基于科學(xué)史和系統(tǒng)論的“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)”教學(xué)設(shè)計(jì)

朱靖

摘要 在“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)”一節(jié)的教學(xué)中，以真實(shí)情境展開(kāi)討論，探討生態(tài)系統(tǒng)研究的意義和方法，提升學(xué)生社會(huì)責(zé)任意識(shí);充分運(yùn)用科學(xué)史素材滲透系統(tǒng)論的思想和方法，使學(xué)生親歷林德曼的思維過(guò)程和探究歷程，從定性和定量?jī)蓚€(gè)角度建構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)模型，促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)，感悟科學(xué)精神，培養(yǎng)科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

關(guān)鍵詞 能量流動(dòng) 科學(xué)史 系統(tǒng)論 教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)C633. 91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

1 教材分析及設(shè)計(jì)思路

本節(jié)內(nèi)容以生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)生態(tài)系統(tǒng)的功能，能使學(xué)生更好地領(lǐng)悟系統(tǒng)觀、結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)和能量觀，建立大概念，了解系統(tǒng)分析的思想和方法，同時(shí)為“生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)物質(zhì)循環(huán)的自我調(diào)節(jié)機(jī)制維持穩(wěn)態(tài)”這一內(nèi)容的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，從而有助于學(xué)生樹(shù)立穩(wěn)態(tài)與平衡觀。因此本課內(nèi)容的學(xué)習(xí)對(duì)于學(xué)生樹(shù)立生命觀念、掌握系統(tǒng)論方法有著至關(guān)重要的作用。

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱《新課標(biāo)》）要求學(xué)生“分析能量在生物群落中單向流動(dòng)并逐級(jí)遞減的規(guī)律;舉例說(shuō)明利用能量流動(dòng)規(guī)律，人們能夠更加科學(xué)、有效地利用生態(tài)系統(tǒng)中的資源;對(duì)相關(guān)的生態(tài)學(xué)實(shí)踐應(yīng)用作出合理的分析和判斷”。為更好地體現(xiàn)《新課標(biāo)》要求及生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，在本課教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)擬作四個(gè)方面的嘗試：①有機(jī)滲透系統(tǒng)論的思想和方法以更好的體現(xiàn)科學(xué)探究;②設(shè)計(jì)模型建構(gòu)的學(xué)生活動(dòng)以更好的體現(xiàn)科學(xué)思維;③分析生態(tài)系統(tǒng)中核心要素間的相互關(guān)系及能量流動(dòng)的特點(diǎn)和規(guī)律，促進(jìn)學(xué)生更好的領(lǐng)悟系統(tǒng)觀、物質(zhì)與能量觀;④組織學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)討論“稻魚(yú)共生系統(tǒng)”等生產(chǎn)實(shí)踐中的問(wèn)題，以提升學(xué)生的社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

本節(jié)課以三個(gè)核心問(wèn)題構(gòu)建課堂教學(xué)主線：為什么要對(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究？如何研究生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的規(guī)律？怎樣應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的知識(shí)解決生產(chǎn)實(shí)踐中的問(wèn)題？并運(yùn)用“林德曼對(duì)賽達(dá)伯格湖能量流動(dòng)的研究”這一科學(xué)史素材，設(shè)計(jì)層次性問(wèn)題串，以問(wèn)題教學(xué)法和討論式教學(xué)為主要教學(xué)方法。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）通過(guò)討論生態(tài)系統(tǒng)四大要素間的相互關(guān)系，分析生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的特點(diǎn)和規(guī)律，逐步樹(shù)立系統(tǒng)觀、物質(zhì)與能量觀。

（2）通過(guò)分組討論分析科學(xué)史素材，嘗試從定性和定量?jī)蓚€(gè)角度建構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)模型，發(fā)展科學(xué)思維能力。

（3）通過(guò)稻魚(yú)共生系統(tǒng)情境的問(wèn)題討論，簡(jiǎn)述對(duì)宏觀生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究的意義，初步學(xué)會(huì)系統(tǒng)論的科學(xué)方法，提升科學(xué)探究能力。

