例談基于真實(shí)情境的模型建構(gòu)教學(xué)
——以“能量流動(dòng)”為例

（江蘇省南京市雨花臺(tái)中學(xué) 江蘇南京 210012）

素養(yǎng)時(shí)代，如何在課堂教學(xué)中落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)？首先，教師需要深刻理解核心素養(yǎng)的概念及此概念的形成過(guò)程。崔允漷教授用考駕照來(lái)類比知識(shí)與能力的關(guān)系。他認(rèn)為交通規(guī)則是知識(shí)，倒庫(kù)移庫(kù)是技能，有了知識(shí)技能之后，還要路考，在真實(shí)情境中才能形成能力。而形成素養(yǎng)還需要反思，在反思中，形成安全駕駛的關(guān)鍵能力、文明行車的必備品格和尊重生命的價(jià)值觀念。學(xué)生的學(xué)習(xí)也經(jīng)歷同樣的過(guò)程。因此，教師需要精心創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題，讓學(xué)生在體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程中形成核心素養(yǎng)。那么，在高中生物課堂教學(xué)中，針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容，教師如何創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境？如何在真實(shí)情境中引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探究？筆者在“能量流動(dòng)”一節(jié)中進(jìn)行了嘗試。

1 真實(shí)情境的創(chuàng)設(shè)

1.1 真實(shí)情境的概念

這里所說(shuō)的情境，是針對(duì)教材的去情境化而言的，是還原教材中抽象符號(hào)、術(shù)語(yǔ)所表達(dá)的概念、定律和原理的形成的背景、過(guò)程等真實(shí)、具體、生動(dòng)的事實(shí)。因此，真實(shí)的情境因具有學(xué)科知識(shí)性，與生物核心概念有密切聯(lián)系；生活性，與學(xué)生生活密切聯(lián)系，可以讓學(xué)生感受到知識(shí)學(xué)習(xí)的意義與價(jià)值；可探究性，可以引發(fā)問(wèn)題解決型的學(xué)習(xí)任務(wù)；可結(jié)構(gòu)化，即利于學(xué)生形成結(jié)構(gòu)化的圖式。可見(jiàn)，真實(shí)情境不僅僅在導(dǎo)入時(shí)引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更是應(yīng)該貫穿于知識(shí)學(xué)習(xí)的全過(guò)程。

1.2 從賽達(dá)伯格湖到生態(tài)瓶

能量流動(dòng)是選擇性必修3的重要內(nèi)容。從《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中的概念層級(jí)分析，能量流動(dòng)作為生態(tài)系統(tǒng)的主要功能是建立在生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上的，也是學(xué)生理解生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。因此，從生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性的單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)角度看，創(chuàng)設(shè)的情境是基于生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，又貫穿于功能學(xué)習(xí)和穩(wěn)態(tài)學(xué)習(xí)。

從科學(xué)發(fā)現(xiàn)史的角度看，生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的模型是林德曼對(duì)賽達(dá)伯格湖進(jìn)行定量研究的基礎(chǔ)上構(gòu)建的。因此，學(xué)習(xí)情境也應(yīng)該與賽達(dá)伯格湖有相似的結(jié)構(gòu)和功能。

基于以上考慮，在生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，筆者指導(dǎo)學(xué)生模擬學(xué)校附近的花神湖，構(gòu)建小型人工生態(tài)系統(tǒng)——生態(tài)瓶，使生態(tài)瓶成為學(xué)習(xí)探究生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的真實(shí)情境。

2 情境中的模型教學(xué)

2.1 模型教學(xué)的意義

模型是抽象和形象的有機(jī)結(jié)合，能抽象表達(dá)本質(zhì)特征。模型研究是科學(xué)研究方法之一。生態(tài)學(xué)的研究是在大量野外觀察和調(diào)查的基礎(chǔ)上，分析各成分的關(guān)系，再通過(guò)構(gòu)建生態(tài)模型來(lái)研究真實(shí)系統(tǒng)的本質(zhì)和規(guī)律的。因此，教師可引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣在構(gòu)建模型中認(rèn)識(shí)科學(xué)現(xiàn)象，親身體會(huì)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、構(gòu)建模型解釋現(xiàn)象、使用和研究模型并不斷地修正模型的過(guò)程，從而促進(jìn)學(xué)生發(fā)展邏輯推理、批判性思維等科學(xué)思維?；谇榫车哪Ｐ徒虒W(xué)就是要引導(dǎo)學(xué)生充分分析情境中原型的各要素的結(jié)構(gòu)和功能，充分理解情境中原型各要素之間的生物學(xué)聯(lián)系，在從原型中抽象出本質(zhì)特征的同時(shí)，又能形象將本質(zhì)特征具體化、直觀化，充分調(diào)動(dòng)和發(fā)揮學(xué)生的主體性，使學(xué)生在科學(xué)思維與動(dòng)手實(shí)踐等方面體驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?gòu)的過(guò)程。

2.2 初步建模：從細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)化到生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)

