指向科学思维培养的高中生物学一轮复习教学实践

李雨殷

［摘 要］文章以“生态系统的能量流动”一轮复习为例，通过创设“改造新会柑果园”的情境，激发学生的科学思维；引导学生运用分析与综合、归纳与概括等思维方法建构生态系统能量流动过程模型、生态金字塔模型，训练学生的科学思维；引导学生从能量流动角度解决真实情境问题，提升学生的科学思维能力；通过拓展迁移，发展学生的科学思维，提高复习的效果。

［关键词］科学思维；高中生物学；一轮复习；生态系统的能量流动

［中图分类号］    G633.91        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）29-0088-03

科学思维的表现形式是科学思维方法，其种类包括比较与分类、归纳与演绎、分析与综合、抽象与概括以及批判性思维［1］。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课标》）中明确指出科学思维是生物学学科核心素养的重要内容，并确定了科学思维的不同发展水平［2］。这为高考试题命制提供了科学依据。因此，考查科学思维是高考的重点方向。在日常生物学教学中，发展学生科学思维是重要的目标之一。本文以“生态系统的能量流动”一轮复习为例，探讨在日常生物学教学活动中如何培养学生的科学思维。

一、教材及学情分析

“生态系统的能量流动”是人教版（2019年）高中生物学选择性必修2第3章第2节的内容。本节复习课是在种群、群落的基础上，进一步过渡到对生态系统的复习，为后续复习人与环境的内容奠定了基础。而能量流动是生态系统的重要功能之一，对维持生态平衡有重要作用，是发展学生系统观、物质与能量观的重要内容之一。同时，该部分内容也可与必修1中细胞的能量供应和利用建立联系。在等级考试中，此部分内容重点考查信息获取和整理能力、逻辑推理能力、分析判断能力、迁移应用能力等能力。因此，在复习时不仅要回顾核心知识，还要注重训练和发展学生的科学思维，提升学生的生物学学科核心素养。

在知识方面，高三学生对生态系统的能量流动过程的认识较为混乱，不能较好地运用生态系统的能量流动的规律。在能力方面，学生具备一定的分析推理能力和逻辑思维能力，但基于事实建构概念模型、运用知识解决问题的能力还有待提高。

二、教学目标

《课标》对此部分内容的要求为：分析生态系统中的物质在生物群落与无机环境之间不断循环、能量在生物群落中单向流动并逐级递减的规律；举例说明利用物质循环和能量流动规律，人们能够更加科学、有效地利用生态系统中的资源；解释生态金字塔表征了食物网各营养级之间在个体数量、生物量和能量方面的关系。

基于《课标》的内容要求、学业要求和学业质量水平，并围绕学科核心素养及其表现水平，制订了如下的教学目标：

（1）通过创设单纯种植柑树的果园生态系统的农业生产情境，分析能量流经第一营养级、第二营养级的过程，运用归纳与概括的方法，使用图示的方式表征柑果园生态系统能量流动的过程，发展系统观、物质与能量观。（生命观念；科学思維）

（2）基于柑果园生态系统的情境，建构能量、生物量和个体数量的生态金字塔，表征生态系统能量流动的特点。（科学思维）

（3）从调整生态系统能量流动关系的角度尝试对单纯种植柑树的果园生态系统的升级改造提出合理化建议，并认同研究生态系统能量流动的实践意义。（科学思维；社会责任）

三、教学实践

（一）创设情境，激发科学思维

在复习课的引入环节，教师简要介绍学生熟知的当地食品——新会柑及其陈皮，并创设情境：在当地有不少百姓以种植新会柑为生，为助力乡村振兴，农科院学生小郑在调研某个新会柑果园生态系统时发现了一些不好的现象：种植物种单一，并受到了潜叶蛾、蚜虫等害虫的侵害，且害虫的天敌较少，需喷较多的杀虫剂；杂草长势较快；人们只获取新会柑的果皮，其余则丢弃。对此，他感到忧心忡忡。据此，教师提出核心任务：帮助小郑同学，从生态系统能量流动的角度为这样的柑果园升级改造提供建议。

从学生的生活情境和经验出发设计情境主线——如何改造新会柑果园，并提出核心任务，从而引入对生态系统能量流动相关内容的复习。从解决实际问题的角度出发，通过身边的例子来激发学生的学习热情，进而促进学生思考周围生活中存在的生物学问题，并应用生物学知识解决问题。这不仅能调动学生的学习积极性，还能激发学生的科学思维，增强学生热爱家乡、奉献家乡的情感。

（二）建构模型，训练科学思维

1.建构生态系统能量流动过程模型

教师提出问题：根据以上情境（暂不考虑该柑果园生态系统与人的联系），该柑果园生态系统的生产者、初级消费者、次级消费者有哪些？分别属于第几个营养级？学生自主学习，借助文字和箭头绘制能量分别流经该柑果园生态系统第一营养级和第二营养级的示意图，小组交流讨论，并达成共识，由小组代表分享讨论结果（如图1和图2），其他小组进行评价、补充和完善，教师适时进行点评。

在此基础上，教师引导学生分析、比较第一营养级、第二营养级的能量去路，归纳两者能量去路的共同点，让学生使用图示的方式表征柑果园生态系统能量流动示意图，并请学生代表结合示意图概述柑果园生态系统能量流动的过程（如图3）。教师继续引导学生根据所建构的生态系统能量流动过程示意图回顾能量流动的概念和特点，并设置合理的问题：①为什么能量在生态系统中是单向流动的？②有人说柑果园生态系统是人工设计的，所以其营养级之间的能量传递效率可由人任意控制，你认为这种说法对吗？引导学生回顾能量传递效率内容，并继续追问：为什么只有10%～20%的能量流入下一营养级？其他能量流去哪里了？

