真实情境推动下构建“生态系统的物质循环”模型的教学设计

摘要：本文基于新疆绿色生态种养的真实情境，以“生态系统的物质循环”为例，设计了通过构建模型生成概念的教学，以“鸭稻共生”的真实情境提出问题，初构碳循环模型；以新疆北鲵种群数量变化的事实，深化碳循环概念模型；创设微塑料沿陆地食物链传递的情境，进一步优化模型。最终帮助学生构建“生态系统中的物质在生物群落与无机环境之间不断循环”的概念。

关键词：真实情境；物质循环；模型构建；生物富集

文章编号：1003-7586（2024）05-0041-04 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

1教材与学情分析

“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》（以下简称“教材”）第3章第3节的内容。本节内容较全面，主要包括碳循环、生物富集、能量流动和物质循环的关系等内容，分析了地球上最大的生态系统一生物圈中发生的循环过程，涉及呼吸作用、光合作用、微生物分解作用、食物链和食物网等知识点，又包含能量流动和物质循环学习内容。前期学习的种群、群落等知识为本节内容的学习打下基础，可以帮助学生更加深入地探究生物群落与环境的关系。能量流动和物质循环是生态系统的两大功能，二者相互依存，不可分割。因此，本节课有利于学生理解生态系统是一个统一的整体，从而树立结构与功能相适应的生命观念。

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》指出，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。因此，在教学过程中教师应该设置真实情境，融人社会新闻，让学生积极主动参与到课堂中，引导学生根据模拟图构建碳循环模型，进行图文转化，发展科学思维。

日本排放核污水是当下的热点新闻，教师可以引导学生基于这一情境探讨生物富集现象，在学生积极探究的过程中培养其社会责任感，树立人与自然和谐共生的观念，形成生态意识，成为绿色低碳生活的践行者，发展其核心素养。

2教学目标

（1）通过分析教材中碳循环示意图，采用合作学习的方法，构建碳循环的过程模型，使知识结构化，增强理解能力，激发学生学习力。

（2）基于新疆北鲵种群数量变化的事实，结合二氧化碳排放量和地表温度变化的图表，进行原因的探究式学习，以发展学生判断推理的科学思维，从而关注温室效应给生物圈带来的危害，形成低碳生活的生态意识。

（3）通过分析微塑料对陆地食物链的影响，引发对核污水中放射性元素去路的思考，从而明确生物富集的内涵。并针对日常生活中的环境污染，提出科学化建议，提升学生解决实际问题的思维能力，增强其社会责任感。

3教学过程

3.1创设绿色生态种养情境，导入新课

教师以“新疆温宿‘鸭稻共生’种养”视频导入课堂，提出问题：为什么将鸭子养殖和水稻种植相结合？这样做的优势是什么？

学生根据已有知识及生活经验得出鸭子能捕食水稻中的杂草和昆虫，鸭粪可以充当肥料等结论，从而对“鸭稻综合种养”所蕴含的生物学知识产生兴趣。教师鼓励学生多关注生活中的生态农业，大胆设想并进行探究，引出生态系统物质循环的话题，导入新课。

设计意图：观看“新疆乡村振兴项目‘温宿大米’的生态农业模式”视频，让学生对“鸭稻共生”种养模式有整体的感知，激发学生学习探究的兴趣，同时感受国家乡村振兴政策的意义，树立人与自然、资源与生态、发展与环境和谐共存的生态意识，也为构建碳循环模型建立学习背景。

3.2深化绿色生态种养情境，建拘碳循环模型

教师提问：如果不将水稻和鸭子一起种养，鸭子产生的物质和能量会去哪里？

基于已有的认知，学生会考虑到消费者的捕食。教师以此为契机，展示“‘鸭稻共生’农业系统的模型图”，让学生描述水稻、鸭子、其他消费者间物质变化的过程，初步体悟碳循环过程。教师在此基础上进行提问：碳在非生物环境和生物体内以什么形式存在？大气中的二氧化碳通过哪种生命活动进入生物群落？碳在生物群落中通过什么途径传播？碳返回非生物的途径又是什么？