能量是一切生命活動(dòng)的動(dòng)力。能量的概念既抽象又微觀，同時(shí)也是跨學(xué)科的概念。教師從學(xué)生已有的知識(shí)基礎(chǔ)入手，可以幫助學(xué)生理解生命現(xiàn)象中的能量，進(jìn)而理解能量的動(dòng)態(tài)流動(dòng)。學(xué)生在必修1中已學(xué)習(xí)光合作用和細(xì)胞呼吸的過(guò)程與本質(zhì)，從細(xì)胞水平上理解了物質(zhì)是能量的載體，能量是物質(zhì)合成的動(dòng)力；理解了光合作用過(guò)程中光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，儲(chǔ)存在有機(jī)物中；理解了細(xì)胞呼吸分解有機(jī)物，釋放的能量一部分轉(zhuǎn)化為熱量釋放，另一部分轉(zhuǎn)化為活躍的化學(xué)能，儲(chǔ)存在ATP中，用于自身的生命活動(dòng)。在復(fù)習(xí)鞏固的基礎(chǔ)上，教師利用問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生初步建模：（1）自然界中能量有多種形式，生物體中主要的能量形式是什么？存在于哪里？如何測(cè)量生物體所含能量？（2）結(jié)合光合作用和呼吸作用，以及ATP的形成的知識(shí)，你能用箭頭和框圖（圖1）示意動(dòng)植物細(xì)胞能量的輸入、轉(zhuǎn)化和輸出嗎？（3）分析生態(tài)瓶中各生物的能量輸入、儲(chǔ)存和釋放，根據(jù)各成分間的食物關(guān)系，嘗試建立能量在生態(tài)瓶?jī)?nèi)各生物間傳遞的示意圖（圖2）。在問(wèn)題討論與模型建構(gòu)過(guò)程中，學(xué)生從理解細(xì)胞水平上的能量輸入、轉(zhuǎn)化與輸出，過(guò)渡到個(gè)體水平，再到種群水平，最后到營(yíng)養(yǎng)級(jí)水平理解系統(tǒng)中能量的動(dòng)態(tài)流動(dòng)。

2.3 修正模型：從表象的分析到規(guī)律的發(fā)現(xiàn)

顯然，學(xué)生初建的模型是不完善的。此時(shí)，教師需要精心設(shè)計(jì)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生深度思維，修正模型，闡釋規(guī)律：（1）生態(tài)瓶中除可見(jiàn)的動(dòng)植物外，還有什么成分？其能量的來(lái)源與去路是什么？請(qǐng)修正你的模型（圖3）。（2）動(dòng)物糞便是未消化吸收的食物殘?jiān)S便中的能量來(lái)自哪里？攝入量與同化量有何關(guān)系？你能進(jìn)一步修正模型嗎？（圖4）此時(shí)，教師出示教材中的能量流動(dòng)示意圖（圖5），引導(dǎo)學(xué)生比較，使學(xué)生理解：生態(tài)系統(tǒng)作為一個(gè)開(kāi)放的能量耗散系統(tǒng)，其最終能量來(lái)源是太陽(yáng)能，流經(jīng)生態(tài)系統(tǒng)的總能量是生產(chǎn)者固定的太陽(yáng)能。系統(tǒng)內(nèi)的能量是通過(guò)各生物呼吸作用以熱能形式散失的。生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)能量傳遞的渠道是食物鏈和食物網(wǎng)，各營(yíng)養(yǎng)級(jí)傳遞的能量是該營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物同化的能量。

2.4 檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停簛?lái)自賽達(dá)伯格湖的真實(shí)數(shù)據(jù)

課堂中基于生態(tài)瓶的能量流動(dòng)的研究是通過(guò)思想實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的模型，缺少定量的實(shí)驗(yàn)研究。教學(xué)中，教師為學(xué)生提供了林德曼的賽達(dá)伯格湖和佛羅里達(dá)洲的銀泉的實(shí)驗(yàn)方法和分析數(shù)據(jù)，為學(xué)生檢驗(yàn)?zāi)Ｐ吞峁┦聦?shí)證據(jù)。

資料1：分析生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)，是把每個(gè)物種都?xì)w屬于一個(gè)特定的營(yíng)養(yǎng)級(jí)中，然后精確地測(cè)定每一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量的輸入值和輸出值。這種分析目前多見(jiàn)于水生生態(tài)系統(tǒng)。因?yàn)樗鷳B(tài)系統(tǒng)邊界明確，便于計(jì)算能量和物質(zhì)的輸入量和輸出量。整個(gè)系統(tǒng)封閉性較強(qiáng)，與周圍環(huán)境的物質(zhì)和能量交換量小，內(nèi)環(huán)境比較穩(wěn)定，生態(tài)因子變化幅度小。

資料2：1940年，美國(guó)生態(tài)學(xué)家林德曼對(duì)賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)進(jìn)行了定位定量測(cè)定，對(duì)湖泊生態(tài)各類生物有機(jī)體的生物量、各類生物有機(jī)體之間的營(yíng)養(yǎng)關(guān)系以及與無(wú)機(jī)環(huán)境之間的能量關(guān)系深入研究與分析，依據(jù)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了賽達(dá)伯格湖能量流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型（圖6）。

