基于科學思維的概念教學設計

丘城鋒

摘要：基于學生的認知動機、認知行為、認知方式和認知品質，運用分析與綜合、模型與建模和批判性思維等科學思維方法對“能量流動”的概念進行構建。

關鍵詞：科學思維 能量流動 概念教學

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：B

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》的基本理念以發展學生的學科核心素養為宗旨，課程的設計和實施追求“少而精”原則，內容聚焦大概念，精簡容量、突出重點、明確學習要求，讓學生能夠深刻理解和應用重要的生物學概念，發展生物學學科核心素養。“科學思維”是生物學學科核心素養之一，是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。生物學概念建構的過程就是學生逐步發展科學思維，基于生物學事實和證據去探索求知，獲取新知識的過程。

1教材和學情分析

“生態系統的能量流動”是人教版高中生物教材《必修3·穩態與環境》中第五章第二節的內容，是生態系統的三大功能之一。在學習該功能之前，學生己建立了物理學的能量、能量傳遞、能量守恒等基本概念，己具備生物學中光合作用和呼吸作用的物質與能量轉換觀念，己進行種群、群落、生態系統組成成分和營養結構的學習。教師通過上述知識鋪墊，激發、培養、發展和完善學生的科學思維，聚焦能量流動概念的內涵并拓展其外延（表1）。

2教學目標

①通過構建能量流動概念，理解生態系統的能量流動過程，形成物質與能量觀。

②通過構建能量流動概念模型，發展分析與綜合、模型與建模、批判性思維等科學思維能力。

③通過數學方法分析賽達伯格湖的能量流動圖解，運用同位素示蹤法演繹推理能量流動過程，提升科學分析的能力。

④通過用能量流動規律解釋研究能量流動的意義，形成人與自然和諧發展以及可持續發展的觀念。

3教學設計思路

科學思維是人類對自然界中客觀事物的一種認知動機、認知行為、認知方式和認知品質的反映。本節課的教學思路是對能量流動的概念進行提煉和升華：提煉過程要營造事實情境、尊重科學證據、運用科學思維加工和形成概念;升華過程包括提出觀點去解釋生活現象，運用方法去解決生活問題，進而提升對概念的認知品質（圖1）。

4教學過程

4.1營造事實情境，激發認知動機

教師組織學生調查廣州白云山森林生態系統的能量流動情況。為使調查更具有科學性和目的性，調查前，教師提出以下問題：科學家是如何研究生態系統的能量流動？能量是怎樣輸入生態系統？不同營養級的生物是如何獲取能量？能量在不同營養級之間流動的渠道是什么？這些問題直指調查的方法和目的，明確學生的調查任務。

學生搜集資料，發現科學家研究能量流動的常用方法有直接觀察法、腸胃分析法和同位素示蹤法，學生比較3種方法后，結合調查的實際情況，采用直接觀察法調查白云山森林生態系統的組成成分，分析各種成分之間的結構聯系，并初步探討該生態系統的能量流動途徑和過程。最后，教師引導學生將各自列舉的食物鏈（網）進行綜合歸納，構建白云山森林生態系統最基本的能量流動模型：太陽光一生產者一初級消費者一次級消費者。教師依此事實情境，激發學生“崇尚真知，追求科學知識”的認知動機。

4.2依據科學證據，引發認知行為

激發學生的認知動機后，教師可將教材中林德曼的研究資料作為科學證據，指導學生分析賽達伯格湖的能量流動圖解中的數據并以表格的形式呈現（表2）。設置表格時，需引導學生明確表格的表題、行標和列標。學生對數據進行處理和分析后，設置下列問題：不同營養級的生物能量流動的具體過程有哪些？每一營養級“流入”的能量和“流出”的能量是否平衡？流經上一營養級的能量為什么不能100%傳遞給下一個營養級？教師依據林德曼的科學證據，引發學生探析生態系統能量流動過程的認知行為，使學生初步得出能量流動的過程和能量在食物鏈中單向流動、逐級遞減的特點。

4.3運用科學思維.發展認知方式

科學的思維方法包括分析與綜合、模型與建模和批判性思維等，是形成概念的重要方法。結合科學事實與證據，教師引導學生運用多種科學思維的方法去理解能量流動的本質和構建“能量流動”的概念模型，進而發展學生的認知方式。