2.建构生态金字塔模型

教师先引导学生基于柑果园生态系统的情境，用图形表示柑果园生态系统的能量金字塔（如图4）、生物量金字塔（如图5）、个体数量金字塔（如图6），学生代表展示并阐述其绘制的生态金字塔。紧接着追问：①柑果园生态系统的能量金字塔的每一层体积代表什么？②为什么能量金字塔和生物量金字塔是上窄下宽的形状？③为什么柑树和害虫在数量关系上会出现倒金字塔的情况？让学生进行交流讨论，从而加深学生对生态金字塔概念的理解。

整个环节教师紧扣情境，精心设置问题串，充分引导学生运用归纳与概括、模型与建模等科学思维方法，通过概念模型的形式清晰梳理能量流动的过程，加强学生对必备知识的理解和掌握，发展学生的物质与能量观。充分利用新会柑果园生态系统的情境素材，培养学生获取与整理信息的能力，提升学生的思维能力。

（三）解决问题，提升科学思维

教师再次提出情境导入时的核心任务：帮助小郑同学，从生态系统能量流动的角度为这样的柑果园升级改造提供建议。首先，引导学生回顾研究生态系统能量流动的实践意义，并根据其实践意义，从能量流动角度思考如何对单纯种植柑树的果园生态系统（如图7）进行升级改造。为了促进学生深入思考，教师首先提出了引导性问题：①如何充分利用空间和资源，增大流入该柑果园生态系统的总能量？②为了使能量持续高效流向对人类最有益的部分，应该减少哪部分的能量流动？③是否可以通过环保的方式将杂草与害虫中的部分能量进行传递，使其最终被人类所利用呢？其方法是什么？④如何对柑果园实现能量的多级利用，从而提高能量的利用率？然后请学生对比分析柑果园改造前后的生态系统模式图（如图7和图8），并从能量利用率、生态保护、经济效益等角度分析升级改造后的柑果园生态系统有哪些优点。

将单纯种植柑树的果园生态系统模式图和复合的果园生态模式图作为素材进行对比，从人们期望的“持续”“高效”与“绿色”地实现经济、生态和社会效益出发，围绕增大能量的输入、提高能量利用率、调整能量流动的关系等角度，提出引导性问题，让学生基于情境信息和必备知识，展开关于研究能量流动的实践意义的复习，重视学生在真实情境下的应用能力、在分析问题和解决实际问题过程中科学思维能力的提升。

（四）迁移拓展，发展科学思维

教师呈现2020年高考全国Ⅲ卷第31题，引导学生学以致用，实现对知识的迁移和应用，发展学生的科学思维。

（2020年高考全国Ⅲ卷第31题）假设某种蓝藻（A）是某湖泊中唯一的生产者，其密度极大，使湖水能见度降低。某种动物（B）是该湖泊中唯一的消费者。回答下列问题：

（1）该湖泊水体中A种群密度极大的可能原因是               。（答出2点即可）

（2）画出该湖泊生态系统能量流动的示意图。

（3）假设该湖泊中引入一种仅以A为食的动物（C）后，C种群能够迅速壮大，则C和B的种间关系是              。

教师充分挖掘情境价值，给学生布置拓展性作业：小郑根据调研所发现的问题，准备向政府提交一份发展绿色生态柑果园的建议书。请试以小郑的身份，运用所学知识，完成此建议书，字数在300字以内。以此号召学生心系乡村振兴，为祖国的发展贡献力量，升华主题。

从素养立意的角度，布置作业，能展现学生逻辑思维的过程性，达到强化学生科学思维，提升学生综合素养的目的。在此过程中，学生主动进行深度思考，尝试用生态平衡的观念解决相关生态问题，这进一步强化了学生的科学思维。此外，该过程中还渗透社会责任，使学生心系乡村振兴，培养其家国情怀，巩固其人与自然和谐相处、可持续发展的观念。

四、教学反思

本节课以“升级改造新会柑果园”这一情境贯穿整个教学过程，从真实的生活世界选取情境素材，以情境为载体引导学生思考、分析和判断，让学生回顾生态系统能量流动的一般规律和特征，认识到研究生态系统能量流动的实践意义，从而学会更加科学、有效地利用生态系统中的资源。在教学中，教师通过概念建模、问题引领以及任务驱动，加深学生对生物学重要概念的理解，进一步提高学生分析解决生物学问题的能力。在整个教学过程中，教师以合理的问题作为任务驱动，让学生小组内合作、探讨、归纳与概括，小组间进行交流展示，最终建构概念模型，发展物质与能量观。高三的复习课，不仅是对知识的复习与巩固，更重要的是加深对概念的理解，提高在真实情境下运用学科知识和概念解决生产生活中的实际问题或完成任务的能力。通过解决问题或完成任务还可以激发、训练、提升和强化学生的科学思维，发展学生的生物学学科核心素养。

［   參   考   文   献   ］

［1］  吴成军.试论科学思维及其在生物学学科中的独特性［J］.生物学教学，2018（11）：7-9.

［2］  中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准：2017年版2020年修订［M］. 北京：人民教育出版社，2020.