郭穗綿 （佛山市杏壇中學 廣東佛山 528325）

1 變易理論的分析

變易理論是由瑞典哥德堡大學Marton 教授所領導的研究小組，基于“現(xiàn)象圖示學”研究發(fā)展起來的學習理論。 該理論認為，學習必須透過“審辨”，而審辨必須透過“變易”。 變易指關注該事物的“關鍵特征”（學習要點），并通過“變易圖式”將其與其他事物相區(qū)分。 一個學習內(nèi)容可能存在多個關鍵特征，以氨基酸結(jié)構(gòu)通式為例，包含關鍵特征1：含1 個氨基和1 個羧基；關鍵特征2：氨基和羧基同連在1 個碳原子上；關鍵特征3：含1個可變的R 基；關鍵特征4：4 個基團的位置是可變的。 人教版教材中展示的4 種氨基酸就是一種變易圖式，它讓學生關注到了關鍵特征1 和關鍵特征3， 但學生往往會忽略4 個基團位置是可以發(fā)生變化的，以及氨基、羧基必須連在同一碳原子上的信息。 很多學習內(nèi)容由于缺乏變易圖式，呈現(xiàn)的是多個關鍵特征融合的整體，因而不同學生所關注的關鍵特征可能是不同的。 教師如果能對學習內(nèi)容包含哪些關鍵特征進行分析，并預測學生主要存在的學習障礙， 創(chuàng)設恰當?shù)淖円讏D式，再匹配適合的教學策略，能有效幫助學生突破學習重、難點。

2 “能量流動”的教學分析

生態(tài)系統(tǒng)能量流動是生態(tài)系統(tǒng)三大功能之一，是高中生物生態(tài)學部分的核心內(nèi)容。該部分除了要求學生掌握能量流動的概念、 過程、 轉(zhuǎn)移方向、傳遞效率、能量流動的金字塔，以及研究能量流動的實踐意義等基礎知識外，還涉及系統(tǒng)分析、模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)處理分析等能力的培養(yǎng)。由于教材文字精簡、示意圖關系交疊，導致學生存在多個學習障礙。

3 利用變易理論處理教材

本節(jié)通過從“不同的層次”進行變易研究能量流動，體驗系統(tǒng)分析和模型構(gòu)建的方法；利用學生對同一知識的不同理解， 對一個營養(yǎng)級的能量流動去向及相關要素進行變易，理解“同化量”“糞便量”“用于生長、 發(fā)育和繁殖”3 種能量的內(nèi)在關系，掌握一個營養(yǎng)級的能量流動過程；通過對賽達伯格湖的能量流動圖解分析，認識“未被利用”這部分能量的含義及去向， 辨析定性和定量分析法在能流分析上的應用，總結(jié)能量流動的特點。

4 “生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”（第1 課時） 的教學過程

以教材第93 頁“問題探討”作為情境引入，設問：哪種求生策略能為魯濱遜爭取營救時間？ 為本節(jié)學習埋下伏筆。教師介紹研究能量流動涉及系統(tǒng)分析法： 指的是利用數(shù)學的概念和方法建立模型，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，采用系統(tǒng)科學的研究途徑解決復雜系統(tǒng)問題的方法，是目前生態(tài)學研究的發(fā)展趨勢。 初步體驗系統(tǒng)分析法：首先為學生提供一個粗略的能量流動分析模型：能量輸入→系統(tǒng)→能量輸出。

4.1 從生活出發(fā)，分析一個個體的能量流動情況 以自己為例，描述一個個體如何獲取、儲存、輸出能量？ 目的在于讓學生初步感知能量的存在形式與轉(zhuǎn)化途徑。由于貼近生活，學生很快在黑板上寫出圖1， 很多學生誤以為糞便的排出就是能量的輸出。暴露學生存在的前科學概念后，教師引入“攝入量”“同化量”“糞便量”等概念，明確“能量輸出” 指能量流向其他生物或通過細胞呼吸散失。 通過試誤探討，突破關鍵特征：糞便屬于食物殘渣，并沒有同化為體內(nèi)的有機物，最終其能量被分解者利用。 修正后如圖2 所示。

再設問：同化能量有何去向？這時學生展示出不同理解，其中具有代表性的如圖3、圖4 所示，顯然學生對于“用于生長發(fā)育、繁殖”與“呼吸作用所釋放的能量”之間的關系較為模糊。

讓學生進行討論、辨析：當體內(nèi)的有機物氧化分解，相當一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能而散失（無法再被利用），其余將用于合成新的組織而作為潛能貯存下來，貯存的這部分能量就屬于“用于生長發(fā)育繁殖”的能量（修正如圖5）。 利用學生對同一知識的不同理解進行變易， 突破了某一營養(yǎng)級能量流動分析的難點， 為生態(tài)系統(tǒng)能量流動模型的構(gòu)建做鋪墊。

上述過程經(jīng)歷如下變易圖式（圖1～圖5）：

表1 變易圖式（針對圖1、圖2 的分析）

表2 變易圖式（針對圖3～圖5 的分析）

4.2 以一條簡單的食物鏈入手， 分析一個營養(yǎng)級的能量流動情況 以草→兔→狐→狼這條簡單的食物鏈為例，分組讓學生分析每個生物種群的能量來源和去向，并派代表在黑板上從左至右分別展示草、兔、狐、狼的能量流動示意圖，由于經(jīng)歷前面?zhèn)€體的能流分析，這部分學生很容易突破。 學生經(jīng)歷表3 變易圖式，發(fā)現(xiàn)除了最高營養(yǎng)級“狼”，每個營養(yǎng)級的能量流動去向都具有共性，從而完成了一個營養(yǎng)級能流的模型構(gòu)建（圖6）。