（4）通過(guò)參與討論稻魚(yú)共生系統(tǒng)等生產(chǎn)實(shí)踐中的問(wèn)題，了解研究生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的實(shí)踐意義，樹(shù)立社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

3 教學(xué)過(guò)程

3.1 創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，介紹系統(tǒng)論的研究方法

教師出示浙江省青田縣“稻魚(yú)共生系統(tǒng)”的照片并作簡(jiǎn)單介紹，提出問(wèn)題：稻魚(yú)共生系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的單稻系統(tǒng)有什么優(yōu)勢(shì)？養(yǎng)多少魚(yú)合適？學(xué)生認(rèn)為稻田養(yǎng)魚(yú)可以提高收益，節(jié)約成本，但鯉魚(yú)會(huì)破壞水稻根系，因此養(yǎng)魚(yú)的數(shù)量需對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行研究后測(cè)算。教師提出新問(wèn)題：生態(tài)系統(tǒng)是由許多成分組成的復(fù)雜整體，通過(guò)什么方法研究其結(jié)構(gòu)與功能？學(xué)生回顧常用的觀察法與實(shí)驗(yàn)法，認(rèn)為二者主要適用于個(gè)體水平的研究，對(duì)于宏觀又復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)僅通過(guò)這兩種研究方法并不合適。接著，教師以汽車研發(fā)為例，說(shuō)明研究汽車這一復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)人們按結(jié)構(gòu)與功能將其分成發(fā)動(dòng)機(jī)等四大部分，即組成汽車的四大核心要素，再通過(guò)研究這四大要素間的關(guān)系來(lái)研究整輛汽車的結(jié)構(gòu)與性能。學(xué)生通過(guò)類比說(shuō)出組成生態(tài)系統(tǒng)的四大核心要素、其分類的依據(jù)、各要素之間的聯(lián)系，運(yùn)用這種要素分析的方法研究整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。教師進(jìn)而介紹系統(tǒng)論的概念、核心思想與研究目的，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)論的基本方法——要素分析法。

設(shè)計(jì)意圖：教師以真實(shí)情境導(dǎo)入，引導(dǎo)學(xué)生探討生態(tài)系統(tǒng)研究的重要性。以汽車研發(fā)為例，使學(xué)生了解系統(tǒng)論的思想、方法及其對(duì)宏觀對(duì)象研究的重要作用，指向科學(xué)本質(zhì)教育，提升學(xué)生科學(xué)思維能力。

3.2 深入挖掘科學(xué)史素材，分析生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的規(guī)律

3.2.1 林德曼選擇賽達(dá)伯格湖為研究對(duì)象的原因分析

教師出示森林、草原、荒漠、苔原、河流、湖泊、海洋的圖片，提出問(wèn)題：選哪種類型的生態(tài)系統(tǒng)作為研究對(duì)象較合適？為什么？學(xué)生通過(guò)討論認(rèn)為湖泊范圍小、邊界清楚、成分相對(duì)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，因此最便于研究。教師出示1941年林德曼的“一個(gè)老年湖泊內(nèi)的食物鏈動(dòng)態(tài)”研究報(bào)告原文摘錄，學(xué)生通過(guò)閱讀了解林德曼選擇賽達(dá)伯格湖的原因。教師介紹林德曼的生平、研究成果及其價(jià)值。

設(shè)計(jì)意圖：各類生態(tài)系統(tǒng)特征的比較分析發(fā)展學(xué)生批判性思維，突出了合理的研究對(duì)象選擇對(duì)于研究成功與否的重要性。學(xué)生閱讀科學(xué)史文獻(xiàn)，體會(huì)科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式。教師介紹林德曼生平，使學(xué)生感悟科學(xué)家刻苦鉆研、勇于奉獻(xiàn)的科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度。

3.2.2 林德曼對(duì)賽達(dá)伯格湖的要素分析

學(xué)生閱讀林德曼研究報(bào)告的原文摘錄，了解賽達(dá)伯格湖生態(tài)系統(tǒng)的各要素及要素間的相互關(guān)系，舉例說(shuō)出生物與生物、生物與環(huán)境之間的關(guān)系。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生嘗試像科學(xué)家一樣運(yùn)用系統(tǒng)分析法進(jìn)行思考，通過(guò)閱讀與分析科學(xué)史資料，了解賽達(dá)伯格湖各要素間的聯(lián)系，為能量流動(dòng)模型的建構(gòu)打下基礎(chǔ)。