4.3.1分析與綜合

分析是把研究對象的整體分解為各個組成部分，分別進行研究的思維方法。綜合是在分析的基礎上，從整體上把握事物的屬性和本質，是思維的延續和發展。依據賽達伯格湖的能量流動圖解，教師引導學生從生態系統能量的最初來源——太陽能入手來分析，根據光合作用和呼吸作用的關系，分析能量在第一營養級的流動情況。接著，引導學生比較能量輸入消費者與生產者的不同之處，根據消費者的同化量和攝入量的關系，剖析能量在第二營養級流動過程。以此類推，得出各級消費者能量流動的共性，再綜合概括生態系統中各營養級能量的來源和去向（圖2）。

4.3.2模型與建模

模型能反映事物的本質特征和共同屬性，能說明認知對象的結構組成、過程特點及規律。建模有助于學生抓住事物的關鍵要素，解釋生物現象和過程，加深對概念的理解，形成系統思維。

構建生態系統的能量流動模型過程中，各營養級能量的來源和去向是本節課學生理解的難點。教師以“同位素標記法”為研究思路，為學生提供思維的切入點，借助物質為能量的載體去分析能量的來源和去向，演繹推理以¹⁴C為標記的CO2同位素在白云山生態系統中不同組成成分出現的先后順序、方式來分析能量在該生態系統中的流動過程（圖3），同時培養學生的物質與能量觀。

學生根據圖2和圖3構建“四向能量流動圖”。教師提出問題：未被利用的能量儲存在哪里？時間足夠長的情況下，未被利用的能量又會去哪里？這樣使學生認識到“四向能量流動圖”是“三向能量流動圖”（圖4）在時間屬性上的變形。依據同位素標記法的分析，流入下一營養級和分解者分解的能量均來自于上一營養級生長、發育和繁殖的能量，據此構建“二向能量流動圖”（圖5）。學生通過“多向能量流動圖”可以更為清晰地理解能量流動的去向。

結合賽達伯格湖的能量流動圖解和白云山生態系統的“同位素標記法”的演繹推理，教師促進學生運用分析與綜合、模型與建模的科學思維方法分析各營養級能量的來龍去脈，可有效地培養學生的科學思維，并對“能量流動”的概念進行提煉。依托對各營養級同化的能量去向分析，最終構建生態系統能量流動的概念模型（圖6）。

4.4培養批判精神，提升認知品質

構建能量流動概念模型的過程中，需培養學生敢于用質疑批判的精神去發現、分析和解決問題，提升學生的認知品質。例如，在講授“能量單向流動的特點”時，學生提問：“人食用秸稈培育的食用菌，這是否符合能量單向流動的特點？”學生指出，食用菌作為分解者，得出人食用菌類不符合能量單向流動的特點。此時，教師引導學生拓展食物鏈除具有捕食鏈、還有寄生鏈和腐生鏈，指出“農作物秸稈一食用菌一人”的食物鏈是腐生鏈。學生由此可理解，腐生鏈中生物的能量同樣沿著營養級流動，遵循能量單向流動的特點。借此腐生鏈，教師可進一步引導學生理解能量流動的意義：農民對秸稈的處理通常是直接燃燒，致使能量浪費和環境污染，而利用秸稈培育食用菌，可以實現能量的多級利用，提高能量利用率，使能量流向對人類有益的部分，促進人與自然和諧，可持續發展。

此外，教師還可以讓學生運用質疑和批判的精神去解釋生活現象：飼養植食性動物成本低，產量高;農田農作物種植需及時清除雜草和蟲子;老虎和獅子等肉食動物容易成為瀕危物種;食物鏈（網）各營養級之間在個體數量、生物量和能量方面呈金字塔形的原因。學生嘗試將所學知識運用于生活情境中，解決實際問題，提升對“能量流動”的認知品質。

5教學反思

在構建“能量流動”概念的教學活動中，學生對概念的認知動機、認知行為、認知方式和認知品質是逐漸提升的，體現科學思維的邏輯層次。教師立足學生的認知水平，引導學生調查白云山森林生態系統能量流動情況，結合林德曼的科學證據與同位素標記法的演繹推理構建能量流動的概念，并運用多種科學思維的方法說明生態系統中能量流動的過程和特征，能對相關的生態學實踐應用作出合理的分析和判斷。