基于“概念模型”的“生態系統的能量流動”復習課的教學設計

鄭美婷 韋紅群 韋朝滿

摘要：以人教版高中生物學教材中的3個“生態系統的能量流動”概念模型為主線，巧妙運用同屏技術和思維導圖進行生成性教學，引導學生在模型建構與模型變式的過程申對教材內容進行整合和升華，加深對“能量流動”過程的理解，完善知識體系，培養科學思維。

關鍵詞：生態系統的能量流動，概念模型，同屏技術，思維導圖，高中生物學

中圖分類號 C633.91文獻標志碼B

1 教材分析及設計思路

“生態系統的能量流動”是人教版高中生物學《必修3·穩態與環境》第五章第二節的內容，教材通過3個能量流動圖來呈現能量流動的過程和特點。這是本節的重點和難點，同時為學習物質循環和生態系統穩定性奠定基礎。考綱對該部分內容的考查要求較高，要求學生掌握能量在生物群落中流動的規律及運用，解釋食物網各營養級之間在個體數量、生物量和能量方面的聯系，幫助人們能夠更科學、更有效地利用生態系統中的資源。經過新課的學習，學生對生態系統中的能量流動過程已經有了一定的認識，理解了整個生態系統以及各營養級之間能量的來源、去路以及流動特點。但是，部分學生在有限的課堂時間內對3個能量流動圖的內在聯系把握不足。為幫助學生在高三復習中更好地理解能量流動的過程以及構建知識體系，筆者借助同屏技術和模型構建的方法引導學生對教材中這三個能量流動概念模型逐個進行透徹解讀，并在此基礎上變式能量流動模型，讓學生深入理解能量流動規律，突出重點，突破難點，巧借思維導圖形成知識網絡。

2 教學目標

①通過對能量流動內容的學習和理解，逐步認同能量與物質觀。②使用圖示等方式表征和說明能量流動的特征，并對相關的生態學實踐應用作出合理的分析和判斷。③從能量流動的角度預測和論證某一因素對生態系統的干擾可能引發的多種潛在變化。④分析和探討人類活動對自然生態系統動態平衡的影響以及人工生態系統帶來的經濟、生態和社會效益，并嘗試提出人與環境和諧共處的合理化建議。

3 教學過程

3.1 課前準備

課前，教師布置作業，要求學生根據圖1的提示，以生態系統的“能量流動”為主題詞，自己總結歸納，嘗試繪制詳細的思維導圖，構建知識框架。

3.2 展示考查頻率，引起重視

教師展示“生態系統的能量流動”內容在2014-2018年全國卷中的考查頻率（5年共出現了10題），讓學生通過數據直觀地認識到“生態系統的能量流動”考查頻率非常高，重視對該部分內容的復習。

3.3 能量流動概念模型的構建

教師按照教材中能量流動過程圖的順序，引導學生構建“能量流動”概念模型，讓學生深入理解能量流動規律。

3.3.1 視頻導入，吸引注意

教師播放剪接的關于能量流動去路的“人與自然”相關視頻，該視頻涉及了羚羊吃草、獵豹吃羚羊、獵豹排遺、獵豹呼吸、禿鷲吃動物遺體共6個自然現象。播放視頻前，教師提示學生注意觀察視頻中哪些現象體現了能量的哪些去向。視頻播放完后，教師引導學生分析出視頻體現了能量可以流向下一營養級，流向分解者，或以呼吸作用的形式散失。

3.3.2 構建“一來二去”概念模型

教師以視頻中的羊吃草為例，引導學生分析能量流經第二營養級過程，并將能量流經第二營養級概念模型簡化，如圖2所示，A是初級消費者攝入量，B是初級消費者同化量，C是用于生長發育和繁殖量，D是次級消費者攝入量。并引導學生得出三個等式關系：初級消費者攝入量=同化量+糞便中的能量;同化量：呼吸作用散失的能量+生長發育繁殖量;生長發育繁殖量：遺體殘骸+次級消費者攝入量。由于主干中的能量（最高營養級除外）都有一個來源和兩個去路，所以將能量流經第二營養級示意圖簡稱為“一來二去”圖，讓學生更直觀地看到主干中的能量都有一個來源（一個箭頭指進）和兩個去路（兩個箭頭指出）。在引導的過程中，教師使用同屏技術實現手機和電腦之間的同屏，利用該技術的標注功能對所講內容進行標注，讓學生能及時將目光聚焦到教師講解的內容上，快速獲取相關信息，提高教學的時效性。在接下來的教學環節中均用到該功能，不再贅述。

3.3.3 構建“一來三去”概念模型

教師提問：“一來二去”是從微觀的角度詳細展示能量流經第二營養級的過程。那么，從宏觀的角度整體分析，能量在流經生態系統多個營養級過程中又是如何輸入、傳遞、轉化和散失的呢？從而引發學生思考，引出生態系統能量流動示意圖，并將生態系統能量流動概念模型進行簡化，如圖3所示。D、E、F分別代表第一、第二、第三營養級同化量。師生一起分析該概念模型中主干中的能量均有一個來源和三條去路（最高營養級除外）：呼吸作用散失，流入下一營養級，分解者利用，簡稱為“一來三去”圖。然后，將圖2和圖3同時展示在同一張課件中，讓學生對比分析“一來二去”和“一來三去”的區別，引導學生得出兩個主要區別：①主干中的能量代表的含義不同，“一來二去”有攝入量，同化量和用于生長發育繁殖量，“一來三去”全是同化量。②“一來二去”關注局部，“一來三去”關注整體。

