基于“教、学、评”一体化的“生态系统的物质循环”教学设计

摘要：本文以“生态系统的物质循环”为例，基于“教、学、评”一体化理念进行教学设计。其教学实施包括4个环节：分析概念，制订学习目标；创设情境，确定建构任务；嵌入评价，指向目标达成；迁移应用，检验学习成果。通过情境导八、任务驱动、问题引导，引领学生进行科学思维和探究，进一步理解生态系统的物质循环及其特点，真正实现从学知识到做事情的转变，促进生物学学科核心素养目标的达成。

关键词：生态系统；物质循环；“教、学、评”一体化；教学设计

文章编号：1003-7586（2024）02-0012-05 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

1教材分析及设计思路

“生态系统的物质循环”是人教版《普通高中教科书生物学选择性必修2生物与环境》第3章第3节内容。该内容是让学生在学习了“生态系统的能量流动”知识的基础上，从物质角度来进一步学习生态系统的功能。该内容需要引导学生说明生态系统的物质循环的过程和特征，分析有害物质富集现象、特点和危害，以及探讨人类活动对生态系统平衡的影响。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）中提出，生物学学科核心素养是学生在解决真实情境中的实际问题时所表现出来的价值观、必备品格与关键能力，是学生知识、能力、情感态度与价值观的综合体现。真实问题情境是落实生物学核心素养的重要载体，在教学中应选择一个情境作为主线贯穿整节课，再通过主线情境创设多个子情境，串联情境，联系知识，帮助学生将零散知识系统化。

“生态系统的物质循环”是大概念“生态系统中的各种成分相互影响，共同实现系统的物质循环、能量流动和信息传递，生态系统通过自我调节保持相对稳定的状态”下的一个重要概念，即“生物群落与非生物的环境因素相互作用形成多样化的生态系统，完成物质循环、能量流动和信息传递”，本课时内容对应的3个次位概念有助于该重要概念的形成。

教材以“沙漠中的胡杨死亡后，很长时间没有腐烂却依然傲立于大漠”作为情境，该题情境对湿度较大的海南岛上的学生而言是非常陌生的。海南西沙群岛有我国现存最大的一级保护动物绿海龟产卵场，绿海龟数量骤减的原因有人类的滥捕滥杀、温室效应、海洋污染等。以海南西沙群岛的绿海龟保护作为情境主线，更加贴近海南学生的生活，以层层递进的形式，引导学生探究影响绿海龟数量变化的原因并且寻找解决措施，逐步帮助学生搭建知识框架，培养学生的科学思维及保护海洋环境的社会责任意识及担当。选择海南本土情境会更利于本节课学习目标的顺利达成，具体设计思路如图1所示。

2教学目标

基于《课程标准》的内容要求、学业要求和学业质量标准，并围绕培养学生核心素养的要求，制订了如下教学目标。

（1）通过构建碳循环概念模型过程，为解决绿海龟性别比例失调提出合理建议，归纳出生态系统的物质循环概念。

（2）通过分析实验数据，分析生物富集现象的成因。

（3）通过设计实验，并结合模拟实验，分析重金属元素的浓度沿着食物链升高的原因。

（4）通过了解人类破坏环境而影响自身的实例，引发社会责任意识与担当。

3教学过程

本节课遵循“分析概念，制订学习目标－创设情境，确定建构任务－嵌入评价，指向目标达成－迁移应用，检验学习成果”思路，以西沙群岛绿海龟面临灭绝的事实为大情境，并将其拆分为4个子情境，引导学生将碳循环、物质循环、生物富集3个主要知识点应用到子情境中，帮助学生建立完整的知识体系，实现从抽象到具象，最终上升到概念的过程，如图2所示。

3.1碳循环

3.1.1创设情境，确定建构任务

以海南西沙群岛附近海域绿海龟的生活视频导入课堂，引入“生态系统的物质循环”的话题。

情境1 教师播放视频，介绍海龟卵在孵化时，温度对海龟的性别起着决定性作用，当巢温为29.4℃时，雌雄比为1：1，温室效应使西沙群岛的巢温上升至31℃，导致孵化出的绿海龟近80％都是雌龟。温室效应引发的变暖趋势，会导致未来海龟种群完全雌性化，雌龟无法交配，使绿海龟逐渐走向灭绝。

教师提问：在正常情况下，大气中的CO2含量维持相对稳定的原因是什么？温室效应产生的原因是什么？

教师提供“生产者”“消费者”“分解者”“化石燃料”“大气和水圈中的CO2库”等卡纸片，引导学生以小组为单位构建如图3所示的碳循环模型，利用模型解释大气中的CO2含量能够保持相对稳定以及温室效应形成的原因。