学生基于现有知识储备，可正确回答出以上问题。随后教师要求学生根据教材第62页碳循环示意图，用语言或流程图的形式描述或表示出碳元素在生物群落和非生物环境之间的循环过程。举例说明大气中二氧化碳的源与汇，以及二氧化碳进入生物群落的方式和去向，尝试构建碳循环模型（见图1）。

设计意图：从“鸭稻共生”引申到生态圈，从局部到整体，由小及大，生活化真实情境能帮助学生更好地探究、理解生态系统的物质循环。通过语言或示意图描述或表示碳元素的循环过程能更好地发展学生的图文转化能力以及语言表达能力。通过小组归纳分析，顺其自然地将图片中的动植物及微生物等归纳为生产者、消费者、分解者等，从而构建碳循环的模型，提升学生归纳概括以及抽象概念具象化的能力。

3.3分析资料提出问题，探究释疑

教师引导学生分析资料并提出问题：二氧化碳源与汇的平衡对维持生态系统平衡具有重要意义，当二氧化碳的来源与去路不能达到平衡时会有什么影响？师生共同探究问题。

3.3.1碳循环失衡——温室效应

教师呈现资料，并引导学生依据模型，结合资料回答问题：全球气温升高的原因是什么？气温升高给生态系统带来哪些影响？根据构建的模型，你能为减少碳排放提出哪些建议？

资料一 工业革命以来的人类活动，导致大气中温室气体浓度显著增加，加剧了全球变暖。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的数据显示（见图2），2022年全球年平均大气二氧化碳浓度，比工业革命前高出50％。同时数据显示，从1880年以来全球地表温度每十年上升0.14℃，1981年以来全球变暖的速度增加了一倍多，2022年平均温度较工业化前提高了1.2℃。

资料二 具有“活化石”之称的新疆北鲵被列为“极危”物种。野生北鲵被发现时其数量不足3 000尾。冬季降雪量减少，冰川面积减退致使北鲵栖息地干涸是北鲵数量减少的原因之一。

资料三 习近平总书记提出生态文明思想，2020年在第七十五届联合国大会上郑重宣示：中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。2021年国务院新闻办公室发表《中国应对气候变化的政策与行动》白皮书，介绍中国应对气候变化的进展，分享中国应对气候变化实践和经验，为国际社会做出榜样。

学生结合资料讨论、表达观点：过度的人类活动导致温室气体排放过量，从而加剧了全球变暖。异常的气温变化导致全球极端天气、气候事件增加，造成新疆北鲵丧失栖息地、冰川消融、海平面上升等问题。在国家层面，各国应该加强国际合作，共同面对全球变暖危机，控制化石能源使用，发展绿色低碳产业，多植树造林，加快形成绿色发展的空间格局，从而促进空气中二氧化碳的吸收，减少二氧化碳排放量，争取早日实现碳达峰、碳中和目标。在社会层面，政府要鼓励植树种草，提高森林覆盖率以增加二氧化碳吸收量，提高公民生态意识，呼吁人人参与保护地球行动。在个人层面，公民应该改变生活方式，例如，选择公共交通、共享单车等绿色出行方式，拒绝使用一次性用品，选择购买环保产品，践行垃圾分类原则等。在学生分析资料之后教师还需引导学生进一步深化碳循环模型（见图3）。

设计意图：以“1880-2022年全球大气二氧化碳年排放量对比及全球平均地表温度图”为背景，分析得出全球平均表面温度与大气二氧化碳浓度的变化规律，从而得出温室效应产生的原因，培养学生分析问题的能力并进一步深化碳循环模型以促进学生科学思维的发展。以新疆北鲵受全球变暖的影响，其种群数量减少的真实案例，让学生切身感受全球变暖对生物的影响，意识到保护环境迫在眉睫。国家相关政策的实施让学生感受国家对于环境问题的重视并树立生态意识，讨论不同层面节能减排的措施，倡导低碳生活，提出人与环境和谐共处的理念，增强社会责任感。

