基于系統分析法的高中生物學概念模型構建

文章編號：1003-7586（2025）01-0009-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

生物學學科核心素養以生物學概念為支撐，在生物學學科核心素養的形成過程中，概念既是思維和探究的基礎，又是思維和探究的結果，是觀念形成的基礎，也是擔當社會責任的基礎。模型與建模能力是衡量科學思維發展的指標之一，教師在教學中通過任務驅動引導學生自主構建概念模型，可使學生在概念建模的過程中體會知識的逐步生成過程2，逐步發展其科學思維能力。

系統分析法是生物學研究常用的一種思想方法。系統是指由若干要素通過相互聯系與作用而發揮特定功能的統一整體。3系統分析法就是在明確系統邊界后，對系統要素及相互關系進行綜合分析，以實現通過調控來優化系統結構和功能，進而解決問題的分析方法[4。筆者以“生態系統中的能量單向遞減流動”一節內容為例，嘗試將能量流動的研究科學史作為真實情境，探討系統分析法在概念模型構建中的運用。

1教材內容分析及設計思路

本節內容隸屬于《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）的選擇性必修模塊，大概念“2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\"中要求的“分析生態系統中能量在生物群落中單向流動并逐級遞減的規律”“舉例說明利用能量流動規律，人們能夠更加科學、有效地利用生態系統中的資源”。同時，《課程標準》在教學建議中還提出“了解系統分析的思想和方法”“使用圖示等方式表征和說明生態系統中能量流動的過程和特征\"“對相關的生態學實踐應用做出合理的分析和判斷”等要求。

在傳統教學過程中，教師往往會關注生態系統能量流動相關知識點的講解與識記、相關模型的分析與判斷，而忽略培養學生自主構建模型、正確看待整體與部分關系的能力。筆者嘗試以科學史資料為情境，引導學生運用系統分析法從系統要素及相互關系著手，對湖泊生態系統進行分析（見圖1）。學生通過小組合作構建生態系統能量流動的定性、定量的概念模型，并嘗試運用模型分析“桑基魚塘”等生產、生活實踐問題，進一步領悟系統中結構與功能之間的關系。教師可借助系統分析法，引導學生構建“生態系統中的能量單向遞減流動”這一基本概念，并在此基礎上形成物質與能量觀，發展其科學探究和科學思維素養，提升社會責任意識。

2教學目標

（1）通過對個體水平到生態系統水平研究方法演變進行探討，初步了解系統分析法，提升科學探究能力。

（2能夠利用林德曼研究能量流動的科學史素材，討論其中蘊含的科學思想，嘗試運用系統分析法構建生態系統能量流動的定性、定量模型，提升邏輯思維能力和辯證思維能力，發展科學思維能力。（3）能夠利用生態系統能量流動模型，分析生態系統能量流動的特點和規律，理解系統的結構與功能相統一，樹立物質與能量觀，培養生命觀念。（4能夠運用系統分析法對生態系統能量流動的具體案例進行討論，理解研究生態系統能量流動的意義，提升社會責任意識。

3教學過程

3.1比較個體水平與系統水平研究的差異，引出系統分析法

教師以魚缸中的金魚為例，引導學生討論：對“魚的形態結構、生理特征”和“影響魚生存的因素”兩個問題進行研究時，研究對象和方法有何差異？學生進而歸納出觀察、實驗等方法適合對個體進行研究分析，而若要確定影響金魚生存的因素，就需要將魚缸當作一個整體，對整個魚缸里的成分進行分析，找出不同元素與金魚之間的關系后再進行判斷。

教師總結這種從宏觀角度進行研究的方法以整體作為研究對象，這一整體被稱為系統，而通過提取系統的組成要素、研究要素關系、根據要素關系優化系統功能的方法被稱為系統分析法。

設計意圖：教師通過呈現具體事例，引導學生分

析個體水平研究和系統水平研究方法的差異，介紹系統分析法的思想、方法和意義，指向科學本質教育，發展學生的科學探究及科學思維能力。

3.2運用系統分析法，探討生態系統能量流動的特點與規律

3.2.1分析科學史文獻，明確系統作為研究對象的特點

教師展示美國生態學家林德曼（R.L.Lindeman）對賽達伯格湖的地理條件描述和繪制的湖中生物的捕食關系圖等資料，請學生討論分析林德曼選擇賽達伯格湖作為研究對象的依據。師生共同歸納：從地理條件看，賽達伯格湖具有面積小、要素穩定、結構簡單等特點，從食物關系圖來看其具有水陸兩種食物鏈的特點。

