圍繞解決真實(shí)問題的學(xué)習(xí)活動設(shè)計與實(shí)施
——以“生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性”為例

陳廷華 鄭曉蕙

(1 江蘇省無錫市輔仁高級中學(xué) 無錫 214123； 2 華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院 上海 200062)

高中生物學(xué)必修模塊“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”的核心知識是“穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)”。縱觀本模塊，從個體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，到最高層次生命系統(tǒng)的穩(wěn)定性，任何層次生命系統(tǒng)都必須保持其生活環(huán)境的相對穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)的維持需要系統(tǒng)內(nèi)部各組分之間的相互作用、自我調(diào)節(jié)。“生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性”一節(jié)，是從生態(tài)系統(tǒng)層次上探討生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要性及維持，論證人類活動對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響等。如從生活實(shí)例出發(fā)，從人類生存環(huán)境所面臨的各種問題出發(fā)，論證生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要性似乎并不難。但是，生態(tài)系統(tǒng)不同于個體，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的調(diào)節(jié)所產(chǎn)生的影響具有高度的開放性和較長的滯后性，并不能很快通過各種指標(biāo)測量出來，學(xué)生體驗不到穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)的過程，由此給學(xué)生的學(xué)習(xí)思維活動帶來一定困難，如： 人類的活動怎樣對生態(tài)環(huán)境施加正面或負(fù)面影響學(xué)生親身體驗不足，對有關(guān)穩(wěn)態(tài)知識的理解與學(xué)習(xí)很難實(shí)現(xiàn)知識遷移。如何理解生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)過程和方式？如何認(rèn)識到自然生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是經(jīng)過若干萬年共同進(jìn)化和長期自然演替形成的，人類不能隨意改造和破壞？如何形成尊重自然、保護(hù)自然的生態(tài)觀？這些問題不解決，學(xué)生很難形成正確的世界觀、尊重自然的品性和科學(xué)思維能力。本文以“生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性”教學(xué)為例，討論如何圍繞解決真實(shí)問題，設(shè)計并實(shí)施學(xué)習(xí)活動。

1 圍繞解決真實(shí)問題的學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計

教育的首要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生形成伴其一生的解決復(fù)雜問題的能力和素養(yǎng)。學(xué)生學(xué)習(xí)問題的產(chǎn)生，往往源于實(shí)踐活動的不足，從而發(fā)現(xiàn)不了真實(shí)的、有價值的問題，自然無法解決問題。圍繞解決真實(shí)問題的學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計，要高度關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的實(shí)踐經(jīng)歷，積極創(chuàng)造條件，為學(xué)生提供探究性、可拓展的實(shí)踐活動資源，并以學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)踐活動為素材，結(jié)合學(xué)習(xí)內(nèi)容的知識結(jié)構(gòu)，凝練真實(shí)問題，以真實(shí)問題情境引導(dǎo)學(xué)生思維。

學(xué)生在實(shí)踐活動中，“觸及”科學(xué)現(xiàn)象，建立相互協(xié)作的學(xué)習(xí)共同體，經(jīng)歷信息收集、組織、比較、分類等認(rèn)知活動，在已有想法和新的以及更加復(fù)雜的想法之間架設(shè)橋梁，對生物學(xué)本質(zhì)問題展開深度討論，在問題解決中實(shí)現(xiàn)知識整合，形成概念觀念，發(fā)展科學(xué)思維。據(jù)此可有四類設(shè)計目標(biāo)，即： 使科學(xué)可觸及、使思維看得見、幫助他人學(xué)習(xí)和促進(jìn)自治[1]。

以“生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性”的教學(xué)設(shè)計為例：

使科學(xué)可觸及： 本節(jié)以“尊重自然規(guī)律，維護(hù)生態(tài)穩(wěn)定”為核心思想，利用“設(shè)計并制作生態(tài)缸，觀察其穩(wěn)定性”的小課題，讓學(xué)生制作一個微生態(tài)系統(tǒng)，并進(jìn)行連續(xù)觀察，實(shí)際觀察各自所制作的生態(tài)缸中水質(zhì)、土壤、生物種類和數(shù)量等的變化，來體驗生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)過程。通過學(xué)生的體驗，實(shí)施情境教學(xué)，實(shí)現(xiàn)“使科學(xué)可觸及”。

使思維看得見： 在制作和觀察過程中，從生態(tài)缸的規(guī)劃設(shè)計，到購置生態(tài)缸、土壤、肥料、采集動植物材料；從觀察、記錄、拍照、寫觀察日記，到課題匯報材料整理、撰寫課題報告、制作PPT等，學(xué)生的想法(思維)通過各種形式進(jìn)行表征，如學(xué)生的說明、畫圖、建模以及實(shí)時數(shù)據(jù)采集等，都是“使思維看得見”的過程體驗。

