间的能量传递效率应该如何计算？ 帮助学生设计表格对数据进行处理、分析；3）为什么流入一个营养级的能量无法100%流到下一营养级？ 4）流经一个生态系统的能量能否再回到该生态系统中？ 5）生态系统的能量流动和转化是否遵守能量守恒定律？体验定量分析的方法，进而总结能量流动具有单向流动、逐级递减的特点，理解生态系统是一个能量耗散的开放性系统。

针对教材图5～图8 赛达伯格湖的分析，与教材中图5～图7 比较，学生经历以下2 个变易：

表5 变易图式（ “未利用”能量分析）

4.4 本节小结 最后回应本节开篇的“问题探讨”：为鲁滨逊选择最佳的生存策略， 并用本节课所学原理进行解释。 师生再进行小结：本节课从个体、种群、营养级，到生态系统，从不同的研究层次探讨能量流动（经历表7 所示变易图式），每个层级都涉及能量的输入、转化、传递和散失，说明构建的能量流动模型具有普适性， 并归纳能量流动的概念。

表7 变易图式（能量流动模型）

5 教学反思

本节课应用变易理论， 通过抽丝剥茧式的7个变易图式， 理清了教材中几个重要图解的内在逻辑联系，突破了教学的重、难点。 与传统教学策略相比，学生学习过程中思路更加清晰，对知识的理解更加透彻。

变易理论重视对学习内容的分析， 打破教师的自然态度， 其价值在于该理论借助学生对知识的不同理解进行变易， 进而让学生自己审辨学习内容的关键特征，避免了教师的强行灌输，使学生对知识的掌握更加牢固。操作过程中，要求教师深入分析教材和学生，预设解决教学重、难点的变易图式， 在教学过程中捕捉学生的不同想法生成变易图式。同时要注意教学用语的准确表述，以帮助学生正确理解所学概念。新课程理念倡导的科学探究和科学思维， 变易理论对培养学生的逻辑分析、理性思维很有帮助，值得推广。