在“生態系統能量流動”教學中滲透建模思維及生態保護理念

王美霞 侯妹仿

（北京市密云區第二中學 北京 101500）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》明確提出生物學科核心素養包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任［1］。教師要在課程標準的指導下在教學實踐中促進學生發展這4 個維度的核心素養。模型與建模是一種重要的科學思維，在教學過程中鼓勵學生基于生物學事實和證據，運用建模的思維方法闡釋生命現象及規律［2］，利用建立的模型解釋和預測相似的生物學問題和現象。“生態系統能量流動”一節需要學生建立能量流動模型，總結能量流動規律，并應用解決實際問題，是培養學生模型與建模等科學思維的典型案例。

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》在本部分的教學建議中提出可調查或探討當地某個生態系統的物質循環、能量流動，使用圖示等方式表征和說明生態系統的物質循環、能量流動和信息傳遞，并對相關的生態學實踐應用作出合理的分析判斷，提高環境保護意識［1］。作為北京市密云區的學生，密云水庫與其生活聯系密切，很多學生就生活在水庫周邊，對密云水庫的保護措施比較熟悉，但并不了解措施背后的生態學原理。

基于以上分析，在教學中組織學生借助中國知網等完成與密云水庫相關的4 個調查報告并在課堂上進行交流，讓學生對密云水庫生態環境和經濟發展有更全面的了解。然后教師對相關資料進行整理，匯編為課堂使用的導學案，創設真實教學情境，指導學生建立能量流動概念模型和數學模型，并分析模型總結規律，應用規律分析密云水庫生態保護措施的合理性，更加了解和熱愛自己的家鄉，樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的生態保護理念。

1 建立生態系統能量流動模型，滲透建模思維

1.1 初步建立能量流動概念模型和數學模型在生態系統結構教學中，指導學生建立密云水庫生態系統結構圖（圖1），明確水庫中主要生物類群及生物與環境之間的關系，初步建立物質與能量觀。在學習物質循環之后提出問題：能量在水庫生態系統中是如何流動的？明確建立模型的目的是研究能量流動的規律。

圖1 密云水庫生態系統結構簡圖

細胞和個體水平的物質能量變化是群體水平物質能量變化的基礎，所以課前讓學生復習光合作用和呼吸作用，明確自然界中有光能、儲存在有機物中的化學能、熱能等能量形式，理解在細胞水平上不同能量之間的轉化。

1.1.1 建立概念模型 在教學中引導學生分析密云水庫一條食物鏈上每個營養級能量的來源和去向，并比較輸入每個營養級能量的大小，思考每條食物鏈能量流動過程是否都一樣。學生發現由于每條食物鏈的組成成分相同，所以能量流動過程都一樣，可將食物鏈上的具體生物換為組成成分，據此提出一個能量流動模型以反映能量流動規律。在建立模型時要求學生用箭頭的粗細表示輸入某營養級能量的多少，用長方形面積的大小表示某個營養級同化能量的多少（圖2）。學生經歷了從特殊到一般的思維過程，在構建概念模型中發現營養級越高同化的能量越少，初步發現了能量流動逐級遞減的規律。

1.1.2 建立數學模型 在學生建立概念模型的基礎上，將模型中每一營養級同化的能量、呼吸作用散失的熱能、分解者利用的能量分別用字母A、R、V 表示，用n 表示營養級。引導學生用語言表述A、R、V 的含義，并尋找A1、A2、A3、R1、R2、R3、V1、V2、V3 之間的數學關系（圖2），在此基礎上歸納出數學公式An=An+1+Rn+Vn，用數學模型反應能量流動的規律。

圖2 生態系統能量流動模型

1.2 檢驗和修正能量流動模型 模型是否準確需要實踐檢驗，需要進行定量研究調查公式中的各個能量值，引導學生用林德曼的賽達伯格湖研究結果檢驗前面建立的能量流動模型。

通過比較，學生將未利用的能量（用字母F 表示）添加到概念模型上，并將數學模型修正為An=An+1+Rn+Vn+Fn。接著讓學生用賽達伯格湖的具體數據驗證數學模型的正確性。學生在驗證中就會發現，如果n 不是最高營養級，會被天敵捕食從而使部分同化的能量流動到下一個營養級，則：An=An+1+Rn+Vn+Fn；如果n 是最高營養級，不被捕食，同化的能量不能流動到下一個營養級，則：An=Rn+Vn+Fn。至此，學生通過活動不但建立了生態系統能量流動的概念模型和數學模型（圖2），還很好地滲透了建模的思想方法。

