基于變易理論的能量流動教學案例

郭穗綿 （佛山市杏壇中學 廣東佛山 528325）

1 變易理論的分析

變易理論是由瑞典哥德堡大學Marton 教授所領導的研究小組，基于“現象圖示學”研究發展起來的學習理論。 該理論認為，學習必須透過“審辨”，而審辨必須透過“變易”。 變易指關注該事物的“關鍵特征”（學習要點），并通過“變易圖式”將其與其他事物相區分。 一個學習內容可能存在多個關鍵特征，以氨基酸結構通式為例，包含關鍵特征1：含1 個氨基和1 個羧基；關鍵特征2：氨基和羧基同連在1 個碳原子上；關鍵特征3：含1個可變的R 基；關鍵特征4：4 個基團的位置是可變的。 人教版教材中展示的4 種氨基酸就是一種變易圖式，它讓學生關注到了關鍵特征1 和關鍵特征3， 但學生往往會忽略4 個基團位置是可以發生變化的，以及氨基、羧基必須連在同一碳原子上的信息。 很多學習內容由于缺乏變易圖式，呈現的是多個關鍵特征融合的整體，因而不同學生所關注的關鍵特征可能是不同的。 教師如果能對學習內容包含哪些關鍵特征進行分析，并預測學生主要存在的學習障礙， 創設恰當的變易圖式，再匹配適合的教學策略，能有效幫助學生突破學習重、難點。

2 “能量流動”的教學分析

生態系統能量流動是生態系統三大功能之一，是高中生物生態學部分的核心內容。該部分除了要求學生掌握能量流動的概念、 過程、 轉移方向、傳遞效率、能量流動的金字塔，以及研究能量流動的實踐意義等基礎知識外，還涉及系統分析、模型構建、數據處理分析等能力的培養。由于教材文字精簡、示意圖關系交疊，導致學生存在多個學習障礙。

3 利用變易理論處理教材

本節通過從“不同的層次”進行變易研究能量流動，體驗系統分析和模型構建的方法；利用學生對同一知識的不同理解， 對一個營養級的能量流動去向及相關要素進行變易，理解“同化量”“糞便量”“用于生長、 發育和繁殖”3 種能量的內在關系，掌握一個營養級的能量流動過程；通過對賽達伯格湖的能量流動圖解分析，認識“未被利用”這部分能量的含義及去向， 辨析定性和定量分析法在能流分析上的應用，總結能量流動的特點。

4 “生態系統的能量流動”（第1 課時） 的教學過程

以教材第93 頁“問題探討”作為情境引入，設問：哪種求生策略能為魯濱遜爭取營救時間？ 為本節學習埋下伏筆。教師介紹研究能量流動涉及系統分析法： 指的是利用數學的概念和方法建立模型，優化結構，采用系統科學的研究途徑解決復雜系統問題的方法，是目前生態學研究的發展趨勢。 初步體驗系統分析法：首先為學生提供一個粗略的能量流動分析模型：能量輸入→系統→能量輸出。

4.1 從生活出發，分析一個個體的能量流動情況 以自己為例，描述一個個體如何獲取、儲存、輸出能量？ 目的在于讓學生初步感知能量的存在形式與轉化途徑。由于貼近生活，學生很快在黑板上寫出圖1， 很多學生誤以為糞便的排出就是能量的輸出。暴露學生存在的前科學概念后，教師引入“攝入量”“同化量”“糞便量”等概念，明確“能量輸出” 指能量流向其他生物或通過細胞呼吸散失。 通過試誤探討，突破關鍵特征：糞便屬于食物殘渣，并沒有同化為體內的有機物，最終其能量被分解者利用。 修正后如圖2 所示。

再設問：同化能量有何去向？這時學生展示出不同理解，其中具有代表性的如圖3、圖4 所示，顯然學生對于“用于生長發育、繁殖”與“呼吸作用所釋放的能量”之間的關系較為模糊。

讓學生進行討論、辨析：當體內的有機物氧化分解，相當一部分能量轉化為熱能而散失（無法再被利用），其余將用于合成新的組織而作為潛能貯存下來，貯存的這部分能量就屬于“用于生長發育繁殖”的能量（修正如圖5）。 利用學生對同一知識的不同理解進行變易， 突破了某一營養級能量流動分析的難點， 為生態系統能量流動模型的構建做鋪墊。

上述過程經歷如下變易圖式（圖1～圖5）：

表1 變易圖式（針對圖1、圖2 的分析）

表2 變易圖式（針對圖3～圖5 的分析）

4.2 以一條簡單的食物鏈入手， 分析一個營養級的能量流動情況 以草→兔→狐→狼這條簡單的食物鏈為例，分組讓學生分析每個生物種群的能量來源和去向，并派代表在黑板上從左至右分別展示草、兔、狐、狼的能量流動示意圖，由于經歷前面個體的能流分析，這部分學生很容易突破。 學生經歷表3 變易圖式，發現除了最高營養級“狼”，每個營養級的能量流動去向都具有共性，從而完成了一個營養級能流的模型構建（圖6）。

