以生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)為例的高效課堂教學(xué)策略探究

摘 要：" 生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)是生態(tài)學(xué)的重要內(nèi)容，通過(guò)原創(chuàng)的漫畫(huà)演繹生態(tài)瓶中生物的生命活動(dòng)過(guò)程，定性分析能量流動(dòng)的過(guò)程。對(duì)賽達(dá)伯格湖的能量定量分析，用網(wǎng)格紙建立該生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步形成能量金字塔。通過(guò)上述教學(xué)策略充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性，拉近學(xué)生與生態(tài)學(xué)知識(shí)的距離，幫助學(xué)生理解能量流動(dòng)的特點(diǎn)，贊同科學(xué)飲食方式，形成科學(xué)的生命觀念。

關(guān)鍵詞：" 能量流動(dòng);概念模型;定性分析;數(shù)學(xué)模型;定量分析;漫畫(huà)

《生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)》是生態(tài)學(xué)研究的重要內(nèi)容，也是人教版高中生物必修3第5章的重要知識(shí)點(diǎn)。本節(jié)內(nèi)容以生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，與必修1的光合作用、呼吸作用相聯(lián)系，同時(shí)與生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)緊密聯(lián)系。能量流動(dòng)的概念、能量流動(dòng)的研究單位和基本思路、能量流經(jīng)第一、第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)的過(guò)程與生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)過(guò)程示意圖的聯(lián)系與區(qū)別，往往是學(xué)生難以理解、區(qū)分和記憶的;關(guān)于賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)圖解，因?yàn)閿?shù)學(xué)內(nèi)容較多使圖解看起來(lái)煩冗復(fù)雜，難以引起學(xué)生的關(guān)注，導(dǎo)致學(xué)生錯(cuò)失了認(rèn)識(shí)自然生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的機(jī)會(huì)，所以對(duì)于能量金字塔也就只是停留在定性分析的層面。

生態(tài)系統(tǒng)的研究非常直觀，而能量流動(dòng)的分析則非常抽象，怎樣才能讓學(xué)生接近真正的生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)，理解其流動(dòng)特點(diǎn)？教師應(yīng)想辦法讓學(xué)生真正變成課堂的主人，讓學(xué)生踴躍地參與思、說(shuō)、寫(xiě)、評(píng)、改。本文通過(guò)探究與教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生思維特點(diǎn)相適應(yīng)的教學(xué)策略，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，實(shí)現(xiàn)高效的課堂教學(xué);通過(guò)建立簡(jiǎn)單的生態(tài)系統(tǒng)——生態(tài)瓶，用自主創(chuàng)作的漫畫(huà)演繹生態(tài)瓶中的成分，定性分析能量流動(dòng)過(guò)程并建立能量流動(dòng)模型，通過(guò)定量分析自然生態(tài)系統(tǒng)，用網(wǎng)格紙建立能量流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，并形成能量金字塔。

一、制作生態(tài)瓶“親近”生態(tài)系統(tǒng)

生態(tài)系統(tǒng)范圍有大有小，對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的研究可以是自然的大型的生態(tài)系統(tǒng)，但對(duì)于課堂教學(xué)來(lái)說(shuō)范圍過(guò)大顯得空泛、不具體。為了讓學(xué)生更好地觀察和認(rèn)識(shí)生態(tài)系統(tǒng)，從情感上更容易接受和了解生態(tài)系統(tǒng)，在教學(xué)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)之后，教師布置學(xué)生制作一個(gè)極簡(jiǎn)生態(tài)瓶，瓶中有藻類(lèi)、蝦（食藻）、魚(yú)（雜食性）、微生物、泥沙、石塊和水，并觀察生態(tài)瓶中生物的活動(dòng)。

在課堂上教師請(qǐng)學(xué)生代表分析生態(tài)瓶——生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：組成成分、食物鏈和食物網(wǎng)，鞏固對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。教師引導(dǎo)學(xué)生思考食物鏈、食物網(wǎng)的動(dòng)力，幫助學(xué)生形成物質(zhì)能量觀。

二、創(chuàng)作漫畫(huà)演繹生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)，建立概念模型

高中階段的學(xué)生幾乎都喜歡看漫畫(huà)和動(dòng)漫，以漫畫(huà)為載體可以使學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的過(guò)程變得簡(jiǎn)單輕松，還有利于增強(qiáng)學(xué)生的記憶，這方面已有取得成功的相關(guān)示例。如動(dòng)漫《工作細(xì)胞》、相關(guān)漫畫(huà)公眾號(hào)對(duì)2018年諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)“免疫抑制療法”的解讀，都受到了大眾的歡迎，達(dá)到了科普的目的。 根據(jù)極簡(jiǎn)生態(tài)瓶的成分，制作與能量流動(dòng)相關(guān)的漫畫(huà)，如圖1所示：

教師布置學(xué)生小組學(xué)習(xí)任務(wù)：根據(jù)漫畫(huà)討論能量流經(jīng)第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的過(guò)程：能量的輸入（方式和形式）、能量的利用、能量的散失和能量的傳遞，以文字和箭頭形成概念模型。師生一起完善概念模型，如圖2所示：

學(xué)生自主討論“糞便量”屬于哪一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化的能量，最終流向哪個(gè)方向，攝入量與同化量、糞便量的關(guān)系，并建立數(shù)學(xué)公式，形成數(shù)學(xué)模型：攝入量=同化量+糞便量。某一營(yíng)養(yǎng)級(jí)糞便中的能量屬于上一營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化量的一部分，最終流向分解者。

