深度學習的理念下層進式分步建構生態系統能量流動概念的模型

危寶華

摘要 敘述了學生通過實例、討論、體驗、理解、分析、總結的層進式分步自我構建“能量流經第一個營養級”的概念模型、“能量流經第二個營養級”的概念模型、“能量流經整個生態系統”的概念模型，總結出能量傳遞率的數學模型，最終建立完整的“能量流動”的整體概念模型，通過模型來理解能量流動的去向和特點。

關鍵詞 層進 模型 概念模型 數學模型

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

文件編號：1003-7586（2020）08-0023-03

模型作為一種現代科學認識手段和思維方法，《普通高中生物學課程標準（2017年版）》將之歸于科學思維的行列。模型建構是一個思維和行為相統一的過程，通過科學的模型構建來研究推動教學，有利于學生借助模型來獲取、拓展、深化對知識認識和掌握。

課堂教學建模是一種重要的科學操作與科學思維的方法。模型構建是一個思維和行為相統一的過程，它是為解決特定的問題在一定的抽象、簡化、假設的條件下，再現原型客體的某種本質特征。

在課程教學中，深度學習是提高學生綜合能力、實現核心素養的有效途徑。“層進式”教學模式是指在一定的學習范圍內，以某一問題或某一主題為中心，設計的具有一定邏輯結構的問題，讓學生身臨其境，激發學生學習興趣，形成一個會發現問題、構建一定結構、分析問題、解決問題的邏輯思維的過程。

高中生物人教版《必修3·穩態與環境》中“生態系統的能量流動”這一節，重點在要分析能量流動的過程和特點，教師可以通過實例、討論、體驗、理解、分析、總結的層進式分步建立概念模型，讓學生通過建模過程的探究活動，使學生更好地理解能量流動在一定范圍內的局部共性，實現“應用、分析、評價、創造”的高層次認知對概念的深度學習，將抽象的思維系統化和整體化，幫助學生建立完整的能量流動的實體概念。

1通過實例，構建能量流動的基本環節的概念模型

概念模型是對真實世界中問題域內的事物的描述。能量流動是生態系統的三大功能之一，教科書對概念定義是通過“輸入、傳遞、轉化、散失”幾個關鍵詞來概括出來的，表述比較抽象。學生對概念的理解要有“直奔主體”的效應。如果教師能在文字的基礎上構建一個框架模型，更有利于學生的初始形象的概念模式，以便于概念的深度理解。

教師在教學中可以借助能量流進一個種群的實例圖（圖1），促進學生建立一個概念的模型出來（圖2）。學生通過思考總結構建的能量流動的概念圖，能更清楚地懂得能量流動的幾個基本環節。

2通過討論，構建能量流經第一個營養級的概念模型

為了進一步完善能量流動的概念模型，學生需要理解從能量流經生態系統中的每一個營養級的去向。教師可以借助某一食物鏈，讓學生分析、討論能量流動的過程。從能量的源頭——陽光開始，教師先引導學生討論流經生產者，即第一個營養級的能量去向，從而構建相應的概念模型（圖3）。

學生構建的流經第一營養級的概念模型，可以幫助理解生產者通過光合作用（或化能合成作用）將太陽能合成能儲存能量的有機物，這是生產者固定的總能量。這部分能量通過呼吸作用散失一部分，其他能量用于生長發育和繁殖，屬于凈產量。這一部分凈產量中，枯枝落葉流進分解者，一部分被初級消費者攝入，有一部分沒有被攝入的能量，就是未利用的，但隨著積累，還是流入分解者。同時，教師引導學生構建生產者同化的能量的概念模型（圖4），用于生長發育和繁殖的概念模型（圖5），更好地幫助學生理解總產量、諍產量及能量的去向。

3通過體驗，構建能量流經第二個營養級的概念模型

有了構建能量流經第一營養級的概念模型的體驗，教師可以通過學生自我體驗，嘗試讓學生動手來構建能量流經第二營養級的概念模型。

學生的體驗可以在實體事物參與中進行，如養蠶，蠶吃桑葉，有糞便有蠶本身的遺體等。教師促進學生體驗能量的去向，促進學生構建流經第二營養級的概念模型（圖6）來幫助理解能量去向。

構建的流經第二營養級的能量概念模型可以使學生理解初級消費者的糞便是初級消費者沒同化的能量。教師要促進學生通過模型整理得出：初級消費者同化的能量=初級消費者攝入的能量-糞便=呼吸消耗的能量+生長發育繁殖的能量;生長發育繁殖的能量=分解者的能量+流入下一營養級能量+未利用的能量。同時，教師引導學生思考：未利用的能量是什么？次級消費者的糞便的能量是哪里的？學生搭建初級消費者攝入能量的概念模型（圖7），借助圖5生長發育繁殖的能量構建流經該營養級的總模型圖（圖7、圖8）。

4借助理解，構建流經生態系統能量總的概念模型

通過有序地逐步構建能量流經第一和第二營養級的概念模型，學生理解了流經每一個營養級的能量有四個去向：呼吸消耗的能量、流經下一個營養級的能量、未利用能量、流進分解者的能量。但未利用的能量實質是經過時間積累，還是流向分解者了。這樣就可以讓學生構建出能量流進整個生態系統總的概念模型（圖9）。

教師借助教科書能量流進生態系統的總模型圖，讓學生對概念模型做出定性分析：

（1）能量流動的起點是陽光。能量流動是從生產者固定太陽能開始。能量流進生態系統的總能量是生產者固定的總能量。

（2）能量流動的渠道是食物鏈或食物網。

（3）能量流動的特點是：單向流動，逐級遞減。

5定量分析，構建能量傳遞率的數學模型

數學模型是指用數學的形式對事物的本質進行系統的說明，包括公式、表格、曲線等。教師可以引用賽達伯格湖的能量流動圖，讓學生完成表1對數據進行定量分析。

學生利用表1，計算出第一營養同化的能量流向第二營養級的能量的百分比，歸納出計算能量傳遞率的數學模型：能量傳遞率=下一營養級同化的能量/上一營養級同化的能量×100%。學生通過計算，可以發現能量的傳遞率在10%～20%，從而從定量分析的角度理解能量流動的去向。學生通過數學模型可以更精準地理解能量流動的特點為逐級遞減的原因。

6總結歸納，構建和能量流動的總概念模型

通過層進式構建能量流經每個營養級的概念模型，教師引導學生總結歸納并修正能量流動的概念模型，重建一個完整的概念模型（圖10）。

生態系統的能量流動是生命與物質觀教學中的一個重要環節，能量是萬物之源，其流動的過程和方式比較抽象。該案例中，教師通過學生實例渲染、討論建模、體驗生成、理解思維、定量分析、歸納總結，符合學生思維的層進式問題設計，讓學生自我在頭腦風暴中分步完成能量流動的概念模型，綜合總結對整體能量流動的概念模型進行搭建，使抽象的知識可以通過模型直觀的加以理解。

通過構建模型來呈現體驗式教學，讓學生在“做中學”過程中不斷修正自己對能量流動概念的認識，最終形成完善的能量流動的科學概念。這樣不僅能豐富學生的學科知識、開闊其視野，更能培養學生創新應用的高階思維能力，實現深度學習，最終達到培養學生生物學學科核心素養的目的。