幫助他人學(xué)習(xí)： 活動中學(xué)生分工協(xié)作、井然有序，人人參與，各負(fù)其責(zé)，始終保持著旺盛的熱情。學(xué)生每周定時觀察，如實(shí)記錄，觀察細(xì)致，一絲不茍，通過“幫助他人學(xué)習(xí)”的過程，培養(yǎng)實(shí)事求是的科研素養(yǎng)、認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度、相互協(xié)作的團(tuán)隊合作意識。

促進(jìn)自治： 通過對真實(shí)問題的深度探討，相互交流和評價，對學(xué)科內(nèi)容和科學(xué)本質(zhì)進(jìn)行反思，整合知識結(jié)構(gòu)，拓展知識應(yīng)用，審視生命本質(zhì)，提煉生命規(guī)律，形成科學(xué)觀念，“促進(jìn)自治”，最終發(fā)現(xiàn)小小的生態(tài)缸，并不是把各種成分隨意拼湊就能形成一個基本穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，人們建構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)只能模擬自然生態(tài)系統(tǒng)原有的種間關(guān)系，只有尊重大自然業(yè)已形成的錯綜復(fù)雜的關(guān)系，科學(xué)規(guī)劃好生物的種類、數(shù)量和比例，才能實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基本穩(wěn)定[2]。

2 圍繞解決真實(shí)問題的學(xué)習(xí)活動設(shè)計

為讓學(xué)生以實(shí)踐為體驗，在學(xué)習(xí)活動中解決真實(shí)問題，筆者將“生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性”的學(xué)習(xí)活動設(shè)計為合理規(guī)劃、理論研究、實(shí)踐體驗、總結(jié)評價、問題探討等環(huán)節(jié)(圖1)，以達(dá)到圍繞解決真實(shí)問題的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

圖1 “生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性”一節(jié)的教學(xué)流程設(shè)計

3 圍繞解決真實(shí)問題的教學(xué)實(shí)施

本學(xué)習(xí)活動設(shè)計在筆者所任教學(xué)班進(jìn)行實(shí)施，教學(xué)效果良好。其中“問題探討”環(huán)節(jié)是在學(xué)生完成課題研究和交流匯報之后，對本節(jié)教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)的深度剖析和思想升華，是達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)探討的問題均來自學(xué)生課題研究中的“真實(shí)問題”，真實(shí)的問題情境為學(xué)生的思維可視化提供了“支點(diǎn)”，問題的核心直指學(xué)科知識本質(zhì)，問題的呈現(xiàn)緊密結(jié)合本節(jié)教材的教學(xué)內(nèi)容的知識結(jié)構(gòu)展開(圖2)，組織學(xué)生深度討論，經(jīng)歷觸及科學(xué)現(xiàn)象到思維可視化過程，在互動學(xué)習(xí)中認(rèn)識生命世界的內(nèi)在規(guī)律，建構(gòu)知識，形成生命觀念。

圖2 “問題探討”階段的教學(xué)實(shí)施示意圖

現(xiàn)重點(diǎn)分析問題探討階段的教學(xué)組織與實(shí)施過程。

問題1 生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為什么一定要包括食物鏈和食物網(wǎng)？

學(xué)生的常見的思維誤區(qū)： 錯誤認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就是指生產(chǎn)者、消費(fèi)者、分解者和非生物的物質(zhì)和能量四種成分。

剖析： 生態(tài)系統(tǒng)是生物群落和無機(jī)環(huán)境相互作用的統(tǒng)一整體，各種成分之間具有復(fù)雜的關(guān)系，其中食物鏈和食物網(wǎng)就是生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間重要關(guān)系的體現(xiàn)。如果只是四種成分的簡單拼湊，并不足以構(gòu)成穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。

聯(lián)系學(xué)生研究提出現(xiàn)實(shí)問題： 在設(shè)計生態(tài)缸時，一定要考慮構(gòu)建怎樣的關(guān)系？為什么不同小組放養(yǎng)的烏龜有的活了，有的死了？有沒有考慮所放養(yǎng)的龜?shù)氖承裕坑行〗M把蕨類種植在生態(tài)缸中為什么未能成活？有人把蘆薈養(yǎng)在水里可行嗎？

列舉某小組匯報總結(jié)： 生態(tài)缸的土質(zhì)、植物、動物等的選擇基本模擬了各自原有生存狀態(tài)(陰生、陽生、水生、陸生等)和食物關(guān)系，考慮到了物種的多樣性，生態(tài)缸的環(huán)境也趨于穩(wěn)定。

