以模型构建促核心素养达成的“生态系统的能量流动”教学设计

◎ 夏 季

一、设计依据与思路

“生态系统的能量流动”是人教版必修3《稳态与环境》第5章第2 节的内容。它基于生态系统的组分与营养结构,依赖呼吸、光合等细胞代谢过程,对生态工程产生指导[1]。也为物质循环提供动力,连同信息传递一起,构成生态系统的功能,起到承前启后的重要作用。《普通高中生物学课程标准(2017 年版2020年修订)》中指出学生应能够分析出能量流动的具体规律并以此指导资源的合理、高效利用,理解各类型生态金字塔的联系,并能够用图示等方式表征出生态系统能量流动的过程、特点。

自主探究对达成生物学学科核心素养来说至关重要。在已经掌握生态系统的类型和结构,对呼吸、光合等细胞代谢过程有系统学习的基础上,学生具备分析各营养级能量的来源与去路的能力,但要理清抽象的能量流动过程及特点仍有较大难度。依据上述情况,课堂上以“荒岛求生策略”创设情境,引出能量流动分析,将各营养级所同化的能量类比成“拼图”进行分割,助力建模,逐步树立结构与功能观、物质与能量观。关注学生最近发展区,通过定性分割和比例量化逐步分割“能量拼图”,引导学生图示表征生态系统能量流动的过程,自主总结出概念和特征,培养学生的科学思维。指导学生从能量流动角度分析农业生产问题,提升学生社会责任意识。

二、教学目标

1.通过“拼图法”构建生态系统能量流动模型并总结概念。

2.总结生态系统的能量流动规律。

3.结合情境探讨能量流动规律的实践指导作用。

三、重难点分析

各营养级“能量拼图”的分割与能量流动过程的图示表征。

四、教学过程

1.导入

教师播放电影《鲁滨逊漂流记》片段,创设情境:假如你也遭遇鲁滨逊的窘境,面对课本93 页“问题探讨”中两种生存策略,应该如何选择? 学生各抒己见,造成观点冲突。教师继续引导:要具体分析两种策略能量流动的情况才可弄清哪种策略能使人获得更多的能量,引出能量流动的分析。

2.生态系统的能量流动研究方法

教师提问:研究生态系统的能量流动一般在个体水平还是群体水平? 生态系统的能量流动通过什么渠道进行? 学生思考并回答渠道为食物链(网),研究应处于群体水平。教师总结理清每个营养级的能量变化情况将使我们明确生态系统的能量流动过程,为模型构建做铺垫。

3.用“拼图法”构建生态系统能量流动模型,总结概念,探索规律

(1)探究“拼图”,拆分问题。

教师提问:地球上生态系统所需能量最终来自哪里? 辐射到地球的太阳能是否全部进入生态系统? 学生在教师引导下回答出来自太阳能,但仅约1%被生产者固定,进入生态系统。

教师提问:假如每个小组面前的白纸代表第一营养级获得的能量,要将其进行分割以表示能量流动的情况,则需要明确哪两个关键问题? 学生讨论后总结出要明确分为几部分以及各部分占比。教师引导说明解决上述问题需要对该营养级输入的能量进行定性分割和比例量化,从而关注到学生的最近发展区,将分割难题进行拆分,使其适合于认知规律。

(2)各营养级“能量拼图”的定性分割。

教师提问:输入第一营养级的能量,可划分为几条去向? 学生分组讨论并在白纸背面尝试定性分割。绝大部分小组能够划分出呼吸耗散、流入下一营养级和被分解者利用三条去向。继续提问:一般情况下,生产者可否全部被下一营养级吃掉? 或者全部死亡? 学生思考作答后继续引导:在某个确定的时间点应存在未利用的能量,从而将“能量拼图”划分成上述四个部分。

教师提问:第二营养级的能量来自哪里? 初级消费者摄入的食物可否全部被吸收利用? 该营养级的“能量拼图”又该怎样定性分割? 第三、四营养级的情况是与之类似吗? 学生在问题引导下讨论总结出:摄入量=粪便量+同化量[呼吸耗散量+用于生长发育繁殖的能量(被下一营养级的同化+分解者利用+未利用)],类比可知后续各营养级的情况与之类似。

教师提问:明确了各营养级的能量流动划分,各部分占比如何? 承前启后。

(3)量化“能量拼图”比例,完成建模,总结概念。

教师展示林德曼的量化分析图(课本95 页图5-8),设计表格让学生总结图中各项数值。根据表格中的数据,让各小组完成各营养级“能量拼图”的逐级分割,并以“拼图模型”对该生态系统的能量流动过程进行表征。通过总结量化分析表中各项数据可明确“能量拼图”中四部分的各自占比,进而完成“能量拼图”的逐级分割,构建出“拼图模型”,引导学生概括出生态系统能量流动的概念。

(4)总结生态系统能量流动的规律。

教师提问:模型中箭头的方向能否调转? 你能从中看出什么规律? 学生总结出能量流向总是单向的。

教师提问:表格中某个营养级同化的能量占其上一营养级同化量的比例是多少? 学生计算得出数据分别为13.5%、20%,教师总结能量传递效率的概念并指出一般范围。继续提问:根据上述数据并观察模型中每个营养级“能量拼图”的大小和箭头粗细,你能得出什么规律? 学生在引导下答出逐级递减的特点。

教师提问:如果用金字塔图表明能量流动的情况,各营养级应处于什么位置? 如果换成数量或者生物量,金字塔会不会有变化呢? 学生思考并在教师引导下梳理各类生态金字塔的联系和特点。

4.结合情境探讨能量流动规律的实践指导作用

教师提问:根据生态系统的能量流动规律,导入中的问题应当选择哪个策略? 为何说“一山不容二虎”? 食物链中的营养级数量总是有限? 学生思考作答,检验对能量流动特点的理解。

教师提问:“桑基鱼塘”较传统农业具有哪些进步意义? 学生讨论作答。

五、教学反思

本课以情境讨论为切入点,造成观点冲突,引出能量流动分析。关注学生最近发展区,通过定性分割和比例量化逐级分割“能量拼图”,完成建模,逐步树立结构与功能观、物质与能量观。根据数据分析并结合模型观察自主总结生态系统能量流动的概念和特点,并解释农业生产问题,从而锻炼科学思维,培养社会责任,落实学科核心素养。颇为遗憾的是对于未利用的能量没有进一步分析,需要课下辅导。课堂上层层递进的问题是驱动任务环环相扣和思维节节攀升的关键,本课的问题设计还需要更加精巧。