2 研究模型，歸納能量流動概念和規律

根據模型，引導學生思考在生物群落和無機環境之間，以及在生物群落內部能量是怎樣流動的。經過逐步建立模型，學生可很好地理解通過生產者的光合作用光能從無機環境輸入到生物群落，轉化為化學能沿著營養級逐級傳遞，最后通過生物的呼吸作用轉化為熱能散失到無機環境，不能再利用。進而總結得出能量流動是指生態系統中能量的輸入、傳遞、轉化和散失的過程，同時發現能量單向流動不可循環的規律。

引導學生對數學模型進一步推理An+1=An-Rn-Vn-Fn，得出An+1＜An，并解釋原因，真正理解能量流動逐級遞減的規律。利用賽達伯格湖的能量流動圖，計算能量在2 個營養級之間的傳遞效率An+1／An，發現相鄰2 個營養級之間的傳遞效率是10%～20%，并建立能量金字塔。

最后啟發學生思考賽達伯格湖輸入的總能量、輸出的總能量，以及該湖泊所處的演替階段，從系統分析的角度理解一個湖泊的能量流動狀態決定了湖泊的發展階段。

3 應用能量流動規律解決實際問題，滲透生態環保理念

結合密云水庫保護的實際情況，向學生出示以下資料。

資料1：2016—2018年密云水庫蓄水量從10 億m3漲到22 億m3，目前水深146 m，水面131 km2。水量增加為水質安全帶來挑戰，水庫管理中心設立46 個監測站［3］，每周檢測水庫中浮游植物、浮游動物、底棲動物的生物量（單位面積內生物的總重量），以反映密云水庫水質的富營養化程度，防止水華的爆發。

資料2：密云水庫每年在4月1日—9月30日的休漁期投放魚苗。2016年增殖放流鰱魚4.21×105kg、鳙魚1.29×105kg、魴魚2×104kg，共計放流凈水魚類5.72×105kg。2017年增殖放流鰱魚5.36×105kg、鳙魚2.26×105kg、魴魚2.1×104kg，共計放流凈水魚類7.83×105kg。2018年增殖放流情況與2017年相同。

資料3：水華的爆發主要是由于藍藻等大量繁殖造成的，鰱魚和鳙魚是濾食性魚，以浮游動植物為食，一條1 kg 左右的鰱魚1 個月能吃掉2 kg 藍藻，同樣大小的一條鳙魚，1 個月能消耗3.66 kg 藍藻。

根據資料，讓學生從生態保護和經濟效益的角度思考以下3 個問題：1）為什么要投放濾食性魚而不是肉食性魚？2）從密云水庫的營養結構分析，每年的最佳魚苗增殖放流量是如何確定的？3）有人認為每年增殖放流魚苗增加了經濟成本，破壞了水庫原有營養結構，應該停止投放魚苗，在開漁期適量捕撈水庫原有魚類，你同意嗎？請說明理由。

以上3 個問題來源于實踐，也是學生在做調查報告時自己提出的。濾食性魚捕食藻類，防止水華發生，凈化水質。肉食性魚類捕食濾食性魚類，使藻類大量增殖，加重水庫富營養化。肉食性魚類營養級較高，獲取的能量少，產量低。所以投放濾食性魚是生態與經濟并舉的措施，既能防止水華的發生，還能獲得最大經濟效益。根據資料1 的信息和能量傳遞規律，每年的增殖放流量是根據上一營養級即浮游植物的生物量計算得出的。通過定期的適量投放和捕撈魚類，調整了水庫營養結構和能量流動關系，使第一營養級中藍藻的能量通過濾食性魚類離開水庫，既保護水庫水質，又使部分能量持續高效流向人類。如果不適當增加能量的輸入，只一味地捕撈，可能會導致能量輸出大于輸入，破壞水庫生態系統穩定性。

該教學環節不僅培養學生獲取信息應用所學知識解決真實問題的能力，同時使學生更加了解自己的家鄉，樹立依自然規律參與生態保護實踐的理念。學生還可利用自己的知識向身邊人傳播生態保護的理念，幫助百姓理解政府的各種水庫保護措施，深刻體會綠水青山就是金山銀山的生態保護理念。

4 教學反思

生物學核心素養是學生在解決真實情景中的實際問題時所表現出的價值觀念、必備品格和關鍵能力［1］。教師在教學中圍繞教學主題，借助當地生態資源，創設真實情境，提出真實問題，在活動中留充足的時間讓學生真正解決問題。在邏輯嚴密的學習環節中滲透了模型與建模的科學思維和生態與經濟并舉的生態環保理念。不足之處是由于季節和安全原因，沒有組織學生實地調查，在以后的教學中可根據實際情況組織學生到密云水庫進行實地的調查研究。