基于证据进阶式的概念模型建构

李招富

科学思维是生物学科核心素养之一，它是学生进行科学探究、树立生命观念、承担社会责任的基础。基于生物学事实和证据进行模型建构，是发展科学思维的方法之一。概念模型可以将复杂问题简单化，将具体现象抽象化，将散乱知识结构化。建构概念模型需要围绕核心概念，进行分析、综合、抽象、概括和推理，完成从表象和具体到抽象和本质的认知过程，属于高阶科学思维能力。

“生态系统的能量流动”这节内容要求之一是“分析能量在生物群落中单向流动并逐级递减的规律”，在学业要求中提出，学生能够使用图示等方式表征和说明生态系统中能量流动的过程和特征。这提示我们，不仅要学习相关知识，还要训练学生建构模型的方法。

一、激活已知，厘清概念

由于能量不可见且储存在物质中，学生常将二者混淆。本节中能量是核心研究对象，应予以明确，避免错误的前概念给后续的建构模型带来障碍。教师可演示初中所学的花生种子燃烧实验，使学生直观感受能量的释放过程。同时，回忆已学知识，总结生物体细胞中的储能物质有糖类、脂肪、蛋白质、ATP等，举例说出细胞中储存或释放能量的化学反应和能量的作用。

二、梳理已学证据，建构能量流经个体的简易模型

教师创设情境：从宏观到微观逐级展示真实的农田生态系统、农田中的玉米种群、单棵玉米植株。提出问题：“一棵玉米的能量来源和去路有哪些？”学生纷纷提出自己的看法，教师引导学生思考形成这些观点背后的证据。大家认为主要是根据已学的光合作用与呼吸作用的过程，此外，教材中，“在细胞内，1mol葡萄糖彻底氧化分解可释放2870kJ的能量，可使977.28kJ左右的能量储存在ATP中，其余的能量则以热能的形式散失掉了”。

分析以上证据，师生梳理光合作用和呼吸作用中能量的变化过程：太阳能—ATP和NADPH中的化学能—有机物中的化学能—ATP中的化学能和热能。教师引导学生类比人体中血糖的来源与去路模型，建构能量流经玉米植株的模型。

三、分析科研证据，建构能量流经种群的模型

在个体能量流动模型的基础上，教师启发学生思考：此模型是否适用于玉米种群？小组讨论，展示推理过程：由于上述模型适用于每个玉米植株，而种群是个体的集合，所以可将玉米种群作为一个整体来研究，因而适用于此模型。

教师展示科研资料：1926年，美国生态学家研究了一块玉米田的能量流动情况。在整个生长季节，入射到这块玉米田的太阳能总量为8.5×109kJ。收割玉米并进行化学成分分析，这些玉米折算共含葡萄糖6687.5kg，而1kg葡萄糖储存1.6×104kJ能量。据他估算，这些玉米在整个生长过程中，通过细胞呼吸消耗的葡萄糖共2045kg。

问题：①计算该玉米种群输入、储存、散失的能量分别是多少？此研究是否说明上述能量流动模型适用于该种群？②入射该玉米田的太阳能是否都被玉米同化？为什么？③对于玉米植株而言，储存的能量可用于哪些方面？④呼吸散失的热量能否被玉米植株再同化？

通过问题①开展定量分析，证实上述模型适用于玉米种群。针对问题②，学生解释玉米植株无法捕获漏射、散射的太阳光，且叶绿体主要吸收红光和蓝紫光，因而玉米同化的能量只是入射太阳能中的一部分。针对问题③，学生认为净光合作用积累的有机物可促进植株长高、长大、结出玉米籽粒等，因此玉米植株储存的能量用于生长发育和繁殖。学生对呼吸散失的热量能否被玉米植株再同化有争议，此时可引导学生运用结构与功能观分析“植株中叶绿体可捕获光能，但无捕获热能的结构”。以上分析之后，引导学生对上述模型进行精化，得出玉米种群的能量流动模型。

四、模型迁移与精化，建构能量流经第一、二营养级的模型

该生态系统中除了玉米之外，还有哪些生物的能量流动也遵循上述模型？学生发散思维，不难发现大多数生产者符合，少数是通过化能合成作用来获取能量。此时可将其作为一个整体进行研究，即构建能量流经第一营养级的模型。结合生态系统的组成，引导学生思考生产者用于生长发育和繁殖的能量的去向。学生根据生产者的枯枝败叶被土壤中微生物分解，玉米籽粒和秸秆被牲畜、人食用等事实，不难得出其中能量流向分解者和下一营养级，随后进一步精化该模型。

建构第一营养级的能量流动模型后，学生已经具备了相关经验。继续思考：家畜摄食植物后是否将其中的能量全部同化，为什么？学生纷纷表明自己的观点和证据。由于不少学生对粪便中能量的来源和去向不清，教师通过展示两则资料，帮助学生整理消费者摄入量、同化量和粪便之间的关系，明确粪便中能量属于上一营养级，且其去向是被分解者利用。随后学生自主构建能量流经第二营养级的模型。

五、模型整合及分析，建构生态系统的能量流动模型

继续类比构建能量流经其它营养级的模型，比较不同营养级能量流动模型的异同：均需要先同化能量，能量的去向都是呼吸作用散失、流向分解者、流入下一營养级（最高营养级除外）。将这些模型简化、连接，则得出能量流经整个生态系统的概念模型。

教师展示美国科学家林德曼对赛达伯格湖的研究数据，引导学生思考：未利用的能量是什么？储存在哪里？该部分能量最终去向是什么？学生借助已学的“精明的捕食者策略”，不难发现短时间内每一营养级不能完全被捕食、分解，进而明确该研究属于“定量定时的研究”。但长远看，这些能量最终流向分解者、流入下一营养级和呼吸散失，因此可证实上述模型。随后，教师引导学生利用表格整理数据，计算相邻营养级之间的能量传递效率，体验定量分析的方法，发现生态系统能量流动特点并解释原因。

六、体验能量流动过程，应用规律解释现象

基于证据理性建构模型之后，还需体验该过程。教师组织每个小组模拟不同的生态系统，各成员分别扮演生态系统的不同成分，包括生产者、初级消费者、次级消费者、三级消费者、分解者、无机环境。教师将代表能量的一张纸交到扮演生产者的学生手中，告知这张纸的面积代表能量的数值，随后小组内分割、传递纸片并说出每块纸片代表哪部分能量。学生需根据传递效率计算出流向下一营养级的能量来分割纸片，依据能量的含义和流向来传递纸片，深度体验能量流动过程，总结生态系统能量流动的概念。