“应用生态学原理进行人工生态系统优化”一节情境教学

陈佳健

（湖南师范大学附属中学 湖南长沙 410006）

情境教学以解决现实生活中遇到的问题为目标，故教学中要选择真实性任务［1］。教师给予学生解决问题的原型，并指导学生探索，使学习在与现实相类似的情境中发生,不对其做过于简单化的处理。真实性任务具有复杂性、整体性与多样性，更容易激发起学生的内部动机。学生在完成任务时，概念性的知识也在情境中通过活动被合成。

1 教学情境

1.1 现实背景 2005年8月,时任浙江省委书记的习近平同志在浙江湖州安吉考察时就提出“绿水青山就是金山银山”这一科学论断。2017年10月18日，习近平同志再次在“十九大”报告中强调,必须树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，坚持节约资源和保护环境的基本国策，坚持人与自然和谐共生［2］。

生态农业是按照生态学原理和经济学原理，通过人工设计协调发展与环境之间、资源利用与保护之间的关系，获得较高的经济效益、生态效益和社会效益的现代化高效农业［3］。随着中国城市化的进程加速,生态农业的发展空间将得到进一步深化。

1.2 真实性任务 团结村地处丘陵地带，村中水脉纵横。村民因地制宜将天然湿地改建成鱼塘、水田，将山头改建成果园，村中主要有以下3 类人工生态系统：鱼塘生态系统、水田生态系统和果园生态系统。但3 类人工生态系统在运转过程中都或多或少遇到了一些问题：鱼塘生态系统旁有许多农户养猪，猪粪直接排至鱼塘中，导致鱼塘中水体富营养化，藻类大量增殖，鱼类经常因为缺氧而死亡；水田生态系统在种植水稻时饱受稻飞虱、卷叶螟等虫害之苦，村民需要大量使用农药，但这不仅污染环境，而且增加了成本；果园生态系统也经常爆发由蛾、蝶类幼虫导致的虫害，导致水果品质变差甚至产量减少。

请学生利用生态系统结构和功能的原理，以小组为单位为团结村现有人工生态系统提出优化方案，形成“无污染、高产出”的生态农业体系。教师提供下列材料或生物:沼气池建造材料、太阳能黑光灯、多种鱼苗、鸡、蟹、鳖、鸭、虾、蚯蚓和牛蛙供学生选用。

2 方案范例

学生先在小组内部进行讨论,再由教师组织对3 类人工生态系统（鱼塘生态系统、水田生态系统、果园生态系统）对应的优化方案进行展示。讨论过程中，各小组形成了不同的优化方案；展示过程中，学生可分享不同的优化方案，并对其中不完善的地方进行进一步的讨论。

以下为学生在课堂中经过充分讨论形成的部分优化方案：

1）鱼塘生态系统：①投放多种鱼苗：不同鱼类适应于水体不同深度,这能丰富池塘中群落的空间结构，使资源得到最大化利用。②饲喂蚯蚓：用猪粪、鱼粪作为饲养蚯蚓的基质，蚯蚓可作为鱼、鸡、牛蛙的食物。③利用沼气池建造材料建造沼气池：将猪粪、鱼粪排入沼气池中进行发酵，产生的沼气可用于村民的生活与照明,产生的沼液中含有大量无机盐离子可作为水稻或果树的肥料，产生的沼渣中含有大量有机物可用于喂鱼或养鸡。

2）水田生态系统：在水田中养鱼、蟹、鳖、鸭、虾等。以在水田中养鱼为例，在水田中投放鱼苗，在养殖期间间断性地在田中多放些水,深水中的鱼苗可将附在水稻基部的害虫或田间杂草作为食物基本清除,而鱼粪经过稻田中微生物的分解可成为水稻的肥料,同时水稻植株可为鱼类遮阴以保证其生存的温度。待鱼苗长到一定大小，就打开水田连通池塘的沟渠，将鱼引入池塘继续饲养。这样既在不造成环境污染的同时解决了水稻的虫害，又在水稻增产的基础上可继续通过养鱼创收。在水田中投放适量的蟹、鳖、鸭、虾，可起到相似的作用。

