基于5E教學模式的“生態系統的物質循環”教學設計

摘要：運用SE教學模式對“生態系統的物質循環”進行教學設計，精心設計吸引、探究、解釋、遷移和評價五個環節，創設真實問題情境，開展小組合作探究。學生通過問題引導討論完善碳循環模型；通過分析比較能量流動和物質循環的聯系發展科學思維；通過遷移應用和多元評價理解和掌握生物學概念，形成生命觀念并以解決實際問題，提升社會責任。

關鍵詞：SE教學模式；模型建構；物質循環

文章編號：1003-7586（2024）03-0023-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

1 設計理念

5E教學模式提出的一種基于建構主義思維的教學模式，包括吸引（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）、評價（Evaluation）五個環節。將5E教學模式運用于高中生物學教學中，有助于提升學生對生物學學科的學習興趣和學習效果，進而落實生物學學科核心素養。

“生態系統的物質循環”是人教版普通高中教科書《生物學·選擇性必修2·生物與環境》（以下簡稱“教材”）第3章第3節的內容，隸屬于大概念“生態系統中的各種成分相互影響，共同實現系統的物質循環、能量流動和信息傳遞，生態系統通過自我調節保持相對穩定的狀態”。本節重要內容涵蓋重要概念“生物群落與非生物的環境因素相互作用形成多樣化的生態系統，完成物質循環、能量流動和信息傳遞”。學生已經學習了生態系統的結構成分和能量流動，能夠意識到生態系統是一個由生物成分和非生物成分構成的整體，能量流動沿著食物鏈進行傳遞，為本節課物質循環內容的學習奠定了良好地基礎。5E教學模式可探查學生對前概念的掌握程度，激起探究的沖動，培養科學思維，進一步幫助學生實現重要概念的建構和運用。

2 設計思路

基于SE教學模式的“生態系統的物質循環”實踐設計思路如圖1所示，具體表現為：教師以生活中的真實體驗為情境，調動學生的學習興趣，激發學生的學習內驅力，展開小組合作探究；通過系列問題引導學生展開討論完善碳循環模型；通過分析比較能量流動和物質循環的聯系，逐步發展科學思維。最終，學生在遷移應用和多元評價中較好地理解和掌握生物學概念，形成生命觀念。

3 教學目標

（1）通過分析“碳先生”（擁有不同的表現形式，含有碳元素的物質均可以稱為“碳先生”）旅行的路線圖，構建碳循環模型，學生能概述物質循環和生物富集等的生物學概念（生命觀念、科學思維）。

（2）通過建構與完善碳循環模型，學生能樂于并善于團隊合作，發展綜合分析能力和邏輯思維能力（科學思維、科學探究）。

（3）通過比較能量流動和碳循環的模型，學生能理解和辨析能量流動和物質循環的區別與聯系（生命觀念、科學思維）。

（4）通過分析物質循環與農業生產的關系，學生進一步分析物質循環在“雙碳目標”中的應用，逐步養成低碳生活、綠色出行的生活意識和習慣（科學思維、社會責任）。

4 教學過程

4.1 吸引——創設情境，討論建模

教師創設情境，提出問題。體育課上，同學們在操場上運動時，呼出了很多CO2分子。想象一下，這些CO2分子離開后，會開始怎樣的“旅行”？教師布置任務：請以小組為單位，想象“碳先生”的旅行路線并以一定的形式表示出來。學生聯系已學知識，通過小組合作探究，初步構建碳循環模型。

4.2 探究——問題導航，完善模型

教師設問。碳元素在非生物環境中、生物群落內部以及兩者之間以什么形式和途徑流通？學生閱讀書本，思考、討論。A組同學得出結論：非生物環境中的碳元素主要以CO2的形式，通過光合作用的過程進入生物群落；碳元素在生物群落內部是以有機物的形式在食物鏈中傳遞；生物群落中的碳元素通過動植物呼吸作用以CO2的形式進入非生物環境。B組同學派代表進行評價，并且補充：非生物環境中的碳元素可以無機碳酸鹽的形式存在。C組同學還認為：生物群落中的碳元素還可以通過煤和石油燃燒的途徑以及微生物的分解作用進入非生物環境。

最后，教師要求各組同學在“碳先生”的旅行圖上，用關鍵詞、線段、箭頭、方框等表示討論的結果。結合教材圖3-10，修改完善碳循環示意圖（見圖2）。

設計意圖。學生在建構和完善模型的基礎上，初步掌握本節課的次位概念——分析生態系統中的物質（在本模型中是碳元素）在生物群落與無機環境之間不斷循環的規律，理解生態系統中各組分在碳循環中所起的作用。