3.3.4 構建“一來四去”概念模型

教師展示賽達伯格湖的能量流動概念模型，讓學生模仿“一來三去”對該概念模型進行化簡，如圖4所示。由此圖學生可以很快發現賽達伯格湖的能量流動圖解只比“一來三去”圖多了一條去路，即“未利用”部分，因而很容易得出主干中的能量均有一個來源和四個去路。將該概念模型簡稱為“一來四去”圖，D、E、F分別代表第一、第二、第三營養級同化量。

較多學生對“未利用”部分的能量去向不夠明確，因而將“一來四去”再次化簡，如圖5所示.教師引導學生得出W₁和D₁均代表同化量，W₁等于A₁、B₁、C₁、D₁之和，學生較容易判斷出D₁是流向下一營養級的能量，B₁是暫未利用的能量。由于教材和大部分習題習慣于把呼吸作用散失的能量放在圖的上方，分解者利用放在圖的下方，學生容易形成慣性思維，認為A₁是呼吸作用，C₁是分解者利用。教師需進一步指出生物體的同化量大部分通過呼吸作用的形式散失了，流向分解者的能量只占了少量，從而幫助學生順利得出A₁代表分解者利用，C₁代表呼吸作用。最終，學生從這個圖中直觀得看出暫未利用的能量可以有“被自身呼吸作用消耗、流向下一營養級和流向分解者”3個去向。此時，教師指出暫未利用的能量被利用完后，就回到了“一來三去”圖，讓學生更好地理解“一來三去”和“一來四去”的區別與聯系。

3.4 能量流動概念模型的變式

高考題中很多題目源于教科書又高于教科書，因此，教師需要對課本中的圖進行變式，讓學生深刻理解所學知識，靈活應變。

（1）變式“一來二去”概念模型。

教材出現的是能量流經第二營養級示意圖，教師可提問：若將初級消費者攝入量改為生產者同化量，“一來二去”圖該如何變化？引導學生畫出能量流經第一營養級示意圖，如圖6所示。

（2）變式“一來三去”概念模型。

教材中出現的全是自然生態系統的能量流動圖解，教師可引入人工生態系統，對“一來三去”圖進行變式，如圖7所示。

在出示圖7之前，教師可提問：從“一來三去”圖中可以看出，生態系統的能量流動呈現出“單向流動，逐級遞減”的特點，那后一個營養級的同化量一定比前一營養級的同化量少嗎？引發學生思考，并引出圖7，促進學生分析出：在人工生態系統中，由于存在人為的補償輸入量，后一營養級的同化量可能比前一營養級的同化量更多，如圖7中的肉食動物的同化量比植食動物和生產者的同化量更多。接著，讓學生計算圖7中第二營養級到第三營養級的能量傳遞效率，大多數高考復習資料書將能量傳遞效率的計算公式寫為：（下一營養級同化量/上一營養級同化量）x100%，因此很多學生會錯誤地將第三營養級的補償輸入量列入計算范圍，或者第二第三營養級的補償輸入量均不考慮，導致計算失誤。因此，教師需強調：能量傳遞效率應等于（下一營養級同化上一營養級的同化量/上一營養級同化量）x100%。學生得出圖7中第二營養級到第三營養級的能量傳遞效率為[2.5x103kJ·m-2·a^-1/（85+14）x103kJ·m^-2·a^{-1-]x100%，從而學會正確的計算方法。}

教材中還出現了一個重要的人工生態系統——桑基魚塘，教師可借此生態系統說明能量利用率可以提高，能量傳遞效率不能提高。再通過分析桑基魚塘是一種將種桑、養蠶與池塘養魚相結合的生產經營模式，引導學生得出科學規劃、設計人工生態系統的意義是：幫助人們合理地調整生態系統中的能量流動關系，實現物質循環和能量的多級利用，使能量持續高效地流向對人類最有益的部分。

3.5 思維導圖小結課堂

高三復習注重夯實教材基礎知識，全面覆蓋所有考點，完善相應知識體系，因而通過思維導圖的形式進行課堂小結，如圖l所示。在小結時，教師通過同屏技術，利用希沃授課助手中的拍照上傳功能將幾個學生繪制的思維導圖展示到屏幕中，并進行實時點評，讓學生看到自己繪制的思維導圖中存在的優點與不足。在點評的過程中，其他學生對自己繪制的思維導圖的優缺點也有了清晰的認識。最后，學生課后繼續拓展和完善思維導圖，對能量流動涉及的知識進行有意義的建構。

4 教學反思

本節內容考查頻率高，內容繁雜，且學生容易混淆能量流動圖解。教師通過引導學生構建概念模型，并進行簡化，讓學生通過模型規律區別三個能量流動模型示意圖，快速判斷能量流動類型，提高解題效率;再對模型進行變式，減少學生對生態系統的能量流動知識的片面認識，使學生循序漸進地完善認知，并能夠活學活用。教師通過讓學生繪制思維導圖自主梳理教材知識點，發揮學生的主觀能動性，將零散知識重新優化組合，建構起更加堅實的知識體系。在整個教學過程中均使用同屏技術，將學生所學知識和出現的問題及時呈現在屏幕中，實時解決，提高了教學的時效性。