列舉某小組匯報結(jié)論： 生態(tài)缸中添加成分齊全，生物種類多；添加的各種生物與其自然生態(tài)相吻合，所以經(jīng)過一段時間的自我調(diào)節(jié)后很快實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定。

綜合分析，解決問題： 學(xué)生選擇引用不同小組的課題研究報告回答問題，使思維有據(jù)可依，在相互學(xué)習(xí)中實(shí)現(xiàn)思維碰撞，體悟到生命的規(guī)律： 自然生態(tài)系統(tǒng)中生物與生物之間、生物與環(huán)境之間的各種關(guān)系是經(jīng)過若干萬年的共同進(jìn)化和長期的自然演替而形成的，人類不可能隨意去改變。所以在設(shè)計生態(tài)缸、構(gòu)建種間關(guān)系等各種關(guān)系時只能尊重自然，只能是對自然生態(tài)系統(tǒng)的原有關(guān)系的模擬。

問題2 為了實(shí)現(xiàn)生態(tài)缸能量流動和物質(zhì)循環(huán)的正常進(jìn)行，放置不同生物時要考慮哪些因素？

引用某小組失敗原因分析： 盡管本小組設(shè)計的生態(tài)缸想要盡量保持原生態(tài)，但準(zhǔn)備的時間與條件不夠充裕；生產(chǎn)者種類和數(shù)量太少，消費(fèi)者數(shù)量又太多，保證不了生物物質(zhì)和能量需求，能量流動無法正常進(jìn)行；氣溫較低，水草籽活性不強(qiáng)，難成活；土質(zhì)與水質(zhì)不適合生產(chǎn)者的生存環(huán)境，沒有成功模擬其原有的生存環(huán)境；消費(fèi)者品種單一，無法構(gòu)成完整的食物鏈[2]。

列舉某小組的研究結(jié)論： 由于生態(tài)缸內(nèi)成分齊全，有完善的食物鏈結(jié)構(gòu)，各種生物與生態(tài)缸環(huán)境相適應(yīng)，能量流動和物質(zhì)循環(huán)可以正常進(jìn)行，生態(tài)缸保持基本穩(wěn)定。

學(xué)生通過正反兩方面的比較，形成共識： 不同營養(yǎng)級生物的數(shù)量和比例關(guān)系要合適，合適的比例關(guān)系與自然生態(tài)系統(tǒng)是一致的，特別是生產(chǎn)者——植物數(shù)量能否維持整個生態(tài)缸的物質(zhì)和能量需求。

問題3 結(jié)合生活體驗和各自課題研究列舉事實(shí)說明生態(tài)系統(tǒng)如何進(jìn)行自我調(diào)節(jié)？

學(xué)生舉例1： 本小組在觀察中發(fā)現(xiàn)水質(zhì)的變化——渾濁、發(fā)黃變?yōu)榍宄海@是水體在發(fā)生自我凈化，是自我調(diào)節(jié)能力的體現(xiàn)。

學(xué)生舉例2： 無錫長廣溪濕地的雨水凈化系統(tǒng)——長廣溪濕地公園通過合理運(yùn)用了物理沉降、化學(xué)分解、微生物分解等過濾系統(tǒng)，減輕了城市降雨徑流引起的非點(diǎn)源污染，充分體現(xiàn)了濕地生態(tài)系統(tǒng)的凈化過濾功能，是抵抗環(huán)境污染的有效途徑。

學(xué)生舉例3： 本小組對養(yǎng)殖的金魚死亡原因分析如下： ①此種魚不適應(yīng)該生態(tài)缸環(huán)境；②水草還未全部成活，光合作用不足，魚的數(shù)量偏多，無法滿足氧氣供應(yīng)；③該生態(tài)缸無可供該種魚捕食的食物或食物數(shù)量不足。

這些鮮活的實(shí)例，足以讓學(xué)生認(rèn)識到： 生物種類和數(shù)量在發(fā)生變化是生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)的重要體現(xiàn)(最直觀的是學(xué)生舉例3中魚的數(shù)量變化，魚放養(yǎng)多了就會有死亡)。自然生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)更為復(fù)雜，往往通過食物關(guān)系進(jìn)行調(diào)控。