3.2.3 對(duì)賽達(dá)伯格湖能量流動(dòng)的定性分析

教師提問(wèn)：能否將動(dòng)植物進(jìn)一步歸類從而簡(jiǎn)化林德曼研究報(bào)告中的要素關(guān)系圖？學(xué)生將生物歸納為生產(chǎn)者、初級(jí)消費(fèi)者、次級(jí)消費(fèi)者3個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)。學(xué)生分組討論，用箭頭和文字表示出各營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量的來(lái)源和去向，并思考：生態(tài)系統(tǒng)的能量以什么過(guò)程和形式輸入群落？能量以什么過(guò)程和形式輸出群落？能量在群落中沿什么途徑傳遞？傳遞方向如何？學(xué)生展示并交流討論結(jié)果，通過(guò)同學(xué)間的相互補(bǔ)充和糾正，最終構(gòu)建賽達(dá)伯格湖能量流動(dòng)的定性分析模型（圖1），歸納出能量沿著食物鏈單向流動(dòng)的傳遞特點(diǎn)。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生以合作學(xué)習(xí)的方式理清各營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量的輸入和輸出過(guò)程。運(yùn)用系統(tǒng)論的方法建構(gòu)能量流動(dòng)定性分析模型，提升學(xué)生的科學(xué)思維能力，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，為定量分析模型的建構(gòu)做鋪墊。同時(shí)，通過(guò)分組討論、小組匯報(bào)與學(xué)生點(diǎn)評(píng)的一系列活動(dòng)，學(xué)生提升了表達(dá)交流能力。

3.2.4 對(duì)賽達(dá)伯格湖能量流動(dòng)的定量分析

教師介紹林德曼通過(guò)湖泊中取樣研究、實(shí)驗(yàn)室生態(tài)箱模擬的方法對(duì)各營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量的去向進(jìn)行定量測(cè)定，并出示林德曼研究報(bào)告的原文摘錄（表1）。教師要求學(xué)生將表1中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)填入定性分析模型中，構(gòu)建賽達(dá)伯格湖能量流動(dòng)的定量分析模型，并討論：消費(fèi)者同化量是否等于攝入量？?jī)烧哂泻螀^(qū)別？第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)產(chǎn)生的糞便中的能量包含在哪部分里面？流入該生態(tài)系統(tǒng)的總能量是多少？能量沿著食物鏈逐級(jí)傳遞過(guò)程中有何變化？

學(xué)生閱讀林德曼文獻(xiàn)中的賽達(dá)伯格湖能量傳遞效率表（表2），發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)者對(duì)太陽(yáng)能的利用率其實(shí)非常低，大量太陽(yáng)能未輸入群落被生物所利用，因此賽達(dá)伯格湖生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的起點(diǎn)準(zhǔn)確地說(shuō)是生產(chǎn)者通過(guò)光合作用固定的太陽(yáng)能。學(xué)生計(jì)算各營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的能量傳遞效率，將表2中的數(shù)據(jù)填寫(xiě)完整。學(xué)生得出結(jié)論：沿著食物鏈能量逐級(jí)遞減且傳遞效率一般在10%-20%。

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生以定性分析為基礎(chǔ)進(jìn)行定量分析，使學(xué)生親歷林德曼的研究歷程，體會(huì)科學(xué)家的思考方式，掌握定量研究的基本過(guò)程。學(xué)生通過(guò)定量分析模型的建構(gòu)與計(jì)算，歸納能量傳遞的規(guī)律與傳遞效率，提升科學(xué)思維能力。

3.3 結(jié)合真實(shí)情境，探討研究生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)規(guī)律的實(shí)踐意義