设计意图 通过温室效应对绿海龟影响的视频导入新课，通过事实建构学习情境，激发学生保护绿海龟的欲望和学习相关知识的兴趣。

3.1.2嵌入评价，指向目标达成

学习小组成员利用教师提供的卡纸片将植物、动物、微生物等具体生物种类归类为生态系统的组成成分（生产者、消费者、分解者），初步构建如图3甲所示的碳循环概念模型，通过思考和合作进一步完善和优化得到如图3乙所示的碳循环模型。利用构建的模型准确分析出碳元素在生态系统中通过不断循环达到平衡，从而使大气中的CO2含量能够保持相对稳定。通过对大气中CO2的来源和去路进行分析，说出人类对化石燃料及森林等的过度利用会打破碳循环的平衡，从而造成温室效应。碳循环对象是碳元素还是CO2？生态系统中除了碳元索之外还有哪些元素熊发生循环？物质在生态系统的什么成分之间发生循环？学生以小组为单位，在组内合作构建模型和讲解碳循环过程，小组代表上台在全班展示，其他各小组成员提出不完善之处并进行修正，教师进一步引导学生归纳出“生态系统的物质循环”概念，使学生能够达成学习目标。

设计意图 小组成员利用教师提供的相关学具合作构建碳循环模型，讲解碳循环过程，应用模型解决问题，并在同伴及教师的协助下进行完善和修正。通过全球气温变化的实例，理解物质循环具有全球性和循环性的特点。学生在动脑思考、动手构建、语言讲解、交流讨论中达成学习目标。

3.1.3迁移应用，检验学习成果

为使学生能够基于碳循环模型应用所学知识，首先引导学生从正常情况分析大气中CO2的来源与去路，再分析人类活动对生物圈中的碳平衡的影响，从而分析温室效应产生的原因，为缓解温室效应及解决西沙群岛绿海龟性别比例失调提出合理化建议。基于碳循环模型，结合日本核污水排海事件新闻，归纳出物质循环的范围和特点。

设计意图 以问题驱动的形式，由浅入深，环环递进，培养学生解决问题的能力和责任意识。引导学生在不同情境和问题面前创造性地、灵活地、流畅地应用所学知识（解决问题）。

3.2生物富集

3.2.1创设情境，确定建构任务

除了温室效应，海洋污染也是影响绿海龟种群数量的重要因素。人类向环境中排放了很多有害物质，包括一些重金属元素，如铅（Pb）、镉（Cd），以及人工合成的有机化合物，如DDT、六六六农药等。

假如这些有害物质进入生物体内，它们能否同碳一样，可以较快地通过食物链离开生物体，回归非生物环境呢？

情境2：西沙群岛不同采样点水、水底沉积物和海草体内镉平均浓度对比资料，如图4所示。

教师提问：根据相关知识，分析西沙群岛海草体内的镉浓度比它所处环境高的可能原因是什么？绿海龟主要以海草为食，倘若绿海龟捕食富集镉的海草，一段时间后，海龟体内的镉浓度与海草相比会怎样呢？重金属元素沿着食物链传递过程具有什么特点？海龟捕食海草一段时间后，海龟体内的镉浓度与海草相比会更高吗？若以镉浓度基本相同的海草、健康且同等大小的海龟为实验材料，如何设计实验来验证镉在生物体内的浓度沿着食物链升高呢？

设计意图 教师根据绿海龟的生活环境——西沙群岛附近水域的水、沉积物和海草体内镉平均浓度的资料，引导学生对生物富集问题的分析，得出人类活动影响了某些物质，如重金属、人工合成的有机化合物等物质在生态系统中的分布的结论，激发学生的学习兴趣。

3.2.2嵌入评价，指向目标达成

学习小组成员通过对教材内容的学习，能够分析出生物富集的成因，归纳出生物富集的概念。因为生物富集，西沙群岛海草体内的镉浓度比它所处环境的高。海龟捕食海草一段时间后，海龟体内的镉浓度与海草相比会更高，重金属元素沿着食物链传递，逐渐在生物体内聚集，最终积累在食物链的顶端。小组成员经过合作交流，根据提供的实验材料，进行分析，写出验证镉在生物体内的浓度沿着食物链升高的实验思路、预期结果和结论。小组代表展示实验设计方案，其他小组代表分析、点评，对方案进行修正，得到完善的实验方案。由于实验条件、时间等的限制，无法将实验思路转化为相应的实验，笔者将科研人员在海口东寨港不同采样点获得的植物、鲻鱼（植食性）、多鳞培（肉食性，以鲻鱼等为食）体内汞平均浓度的实验数据进行展示，如图5所示。学生通过分析实验数据得出重金属元素在生物体内的浓度会沿食物链不断升高的结论。