3.3.2环境污染—一生物富集

资料四 塑料制品在生活中处处可见，如塑料袋、水杯、笔、洗脸盆等。在享受塑料制品给人类的生活带来便利的同时，塑料污染也成为全球国际环境问题之一。微塑料是直径小于5 mm的塑料颗粒，土壤中微塑料的来源主要有农用薄膜残留土地、有机肥料、大气沉降等。研究发现，土壤中的微塑料可沿土壤－蚯蚓－鸡这条食物链传递（见图4），土壤到蚯蚓的微塑料富集系数为12.7，而到鸡粪的微塑料富集系数高达105，同时鸡的砂囊中也发现了微塑料的存在。并且，在遥远的南极，科考队在海水和降雪中均发现了微塑料。

教师引导学生思考：微塑料会不会进入人体？通过什么样的方式进入？南极微塑料是怎样出现的？

设计意图：通过分析，学生得出微塑料随食物链富集，鸡砂囊作为食材会被人体摄人，从而威胁人类身体健康。南极微塑料的出现与大气沉降、洋流输送等有关，体现生物富集现象的全球性。学生初步理解生物富集现象的内涵。

资料五 2023年8月24日，日本正式将核污水排放入海。据报道在排海口附近采集的海水样本中，自排放以来首次检测到放射性元素氚。人类过量吸人氚或暴露在氚放射线下，会增加患癌的风险。早在2023年5月，日本福岛附近海域捕获的石斑鱼、黑鮋等先后被检测出辐射水平超标。研究表明，核污水中的放射性元素进入海洋后会参与大气循环，大气循环有可能将核污染水蒸发到云层。

以放射性元素氚传递为例，教师请五位同学进行角色扮演，分别扮演核污水中放射性元素氚、海水中浮游微型藻类、虾蟹甲壳类动物、石斑鱼和人类，并引导学生结合本节课所学知识，描述氚元素的“旅程”。

学生在分析温室效应及生物富集现象后，进一步优化“生态系统物质循环”概念模型（见图5），形成“生态系统中的物质在生物群落与无机环境之间不断循环”的概念。

设计意图：依据序进累积规律，选取贴近学生生活的情境，以微塑料沿着食物链传递为例，引导学生初步学习生物富集，并组织学生进行角色扮演，理解生物富集现象的本质，生成“生态系统的物质循环”的概念，同时对日本核污水排放的行为作出理性判断，树立正确的价值观。

3.4情境视角转换，提升问题解决能力

教师引导学生阐述“鸭稻共生”种养模式的优点及必要性。学生在讨论过程中自然地将能量流动和物质循环联系起来，发现二者相互依存，不可分割。

随后教师呈现资料：2023年8月24日，我国海关总署发布公告全面暂停进口日本海产品。在大家担心未来所食海鲜安全之际，“新疆产海鲜”在网络上引发热议，原因是新疆尼勒克县优质的冷水资源为三文鱼创造了优质的生活条件。

由此教师设置探究任务：请同学们根据新疆具备的生态资源，从能量流动和物质循环的角度，同时尽可能结合现代技术手段，为新疆设计一份现代化规划图，既实现经济效益，又体现环境保护。

设计意图：规划图的设计让学生将所学知识应用于现实生活，同时培养其自主学习及收集信息的能力，在设计的过程中学生能更加深入地理解生态系统是一个统一的整体，树立生态文明建设意识，积极参与环境保护实践。

4教学反思

真实情境的创设，将课堂与学生实际生活联系，激发学生主体意识，发挥学生主体作用。本节课以新疆“鸭稻共生”种养的真实情境为背景，激发学生的好奇心与探索欲。在绿色生态农业模式的真实情境中，通过讨论分析逐步建构模型，发展学生科学思维。同时教师布置利用本土资源为家乡设计新时代规划图的探究作业，让学生在考虑经济发展的同时重视环境问题，树立生态意识，学会保护环境，培养学生的爱家、爱国情怀。新疆地区孕育了独特的农业生态模式，其中“鸭稻共生”“林果套种”“草畜平衡”等模式尤为典型，不仅展现了人与自然的和谐共生，更体现了可持续发展的智慧。

本节教学深入探讨这些模式的生态原理、经济效益与社会价值，引导学生理解生态农业的多重意义。