基于科研方法的“生態系統的能量流動”教學設計

王魏然 付 鑫

(北京市十一學校 北京 100039)

1 教材分析與設計思路

生物學是一門實驗科學，任何生物學結論和規律都是以實驗結果為基礎而得出的。新課標提出的“科學思維”與“科學探究”等核心素養很好地體現了生物學的本質。因此，在落實新課標的過程中，學生和教師都應當像科學家一樣去思考課本結論和規律都是基于什么樣的實驗方法、實驗結果和數據而得出的。

“生態系統的能量流動”是人教版必修3第5章第2節內容，能量流動作為生態系統的一大功能，以生態系統結構為基礎，依賴光合、呼吸等細胞代謝過程，遵循能量守恒定律，為物質循環提供動力，對生態工程的實施有重要指導作用。所以，能量流動不僅在本章承上啟下，還建立了學科之間的聯系，體現了生物界與非生物界的統一性。同時，學習本節課的學生已經經歷了分子、細胞、個體、種群、群落和生態系統等生命系統結構層次的學習，對生態學宏觀規律的把握并不困難。

基于此，本節課的教學突破常規教學思路，從科學研究的思路出發，將真實的科研材料引入到課堂教學中，引導學生從科學家在實驗過程中所得結果和現象的角度去解釋教材結論，以此方式來教授能量流動的特點和過程等基礎概念。讓學生不僅可以更加深刻地理解能量流動的特點和過程，抓住課標要求的基本知識點；也可以體會科學家進行生態學實驗、分析和處理實驗結果的方法，了解科學研究的真實情況，體會科學研究的本質。

2 教學目標

依據課程標準并圍繞培養學生核心素養的要求，制訂了如下教學目標：

(1) 通過從實際案例中得出的能量流動的過程和一般特點，初步形成生態學的整體性觀點，認同生物界與非生物界的統一性。

(2) 通過對實際生態系統中生物的食物組成和各營養級的能流量數據進行分析，構建能量流動模型，體會生態學中能量流動的研究方法和流程。

(3) 能夠應用能量傳遞的規律解釋或解決實際問題，如對使人工生態系統效益最大化、維持自然生態系統的長期穩定等問題提出合理化建議。

3 教學過程

3.1 導入 教師介紹科學家研究長江口生態系統中生物間捕食關系的方法和結果——根據生物胃中的食物殘渣，鑒定殘渣所屬物種、重量，反推食物比例。結果如表1。提出以下要求： ①根據表1寫出以上生物所形成的食物網，標明營養級；②體會科學家分析生物間捕食關系的方法。

學生通過分析生物的食物組成，可以厘清捕食關系，通過畫食物網、標營養級，可以回顧上節內容。然后教師根據學生所寫食物網中蘊含的能量流動，引出能量流動的主題。

表1 長江口生態系統部分生物間的食物組成[1]

3.2 能量流動的特點(1)——單向流動 教師帶領學生分析表1展示的生物間捕食關系(單向性)。提出以下問題： ①表1所展示的生物之間有互相捕食的嗎？②由此可知，沿著食物網發生的能量流動有什么特點？

學生通過思考教師提出的問題，結合所畫食物網，可以總結提煉出能量流動有單向、不可循環的特點。

3.3 能量流動的特點(2)——逐級遞減 從現象到原因，最后總結概念。

3.3.1 能量流動逐級遞減(現象) 教師介紹科學家獲得能流量數據的方法和結果——通過以上分析胃內容物的方法得到該生態系統整體的食物網，將食物網中所有生物歸到各自的營養級，測定各營養級生物的有機物量，結合各生物呼吸消耗量(二氧化碳釋放速率)和被捕食量(其捕食者的胃內容物)等參數，推算出流經各營養級的能流量(以有機物重量表示),結果如表2。提出以下問題： 觀察表中數據，營養級從低→高，能流量如何變化？

學生通過分析表2所示數據，可以非常直觀地從實際數據中得出能量流動逐級遞減的特點。

表2 長江口、俚島魚礁、海藻場生態系統各營養級能流量情況

3.3.2 能量流動逐級遞減的原因 教師提出以下問題，啟發、引導學生思考： 哪些原因可能導致流經上一營養級的能量不能100%地流入下一營養級？

學生通過思考以上問題，理解能量逐級遞減的原因，并明確正是因為遵循能量守恒，在除去呼吸消耗、流向分解者、流向人類(捕撈)之后，流向下一個營養級的能量才逐級遞減。

3.3.3 能量傳遞效率 教師提出能量傳遞效率的概念，展示能量傳遞效率的數據(表3)，簡單介紹利用第一四分位數(Q1)和二四分位數(Q3)，得出最大、最小非異常值，進而得出能量傳遞效率在10%～20%的一般范圍(圖1)。提出以下問題： 你打算如何描述表3所示數據的大致范圍？

學生可理解能量傳遞效率的一般范圍，思考描述一組數據一般范圍的方法，并體會如何從數據出發，分析其一般范圍的科學方法。

表3 長江口、俚島魚礁、海藻場生態系統各營養級間能量傳遞效率

圖1 利用四分位數計算生態系統能量傳遞效率的一般范圍

3.3.4 能量金字塔 教師提出能量金字塔的概念。學生根據表3數據可畫出能量金字塔，體會其將能量流動逐級遞減定量且直觀化的一般特點。

3.4 能量流動的過程和概念 教師提出問題： ①生物通過什么過程從外界獲取能量？②什么過程使得能量離開該生物？學生通過思考以上問題，小組討論，厘清能量流動的過程，在紙上畫出能量流動具體過程的概念圖。教師給出長江口生態系統各營養級的呼吸消耗量、流向分解者量等數值，幫助學生直觀感受能量流動過程。

教師通過以上分析，歸納、總結能量流動的概念。

3.5 能量流動規律的應用 教師提出以下問題： ①解釋“一山不容二虎”的原因；②食物鏈中營養級個數有限(一般4～5個)的原因；③超大型動物(藍鯨、象)都是植食動物的原因。學生可根據能量流動的規律，回答以上問題。檢驗學生對以上能量流動特點的理解。

4 教學反思

能量流動是生態學中的宏觀內容。本教學設計選擇了長江口、俚島魚礁、海藻場生態系統作為實際情境，克服了單純講解難以提起學生興趣、印象難以持久的缺點。通過展示以上生態系統中生物的食物組成、能流量的具體數據，得出能量流動的特點；通過介紹科學家獲得以上數據的方法，讓學生體會生態學中能量流動的研究方法；通過介紹四分位數的思想，讓學生理解能量流動研究中數據處理的方法和思路。部分學生在上課過程中難以理解胃內容物、能流量推算的研究方法，以及四分位數的數據處理方法。但課下輔導后問題不大。所以，上課過程的引導需要更加嚴密。