3）果园生态系统：①利用太阳能黑光灯灭虫。黑光灯可发出人眼不可见的紫外线,但昆虫对该波长的光很敏感。被黑光灯引诱来的蛾蝶类昆虫可再用化学或电的方法加以杀死,并作为鸡或牛蛙的食物。②在果园中养鸡。鸡能除草灭虫，果园中的害虫或杂草可成为鸡的食物,这能节省养鸡饲料的成本；而鸡粪经过土壤中微生物的分解可作为果树的肥料，这能节省果树肥料的成本；同时鸡在种满果树的山头走动能促进生长，增强体质，提高肉质。综上，这一措施能减少养鸡与原有果园项目各自生产投入，同时提高水果与鸡的品质，从而提高农民的投资回报率。③在果园中养殖草菇。参照人教版必修3 第77 页 “科学·技术·社会”栏目中提供的信息，可利用果树种群下微弱的光照、较高的空气湿度和较低的风速等特殊环境条件，在果树下加入一个人工栽培的草菇种群。草菇利用这种适宜的环境条件生长发育,栽培草菇剩下的基质又给果树提供了营养［4］。

学生还提到可在团结村建造农家乐,为人们提供回归自然、获得身心放松的休闲旅游方式，从而开发生态系统的直接价值,例如,提供池塘垂钓、水田摸鱼、果园露营等活动,用土生土长的鸡、鱼等制作特色农家菜等。

3 原理总结

教师引导学生从得到的优化方案中提取出所包含的生态学原理,并用板书即时记录提炼得到的生态学原理（图1）。例如向水田生态系统中引入鸭、虾等其他生物防治虫害这一措施，增加了生态系统中的物种丰富度,从而提高了生态系统的自我调节能力；向农田中引入其他物种并不是漫无目的,而是从营养结构层面上重新合理设计了食物链；对食物链的重新设计带来了能量沿食物链的流向改变，为了创造更多收益，经过设计后的食物链让能量更多地流向对人更有益的部分，提高了能量利用率；物质是能量的载体，这里又涉及到了物质随能量流动循环再生。

图1 有关生态学原理的总结板书

分析的过程中,教师还应随时结合方案中的具体措施对学生产生的疑问进行点拨讲解。以讲解“实现能量的多级利用”与“使能量持续高效地流入对人类最有益的部分”有什么区别与共同点为例：前者指废物再利用，即不改变现有的能量流动关系，其中产生了一些离开食物链的废物，人们继续利用废物中包含的能量，例如，用秸秆做基质培养食用菌、利用沼气池处理粪便；后者改变食物链中的能量流动关系，例如，鸡在果园中吃青草、草籽、害虫；这2 项措施对人类来说，都能提高能量利用率。为了将这一疑难解决得更加透彻，还可结合之前讨论中生成的优化方案进行整理,分析哪些具体措施体现了“实现能量的多级利用”，哪些具体措施又体现了“使能量持续高效地流入对人类最有益的部分”，对易混淆的实例进行及时辨析，例如，用鱼粪作水稻肥料并不能体现“能量的多级利用”，因为植物不能直接利用有机物，只能利用无机盐。

4 教学反思

本节课中,教师有目的地创设了具体生动的情境，让学生将“生态系统结构与功能”有关理论知识在具体情境中使用,这能帮助学生进行知识的重组与迁移，实现知识的同化与顺应。在课堂中生生之间或师生之间的密切交流,使学生在互相合作中得到更加完善的方案，并理解了“可持续发展”的社会责任。

但在此过程中，教师应注意以下3 个问题：

1）要具备较强的教学组织能力：情境教学是一种较为开放的教学模式，但绝不是杂乱无章、毫无秩序的。教师既要让学生在和谐、宽松的氛围中积极主动地进行各种活动,又不能让课堂成为闹市。这就对教师的教学组织能力提出了较高的要求，教师要能做到收放自如，使课堂教学活泼而有序［5］。

2）给予恰当的评价：在情境教学中，学生的活动较多,教师对学生的学习结果一定要给予恰当的评价。教师的评价可引导学生探究的方向，也会使学生获得愉悦甚至成就感,从而成为学生学习的强大动力。

3）难度适当，照顾不同层次的学生：一个班级总有层次不同的学生,教师在创设情境时要注意难度适当,同时可通过小组合作等手段使不同层次的学生都能参与进来，得到提高。