表3 變易圖式（針對圖6 一個營養級的能流分析）

師生再根據能流關系將黑板上4 種生物的能流示意圖用箭頭相關聯，生成圖7，然后分小組展開討論，進一步完善能量流動模型：1）生物是通過什么行為或生理活動完成相關能量的傳遞、轉化的？ 2）該食物鏈的能量流動中能量存在的形式有哪些？ 3）若用線條粗細表示箭頭所代表的能量含量變化，圖7 應如何修改？ 4）圖7 中的箭頭能反轉（能量可以反向流動）嗎，為什么？ 5）該能量圖解是否也適用于其他食物鏈？ 通過以上教學活動，學生經歷了表4 相關變易圖式，進一步理解生態系統能量流動的過程： 能量的傳遞轉化涉及光合作用、呼吸作用、攝食、消化吸收等生理活動；能量流動過程中能量形式的變化： 光能→生物體內有機物中的化學能→熱能； 該模型也適用于其他食物鏈。 從而完成生態系統能量流動的模型構建（圖8），并從定性的角度初步理解能量流動具有單向流動、逐級遞減的特點。

表4 變易圖式（一個生態系統的能流分析）

4.3 從定性到定量，以賽達伯格湖為例，分析一個生態系統的能量流動 科學家是如何研究一個生態系統的能量流動的， 師生構建的模型是否符合事實？ 展示教材第95 頁圖5～圖8 賽達伯格湖的能量流動圖解。設問：該生態系統的能量流動與前面構建的生態系統能量流動圖解有什么相同點和不同點？ 通過2 個變易圖式（表5、表6）的比較，學生會發現，除了有3 個能量流動去向相同之外，還出現“未利用能量”和許多具體的數據。 逐一進行變易分析：首先突破“未利用能量”：1）現實中的生態系統是否存在這部分能量？ 2）這部分能量存在于哪里？ 3）這部分能量的最終去向如何？進而總結： 前面能量流動探討的是每個營養級最終的能量去向，屬于“定量不定時分析”，而對賽達伯格湖某一歷史時刻能量流動的研究屬于 “定量定時分析”，因此未利用的能量最終還是通過上述3 個去路傳遞，與前面構建的模型沒有矛盾，可以隱去“未利用能量”，減少分析干擾；第2 個變易：從定性分析轉向定量分析（數據分析）：1）該生態系統總的能量是多少？ 引導學生關注各個數據間的關系，澄清部分學生認為“各個營養級的能量相加就是該生態系統總能量”的誤區；2）營養級之間的能量傳遞效率應該如何計算？ 幫助學生設計表格對數據進行處理、分析；3）為什么流入一個營養級的能量無法100%流到下一營養級？ 4）流經一個生態系統的能量能否再回到該生態系統中？ 5）生態系統的能量流動和轉化是否遵守能量守恒定律？體驗定量分析的方法，進而總結能量流動具有單向流動、逐級遞減的特點，理解生態系統是一個能量耗散的開放性系統。

針對教材圖5～圖8 賽達伯格湖的分析，與教材中圖5～圖7 比較，學生經歷以下2 個變易：

表5 變易圖式（ “未利用”能量分析）

4.4 本節小結 最后回應本節開篇的“問題探討”：為魯濱遜選擇最佳的生存策略， 并用本節課所學原理進行解釋。 師生再進行小結：本節課從個體、種群、營養級，到生態系統，從不同的研究層次探討能量流動（經歷表7 所示變易圖式），每個層級都涉及能量的輸入、轉化、傳遞和散失，說明構建的能量流動模型具有普適性， 并歸納能量流動的概念。

表7 變易圖式（能量流動模型）

5 教學反思

本節課應用變易理論， 通過抽絲剝繭式的7個變易圖式， 理清了教材中幾個重要圖解的內在邏輯聯系，突破了教學的重、難點。 與傳統教學策略相比，學生學習過程中思路更加清晰，對知識的理解更加透徹。

變易理論重視對學習內容的分析， 打破教師的自然態度， 其價值在于該理論借助學生對知識的不同理解進行變易， 進而讓學生自己審辨學習內容的關鍵特征，避免了教師的強行灌輸，使學生對知識的掌握更加牢固。操作過程中，要求教師深入分析教材和學生，預設解決教學重、難點的變易圖式， 在教學過程中捕捉學生的不同想法生成變易圖式。同時要注意教學用語的準確表述，以幫助學生正確理解所學概念。新課程理念倡導的科學探究和科學思維， 變易理論對培養學生的邏輯分析、理性思維很有幫助，值得推廣。