問題4 請根據(jù)不同小組生態(tài)缸達(dá)到穩(wěn)定的時間的不同，比較抵抗力穩(wěn)定性強(qiáng)弱與哪些因素有關(guān)？

教師引導(dǎo)： 同學(xué)們在對生態(tài)缸的觀察和管理中，添加不同植物(藻類、蕨類、挺水植物、苔蘚、浮萍)，不同的魚等，目的是什么？

學(xué)生分析： 增加生物種類，提高抵抗力穩(wěn)定性。(教師引用某小組課題觀點(diǎn)并補(bǔ)充： 生態(tài)系統(tǒng)組分越多，食物網(wǎng)越復(fù)雜，自我調(diào)節(jié)能力就越強(qiáng)，抵抗力穩(wěn)定性就越強(qiáng)。)

教師列舉某小組課題研究階段性報告內(nèi)容： ①階段性結(jié)論： 水質(zhì)泛綠，水體可能富營養(yǎng)化，導(dǎo)致水體缺氧；②人工干預(yù)： 考慮放入金魚，并加入少量浮萍，以控制藻類繁殖。

教師提問： 為什么有的人工干預(yù)是成功的，有的干預(yù)是失敗的？(如某小組添加的蕨類未成活、苔蘚成活了。)

學(xué)生思考、討論，得到如下啟示： 人工干預(yù)是否合適，還是要看是否符合自然生態(tài)系統(tǒng)原有的種間關(guān)系，是否與其原有生態(tài)環(huán)境相適應(yīng)，否則抵抗力穩(wěn)定性反而會降低。

問題5 如何提高生態(tài)系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性？

教師引導(dǎo)： 好幾個小組對生態(tài)缸都進(jìn)行了人工干預(yù)，如加入物質(zhì)(餌料、土質(zhì))、植物等，目的是什么？

學(xué)生思考： 通過增加生物種類，增加物質(zhì)和能量的投入，增強(qiáng)抵抗力穩(wěn)定性。

教師總結(jié)： 我們已經(jīng)討論過人工對自然的干預(yù)不是隨意的，人類可以在遵循自然規(guī)律的基礎(chǔ)上利用和改造環(huán)境，如適量砍伐森林、合理放牧，利用生態(tài)工程建設(shè)改善環(huán)境等，增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)能力，維護(hù)好生態(tài)系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性。但我們必須強(qiáng)調(diào)，生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力總有一定限度，人類對自然資源利用一旦超過這個限度，自我調(diào)節(jié)能力就會迅速喪失。太湖藍(lán)藻的暴發(fā)就是身邊的典型實(shí)例，抵抗力穩(wěn)定性破壞后恢復(fù)很困難。

問題6 能否模擬自然生態(tài)系統(tǒng)再造一個長期穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)？

各小組通過制作生態(tài)缸并進(jìn)行了2個月的連續(xù)觀察，寫出了研究報告，報告內(nèi)容中不可避免會出現(xiàn)不完整的、片面的甚至是錯誤的分析，教師必須要作出正面回應(yīng)與引導(dǎo)，并加以提升。例如，學(xué)生對生態(tài)缸穩(wěn)定性的分析就出現(xiàn)2個錯誤，教師的處理如圖3：

進(jìn)一步提出問題： 能否模擬自然生態(tài)系統(tǒng)再造一個長期穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)？

圖3 學(xué)生對生態(tài)缸穩(wěn)定性分析及教師的回應(yīng)

4 教學(xué)反思

圍繞解決真實(shí)問題的學(xué)習(xí)活動設(shè)計，以問題為導(dǎo)向確立學(xué)習(xí)目標(biāo)，設(shè)計學(xué)習(xí)活動。從教學(xué)實(shí)踐中提煉并細(xì)化真實(shí)學(xué)習(xí)問題，在問題探討中，以實(shí)踐體驗架設(shè)思維橋梁，開展深度討論，應(yīng)用知識，解決問題。通過對上述6個問題的深度探討，學(xué)生醒悟： 在目前技術(shù)條件下人工創(chuàng)建一個穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)幾乎是不可能的，而生物圈是若干萬年的自然進(jìn)化的產(chǎn)物，必須得到尊重，只有尊重自然、保護(hù)自然才能持久地享受自然的饋贈。保護(hù)地球環(huán)境、保護(hù)生物圈、維持生物圈的自我穩(wěn)定是人類唯一的選擇。

因此，這種圍繞解決真實(shí)問題的學(xué)習(xí)活動，不僅較好地培養(yǎng)了學(xué)生觀察能力、分析能力、科學(xué)探究能力，更是讓學(xué)生從內(nèi)心深處認(rèn)同保護(hù)地球環(huán)境自我穩(wěn)定性的必要性，自發(fā)形成生態(tài)意識和自覺參與環(huán)境保護(hù)的社會責(zé)任感。