设计意图 小组成员利用教师提供的研究数据进行比较、分析，并对实验数据进行解释，概括出生物富集的概念，总结出生物富集的成因。小组成员将自己的实验方案在小组内进行表述，小组代表在全班进行展示，在与同伴及教师一起研究中进行完善和修正，将学习目标嵌入学习任务之中，转化为在学习任务中要解决的问题。

3.2.3迁移应用，检验学习成果

研究表明重金属元素等在生物体内的浓度会沿食物链不断升高。为什么会出现这种现象？碳浓度也如此吗？通过对元素转移过程进行实验模拟，让学生感受和理解元素转移过程的成因和机理。

教师提供“装有红色水晶石和水的小杯子”、“装有水的大杯子”等模拟实验学具，大杯子代表海龟、小杯子代表海草，红色水晶石代表镉、水代表碳，杯体上方均扎有小孔。

学生利用学具模拟元素转移过程，实验过程如图6～图9，观察海龟（大杯子）体内的镉和碳浓度，它们相比海草（小杯子）有什么特点？学生观察海龟（大杯子）内的镉（水晶石）及碳（水）浓度变化，可发现随着海龟捕食海草量的增加，水晶石不易离开生物体，代表镉元素在生物体内的浓度沿着食物链逐渐升高；水可通过罐子上方的小孔逸出，如图9所示，最后水的含量无明显变化，代表碳元素可通过呼吸作用排出生物体外，其浓度沿着食物链无明显变化。能量流经各营养级时，逐级递减，高营养级的生物往往需要捕食较多低营养级的生物；重金属元素在生物体内易形成较稳定的化合物，不易排出，碳可通过呼吸作用等方式排出体外。

情境3 教师展示痛痛病、水俣病等实例，播放日本福岛核污染水排海计划新闻视频。

真实的事例，让学生体会到人类对大自然的破坏，最终会使人类遭到报应，让学生了解人类破坏环境而影响自身实例，引发社会责任意识与担当。教师引导学生结合本节课所学知识，关注日本将核污水排海行为等社会热点问题，并谈谈对这些问题的看法。

情境4 播放海南师范大学海龟救助中心救助海龟及海洋保护宣传视频。

现实生活中有许多人在为保护海洋尽一份力，保护环境，人人有责。通过视频引导学生结合所学内容，积极参与环境保护实践，促进学生在日常生活中参与环境保护活动，为保护环境贡献自己的一份力量。

设计意图 如何评价学习目标是否达成？其中一个评价标准是能否应用所学知识解决新的问题，能否将相关知识应用到新的情境中。设计实验，动手实践，掌握实验探究的方法，培养学生的科学思维和科学探究能力。结合模拟实验，化抽象为具象，化难为易，帮助学生攻克难点。通过搭建学与做桥梁的任务设计，实施指向解决现实问题的论证式教学评价。通过一些人类破坏环境而影响人类自身健康的实例，引导学生关注身边的生态问题，形成生态意识，培养社会责任与担当。

4教学反思

本节课通过对课程标准、教材，学情的分析，制订了4个教学目标，以4个目标为导向，以温室效应对海南西沙群岛绿海龟数量的影响实例等情境为载体，布置了一系列可操作、可评价的建构任务，采用问题引导的方法，在分析问题、解决问题的过程中构建碳循环概念模型，概述生态系统的物质循环。通过分析实验数据、设计实验及进行模拟实验，分析生物富集现象及重金属元素的浓度沿着食物链升高的原因。

“教、学、评”一体化是指在课程实施过程中，将教师的“教”、学生的“学”和对“教”与“学”的效果进行“评”，将三者通过科学的方法融合为一个整体，合力实现课程目标的一种教学策略。“教、学、评”一体化的教学观倡导以可观、可测、可评的目标为核心，将“评”贯穿在整个教与学过程中，达到以评促学、以评促教，教学相长的目的。让师生都成为评价主体，让评价成为学习的一部分，充分发挥过程性评价、诊断性评价和增值性评价的功能，确保核心素养的教学实践落实而不落空，使新课标理念真正走人课堂，让真实学习在课堂中发生，让学生成为一个“能学习、会学习”具有自主学习能力的学习者。