設計意圖：教師通過分析真實的科學文獻資料，引導學生歸納研究對象所具備的特點，體會科學研究的思維過程，提升其辯證思維能力。

3.2.2系統要素及要素關系分析，初構能量流動概念模型

借助林德曼繪制的捕食關系圖（見圖2），師生共同討論以下幾個問題： ① 分析林德曼對賽達伯格湖的要素進行簡單歸類的依據是什么？ ② 要素如何進一步歸類簡化？ ③ 自游捕食者的能量來源比較復雜，如何對其進行定位？

學生在分析要素的基礎上，以小組為單位嘗試構建某一營養級的能量流動定性模型。在小組展示環節，學生通過組間合作，共同構建生態系統能量流動的定性模型（見圖3）。在此基礎上，師生共同解讀生態系統能量流動環節，了解生態系統總能量、能量流動渠道、能量散失途徑等知識要點。

設計意圖：學生通過對林德曼繪制的捕食關系圖進行分析，明確湖泊生態系統的要素，并有機滲透系統分析法的要點，即對要素進行歸類簡化。教師通過組內合作交流、組間合作聯結等形式，增加學生的參與度，共同構建生態系統的能量流動模型，深度體驗知識的產生過程。學生通過自評和小組互評，提升其語言表達能力和批判性思維。

3.2.3系統要素關系定量分析，修正能量流動概念模型

教師展示林德曼通過湖區取樣、水生生態箱模擬實驗所測量的植物光合速率、動物呼吸速率以及每種不同營養級所含有機化合物的能量數據。

學生通過小組合作的形式，在討論“未利用”“同化量\"“攝入量\"等問題的基礎上，將林德曼測得的實驗數據填補到定性模型上，并共同完成定量模型的構建。教師引導學生從要素關系的角度，探討能量流動的規律，解釋能量流動特點及其形成的原因，分析不同營養級能量傳遞效率存在差異的原因。

設計意圖：教師借助科學史資料，帶領學生親歷林德曼的研究歷程，比較定量研究與定性研究的結果，引導學生體會定量研究能夠使結果更科學、準確。通過對系統要素定量關系進行分析，學生能夠歸納能量流動的特點與規律，從而進一步修正生態系統能量流動的概念模型。

3.3系統結構與功能關系探討，內化生態系統能量流動概念模型

教師展示人工魚塘、菱湖荻港村桑基魚塘的案例，請學生運用系統分析法中的結構與功能關系完成以下兩個問題的討論： ① 推測人工魚塘和野生池塘中魚產量的高低，并說出依據； ② 分析桑基魚塘與人工魚塘的不同，思考桑基魚塘的能量利用率是否相對更高？

在此基礎上，師生共同歸納得出：通過改變能量流動方向、增加能量輸人可以調整生態系統結構，進而優化生態系統功能，使能量流向對人類有益的部分。

設計意圖：教師對基于真實情境的問題進行分析，引導學生運用系統分析法研究能量流動的實踐意義，體現了學科知識與社會實踐的緊密聯結，發展了其科學探究、科學思維能力，提升了社會責任意識，也促使學生主動內化生態系統能量流動的概念模型。

4教學反思

筆者以林德曼對能量流動研究的科學史為情境，運用系統分析法探討湖泊生態系統中各要素及其之間的關系，并在此基礎上構建生態系統能量流動概念模型，幫助學生逐步建立“生態系統中的能量單向遞減流動\"這一生物學概念，形成物質與能量觀。教師還可通過分析真實案例，引導學生在解決問題的過程中，進一步領悟生態系統結構調整與功能優化的關系，促進概念的內化。在課后，教師可以通過設計課外活動，檢測教學自標的達成情況，例如引導學生結合能量流動概念模型，運用系統分析法為城市進行規劃設計，促進城市生態系統的可持續發展。

參考文獻

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