資料3：1957年，美國(guó)的生態(tài)學(xué)家H.T.Odum對(duì)佛羅里達(dá)洲的銀泉進(jìn)行了生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)級(jí)和能量流動(dòng)情況的調(diào)查，表1表示能流分析的結(jié)果。GP表示總同化量，NP表示凈積累量，R表示呼吸消耗量，NP=GP-R。

表1 銀泉的能量流動(dòng)分析結(jié)果（單位：102kcal·m-2·a-1）

通過(guò)資料1的學(xué)習(xí)，學(xué)生知曉生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的研究方法，理解選擇水域生態(tài)系統(tǒng)更易開(kāi)展定量分析。分析資料2的數(shù)據(jù)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)賽達(dá)伯格湖生產(chǎn)者固定的能量大部分未被利用。未利用的能量是未被呼吸作用散失，未被下一級(jí)利用，也未被分解者利用的能量。那么，為什么會(huì)有大量的未利用能量？這部分能量到哪里去了呢？教師引導(dǎo)學(xué)生分析獲得數(shù)據(jù)的時(shí)空，發(fā)現(xiàn)林德曼的研究是某一年的數(shù)據(jù)，這就不難理解每年每一營(yíng)養(yǎng)級(jí)都會(huì)有未被利用的能量。而賽達(dá)伯湖是泥碳型沼澤湖這一事實(shí)也幫助學(xué)生理解賽達(dá)伯湖大部分能量未補(bǔ)充利用能量的原因，這部分能量最終沉到湖底形成沉積物。在驗(yàn)證了生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)遵循能量守恒定律的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生用模型中的數(shù)據(jù)分析能量流動(dòng)逐級(jí)遞減的原因：生產(chǎn)者總光合量（464.6）—呼吸量（96.3）—分解者利用量（12.5）—未利用量（293）=初級(jí)消費(fèi)者同化量（62.8）（單位：J·cm-2·a-1）。

比較分析資料3，學(xué)生發(fā)現(xiàn)銀泉中的能量大部分用于呼吸作用散失了，說(shuō)明銀泉生物代謝速率更快。那么，不同生態(tài)系統(tǒng)的傳遞效率相同嗎？教學(xué)中，教師將學(xué)生分組，分別計(jì)算兩個(gè)不同生態(tài)系統(tǒng)中各營(yíng)養(yǎng)級(jí)間的能量傳遞效率（表2）。學(xué)生在比較中，思考賽格伯湖的能量流動(dòng)只有3個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)而銀泉有4個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的原因。在師生共同討論中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)者固定太陽(yáng)能的能力和生產(chǎn)者的傳遞效率是主要的影響因素。生產(chǎn)者的傳遞效率越高，食物鏈一般較長(zhǎng)，營(yíng)養(yǎng)級(jí)也就越多。學(xué)生在比較中認(rèn)同不同的生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)基本遵循1/10定律，也存在著差異性，從而理解生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性。

表2 賽達(dá)伯格湖、銀泉的能量傳遞效率

2.5 應(yīng)用模型：在遷移比較中整合

應(yīng)用模型解決新情境中的新問(wèn)題是深入理解模型本質(zhì)特征的策略，也是教學(xué)中進(jìn)行教學(xué)評(píng)價(jià)的基本途徑。分析人工魚(yú)塘生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)，可知生態(tài)系統(tǒng)的能量輸入不僅來(lái)自綠色植物固定的太陽(yáng)能，還來(lái)自人工輸入的現(xiàn)成有機(jī)物中的化學(xué)能。這是為什么？從能量傳遞的遞減性分析可知，人工輸入能量才能更好地維持魚(yú)塘高產(chǎn)量，保障消費(fèi)者對(duì)能量的需求。此時(shí)，教師出示能量流動(dòng)的普適圖（圖7），引導(dǎo)學(xué)生觀察從外向內(nèi)能量的輸入通道，從內(nèi)向外能量的輸出通道，進(jìn)一步鞏固生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的基本規(guī)律。同時(shí)，教師強(qiáng)調(diào)自然生態(tài)系統(tǒng)中由于可變因素很多，如年齡不同代謝速率不同、季節(jié)變化能量轉(zhuǎn)化率的差異對(duì)生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)是非常困難的。不同的生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)的效率也是存在差異的。

3 回歸情境的再思考

模型從情境中來(lái)，也應(yīng)回到情境中去。針對(duì)生態(tài)瓶，教師提出問(wèn)題：從能流角度分析，如何較長(zhǎng)時(shí)間維持生態(tài)瓶的穩(wěn)定性？為什么天然的花神湖比人工生態(tài)瓶的穩(wěn)定性更強(qiáng)？問(wèn)題的討論既是對(duì)能量流動(dòng)的規(guī)律的鞏固，更是為生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念與原理的學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。

情境中的學(xué)習(xí)過(guò)程是問(wèn)題解決的過(guò)程，是知識(shí)建構(gòu)的過(guò)程，也是知識(shí)遷移應(yīng)用的過(guò)程；其結(jié)果是培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。