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)漫畫(huà)分析“暫未被利用的能量”的含義：未被自身呼吸消耗，也未被后一營(yíng)養(yǎng)級(jí)和分解者利用的能量。其最終的去向：通過(guò)呼吸作用以熱能形式散失、流向下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)和分解者。進(jìn)一步得出“暫未被利用的能量”存在的條件是“定量定時(shí)的研究”。 [1]

三、從單一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量流動(dòng)到生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)，形成能量流動(dòng)概念

教師引導(dǎo)學(xué)生分析圖2第一、二、營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量的來(lái)源和最終的去向（箭頭的最終指向），建立生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)圖解（如圖3所示）：

從單個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量流動(dòng)模型變換為生態(tài)系統(tǒng)總的能量流動(dòng)模型的動(dòng)態(tài)過(guò)程，有助于學(xué)生理解單個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量流動(dòng)圖與整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)圖解之間的聯(lián)系和區(qū)別。

學(xué)生小組討論、歸納三個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量輸入和輸出方向的異同點(diǎn)。第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量輸入主要是生產(chǎn)者的光合作用，光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，第二、三營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量輸入是動(dòng)物捕食后消化吸收的有機(jī)物。第一、二營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量最終流出方向是呼吸作用以熱能形式散失、流向下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)和分解者分解利用。第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)也就是該生態(tài)系統(tǒng)的最高營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量最終流出方向只有兩個(gè)：呼吸作用以熱能形式散失和分解者分解利用。

通過(guò)上述分析學(xué)生總結(jié)能量流動(dòng)的概念：生態(tài)系統(tǒng)中能量的輸入、轉(zhuǎn)化、傳遞、散失的過(guò)程。

四、 定量分析賽達(dá)伯格湖能量流動(dòng)，建立數(shù)學(xué)模型，總結(jié)能量流動(dòng)特點(diǎn)，完善概念模型

建立生態(tài)瓶能量流動(dòng)概念模型的最后一個(gè)步驟：通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)或觀察等，對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)或修正。賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)定量分析就是一個(gè)有效的檢驗(yàn)方法。

學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析每一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量來(lái)源和分配， [2] 為什么存在“未利用”的能量？這部分能量的去向是哪里？能量的流動(dòng)過(guò)程與生態(tài)瓶是否一致？最終得出結(jié)論：自然生態(tài)系統(tǒng)賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)與概念模型一致。

學(xué)生以小組為單位制作數(shù)學(xué)模型，用教師派發(fā)的網(wǎng)格紙﹝每一個(gè)網(wǎng)格表示1 J/（cm 2 ·a）（焦每平方厘米每年）﹞，裁剪出相應(yīng)大小的紙片分別代表生產(chǎn)者、植食性動(dòng)物、肉食性動(dòng)物同化的能量，并在代表每一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化量的紙片上畫(huà)出能量的分配。如圖4所示：

觀察自制的數(shù)學(xué)模型，學(xué)生可以很明顯地看到能量流動(dòng)的特點(diǎn)：?jiǎn)蜗蛄鲃?dòng)，逐級(jí)遞減。

由學(xué)生計(jì)算相鄰營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量傳遞效率：第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)到第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量傳遞效率為13%，第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)到第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量傳遞效率為20%。教師補(bǔ)充大量的生態(tài)調(diào)查實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：能量在相鄰兩個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)間的傳遞效率大約是10%～20%。根據(jù)能量傳遞效率進(jìn)一步完善生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)過(guò)程概念模型。

五、利用數(shù)學(xué)模型建立能量金字塔模型

根據(jù)能量金字塔的描述，學(xué)生將制作的數(shù)學(xué)模型由低營(yíng)養(yǎng)級(jí)到高營(yíng)養(yǎng)級(jí)擺放，就形成了賽達(dá)伯格湖的能量金字塔。

六、認(rèn)同科學(xué)飲食方式，形成健康的生活方式和生命觀念

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)特點(diǎn)，學(xué)生討論：“一只兔子被狐貍吃了，兔子含有的能量約有10%～20%進(jìn)入狐貍體內(nèi)？” [3] 結(jié)合人教版高中生物必修1教材第93頁(yè)“荒島求生最佳策略”“如何調(diào)整飲食結(jié)構(gòu)可以吃得健康又環(huán)保”， [4] 學(xué)生理解生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)研究單位是種群，而不是個(gè)體，認(rèn)同科學(xué)飲食方式，形成健康的生活方式和生命觀念。

學(xué)生制作生態(tài)瓶、繪制漫畫(huà)演繹能量流動(dòng)過(guò)程，構(gòu)建概念模型和數(shù)學(xué)模型，定性分析結(jié)合定量分析等策略，貼合學(xué)生心理發(fā)展和思維水平，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，幫助學(xué)生理解本課的重難點(diǎn)知識(shí)，從而達(dá)到了課堂教學(xué)的高效性，達(dá)成了“以教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙戀軍.對(duì)“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)”幾個(gè)問(wèn)題的釋疑[J].生物學(xué)通報(bào)，2015，50（7）：10.

[2]朱慧娟.“生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)”一節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)[J].生物學(xué)教學(xué)，2016，41（10）：53-55.

[3]童雅赟.“生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)”一節(jié)疑難知識(shí)的教學(xué)策略[J].生物學(xué)通報(bào)，2018，53（4）：46-48.

[4]楊星宇，盧曉梅，彭宇.“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)”說(shuō)課[J].教育教學(xué)論壇，2018（3）：197-198.