4.3 解釋——撥開迷霧，分析比較

教師展示氮循環、水循環等示意圖，提出問題：這些元素的循環有什么共同特點？引導學生概括生態系統物質循環的概念。學生通過閱讀，分析、歸納得出生態系統的物質循環是指組成生物體的碳、氫、氧、氮、磷、硫等元素，都在不斷進行著從非生物環境到生物群落，又從生物群落到非生物環境的循環過程。

教師引導學生依據教材第63頁有關鉛的資料，提出問題。還有哪些有害物質也出現上述與鉛類似的現象？這種現象被稱作生物富集，請概述什么是生物富集？結合教材第64頁圖3-11分析，生物富集有什么危害？學生閱讀、思考和討論得出生物富集的概念：生物體從周圍環境吸收、積蓄某種元素或難以降解的化合物，使其在機體內濃度超過環境濃度的現象。生物富集對生物體有害，且富集的物質會沿著食物鏈積累，最終威脅食物鏈頂端的生物（包括人類）。教師追問：如何有效地減少生物富集現象？學生通過小組討論，提出相關建議：合理利用資源，減少排放，種植能富集有害重金屬元素的植物等。

教師繼續提問。物質循環具有全球性和循環往復的特點，那么能量流動呢？能量流動和物質循環有什么區別和聯系？教師布置任務：小組合作在碳循環模型中繪制能量流動的過程。基于能量流動前概念的學習，各組均能較快地在碳循環模型中將能量流動的過程表示出來（見圖3）。本次任務由D組同學展示并說明：通過能量流動的箭頭方向和物質循環的箭頭方向比較，顯然能量流動是單向的；物質是能量流動的載體，能量是物質循環的動力。

設計意圖。引導學生分析物質循環的特點和生物富集的概念。在同一模型中繪制能量流動和物質循環的過程，便于比較能量流動和物質循環，建立兩者的聯系，形成物質與能量觀。

4.4 遷移——聯系實際，遷移應用

教師展示溫室效應引起的環境問題資料：冰川融化，青藏高原冰雪融化處發現20多種遠古病毒；極端天氣給全球糧食安全敲響警鐘等。學生從碳循環模型中分析溫室效應的原因，思考討論緩解溫室效應的有效措施，聚焦農業生產方式的優化。學生小組思考討論得出：對于緩解溫室效應，人類可以一方面使用清潔能源，減少化石燃料的燃燒；另一方面大力植樹種草，提高森林覆蓋率。對于農業生產方式的優化，可以施加有機肥；稻田中養殖魚、蛙、蟹等動物，它們的糞便被分解后，其中的氮、磷等可被水稻吸收利用；通過“桑基魚塘”模式加快物質循環等。

4.5 評價——構建情境，多元評價

各組將本組討論結果填寫在如表1所示的評價結果欄中，學生結合物質循環的特點，分析生態農業的優點：將養殖業與種植業結合，廢棄物資源化，實現物質多級利用，以最小的投入獲得最大產出，達到較好的經濟效益和生態效益。

說明：評價結果即根據情境對評價內容進行解答。

隨后，教師更深層次地引導學生闡述人與自然和諧相處的必然性與緊迫性。結合緩解溫室效應的措施，學生提出“關水電、節約紙”“戒奢侈、捐舊衣”“乘公交、少開車”等日常個人低碳生活，做節能減排宣傳者。通過遷移和評價環節，學生能夠掌握本節的次位概念——舉例說明利用物質循環和能量流動規律，人們能夠更加科學、有效地利用生態系統中的資源。

設計意圖：學生能力的提升、素養的提高與價值觀的改變很難單從紙筆測驗中量化評價。構建基于生產生活實際和社會熱點問題的教學評價情境，有助于培養學生對社會生活的理性思考，嘗試提出解決現實問題的有效措施，從而提升社會責任感。

5 教學思考

基于SE教學模式的吸引、探究、解釋、遷移和評價5個環節，通過情境導人，小組合作嘗試構建“碳先生旅行”模型，通過觀察、提問及對結果的交流和討論等的探究過程，學生學會解釋和遷移，掌握“生物群落與非生物的環境因素相互作用形成多樣化的生態系統，完成物質循環、能量流動”的概念。

建構概念模型的方法是本節課的重要教學策略，而SE教學模式正是圍繞幫助學生建構新的概念而設置的。該模式通過情境的引入，使學生產生探究的興趣。在教師的引導和學生小組的探究交流過程中，學生獲得了新的概念，掌握了概念模型建構的思路，從而運用已學知識去解釋新的情境問題。

學生在思考討論、交流評價、建構模型的活動中發揮了主體地位，培養了建模能力，達成科學思維訓練目標。

基金項目：（1）浙江省教師教育規劃2022年度課題“基于課程綜合化的高中生物學情境教學與實踐”（ZX2022041）；（2）寧波市基礎教育2022年年度教研課題“創造性思維提升的高中”三式“學科整合探索”（LX2022034）。