教師提問(wèn)：以“稻魚(yú)共生系統(tǒng)”為例，談?wù)勓芯可鷳B(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)規(guī)律有什么意義？學(xué)生認(rèn)為可以依據(jù)能量流動(dòng)規(guī)律規(guī)劃人工生態(tài)系統(tǒng)，更好地實(shí)現(xiàn)人們對(duì)能量的利用.以獲得更多的收益。學(xué)生分組討論提高生態(tài)系統(tǒng)能量利用率的措施，通過(guò)討論與交流得出：一方面可以增加能量的來(lái)源，如杭州東站屋頂?shù)墓夥l(fā)電設(shè)備不僅能提高太陽(yáng)能利用率，還能減少不可再生能源的利用，減少CO2排放;另一方面可以提高生物的能量利用率，如改變生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)能量多級(jí)利用、通過(guò)基因工程的手段改良消費(fèi)者的基因或培育光能利用率高的轉(zhuǎn)基因作物等。教師出示資料并介紹：浙江青田縣稻魚(yú)共生系統(tǒng)和浙江湖州桑基魚(yú)塘系統(tǒng)分別于2005年和2017年被列為“全球重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)”。但目前由于稻魚(yú)共生系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益并不十分明顯，因此處于瀕危狀態(tài)已是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。對(duì)此請(qǐng)學(xué)生提出一些可行的建議以更好地發(fā)展并推廣稻田養(yǎng)魚(yú)事業(yè)。

設(shè)計(jì)意圖：將科學(xué)原理與真實(shí)情境相結(jié)合，探討研究的實(shí)踐意義，體現(xiàn)科學(xué)與社會(huì)之間的緊密聯(lián)系，有助于樹(shù)立學(xué)生社會(huì)責(zé)任意識(shí)。通過(guò)討論提高能量利用率的措施，發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維能力。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課以“稻魚(yú)共生系統(tǒng)”這一真實(shí)情境導(dǎo)入，讓學(xué)生意識(shí)到自己原有的知識(shí)體系無(wú)法解釋情境中的問(wèn)題，產(chǎn)生認(rèn)知沖突，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生探索欲望并意識(shí)到學(xué)習(xí)新科學(xué)知識(shí)的重要性。結(jié)尾處通過(guò)該情境一系列問(wèn)題的討論，使學(xué)生理解所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用價(jià)值，嘗試運(yùn)用能量流動(dòng)的原理與規(guī)律解決現(xiàn)實(shí)中的問(wèn)題，提出更好的建議、決策，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)社會(huì)的關(guān)注，提高運(yùn)用知識(shí)的意識(shí)和能力，培養(yǎng)學(xué)生擔(dān)當(dāng)社會(huì)責(zé)任。

大多教師在科學(xué)史運(yùn)用上更注重研究結(jié)果，忽略科學(xué)史中蘊(yùn)含的科學(xué)家的思維過(guò)程、方法運(yùn)用和探究精神。因此本課深入挖掘科學(xué)史素材，呈現(xiàn)給學(xué)生較為完整的林德曼研究的過(guò)程與想法，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣經(jīng)歷確定研究對(duì)象、選擇研究方法、要素分析、定性分析、定量分析、得出規(guī)律的探究歷程與思維過(guò)程，了解目前所知的科學(xué)知識(shí)是如何形成的，領(lǐng)悟科學(xué)家解決問(wèn)題的思路和運(yùn)用的科學(xué)方法，進(jìn)而體現(xiàn)科學(xué)史的內(nèi)在價(jià)值，促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解，發(fā)展科學(xué)思維與探究能力，培養(yǎng)科學(xué)精神。

本節(jié)課重視科學(xué)本質(zhì)與科學(xué)方法的教育，通過(guò)情境與案例使學(xué)生了解并運(yùn)用系統(tǒng)論的思想與方法，樹(shù)立系統(tǒng)觀。教學(xué)過(guò)程突出了系統(tǒng)論方法的運(yùn)用，從定性和定量?jī)蓚€(gè)角度逐步建構(gòu)賽達(dá)伯格湖生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)模型，滲透了模型和系統(tǒng)論的科學(xué)方法，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)多元化的科學(xué)方法的認(rèn)識(shí)，提升了學(xué)生歸納、概括、分析、建模等科學(xué)思維能力，有助于生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

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