表3 變易圖式（針對圖6 一個營養(yǎng)級的能流分析）

師生再根據(jù)能流關系將黑板上4 種生物的能流示意圖用箭頭相關聯(lián)，生成圖7，然后分小組展開討論，進一步完善能量流動模型：1）生物是通過什么行為或生理活動完成相關能量的傳遞、轉(zhuǎn)化的？ 2）該食物鏈的能量流動中能量存在的形式有哪些？ 3）若用線條粗細表示箭頭所代表的能量含量變化，圖7 應如何修改？ 4）圖7 中的箭頭能反轉(zhuǎn)（能量可以反向流動）嗎，為什么？ 5）該能量圖解是否也適用于其他食物鏈？ 通過以上教學活動，學生經(jīng)歷了表4 相關變易圖式，進一步理解生態(tài)系統(tǒng)能量流動的過程： 能量的傳遞轉(zhuǎn)化涉及光合作用、呼吸作用、攝食、消化吸收等生理活動；能量流動過程中能量形式的變化： 光能→生物體內(nèi)有機物中的化學能→熱能； 該模型也適用于其他食物鏈。 從而完成生態(tài)系統(tǒng)能量流動的模型構(gòu)建（圖8），并從定性的角度初步理解能量流動具有單向流動、逐級遞減的特點。

表4 變易圖式（一個生態(tài)系統(tǒng)的能流分析）

4.3 從定性到定量，以賽達伯格湖為例，分析一個生態(tài)系統(tǒng)的能量流動 科學家是如何研究一個生態(tài)系統(tǒng)的能量流動的， 師生構(gòu)建的模型是否符合事實？ 展示教材第95 頁圖5～圖8 賽達伯格湖的能量流動圖解。設問：該生態(tài)系統(tǒng)的能量流動與前面構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)能量流動圖解有什么相同點和不同點？ 通過2 個變易圖式（表5、表6）的比較，學生會發(fā)現(xiàn)，除了有3 個能量流動去向相同之外，還出現(xiàn)“未利用能量”和許多具體的數(shù)據(jù)。 逐一進行變易分析：首先突破“未利用能量”：1）現(xiàn)實中的生態(tài)系統(tǒng)是否存在這部分能量？ 2）這部分能量存在于哪里？ 3）這部分能量的最終去向如何？進而總結(jié)： 前面能量流動探討的是每個營養(yǎng)級最終的能量去向，屬于“定量不定時分析”，而對賽達伯格湖某一歷史時刻能量流動的研究屬于 “定量定時分析”，因此未利用的能量最終還是通過上述3 個去路傳遞，與前面構(gòu)建的模型沒有矛盾，可以隱去“未利用能量”，減少分析干擾；第2 個變易：從定性分析轉(zhuǎn)向定量分析（數(shù)據(jù)分析）：1）該生態(tài)系統(tǒng)總的能量是多少？ 引導學生關注各個數(shù)據(jù)間的關系，澄清部分學生認為“各個營養(yǎng)級的能量相加就是該生態(tài)系統(tǒng)總能量”的誤區(qū)；2）營養(yǎng)級之間的能量傳遞效率應該如何計算？ 幫助學生設計表格對數(shù)據(jù)進行處理、分析；3）為什么流入一個營養(yǎng)級的能量無法100%流到下一營養(yǎng)級？ 4）流經(jīng)一個生態(tài)系統(tǒng)的能量能否再回到該生態(tài)系統(tǒng)中？ 5）生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和轉(zhuǎn)化是否遵守能量守恒定律？體驗定量分析的方法，進而總結(jié)能量流動具有單向流動、逐級遞減的特點，理解生態(tài)系統(tǒng)是一個能量耗散的開放性系統(tǒng)。

針對教材圖5～圖8 賽達伯格湖的分析，與教材中圖5～圖7 比較，學生經(jīng)歷以下2 個變易：

表5 變易圖式（ “未利用”能量分析）

4.4 本節(jié)小結(jié) 最后回應本節(jié)開篇的“問題探討”：為魯濱遜選擇最佳的生存策略， 并用本節(jié)課所學原理進行解釋。 師生再進行小結(jié)：本節(jié)課從個體、種群、營養(yǎng)級，到生態(tài)系統(tǒng)，從不同的研究層次探討能量流動（經(jīng)歷表7 所示變易圖式），每個層級都涉及能量的輸入、轉(zhuǎn)化、傳遞和散失，說明構(gòu)建的能量流動模型具有普適性， 并歸納能量流動的概念。

表7 變易圖式（能量流動模型）

5 教學反思

本節(jié)課應用變易理論， 通過抽絲剝繭式的7個變易圖式， 理清了教材中幾個重要圖解的內(nèi)在邏輯聯(lián)系，突破了教學的重、難點。 與傳統(tǒng)教學策略相比，學生學習過程中思路更加清晰，對知識的理解更加透徹。

變易理論重視對學習內(nèi)容的分析， 打破教師的自然態(tài)度， 其價值在于該理論借助學生對知識的不同理解進行變易， 進而讓學生自己審辨學習內(nèi)容的關鍵特征，避免了教師的強行灌輸，使學生對知識的掌握更加牢固。操作過程中，要求教師深入分析教材和學生，預設解決教學重、難點的變易圖式， 在教學過程中捕捉學生的不同想法生成變易圖式。同時要注意教學用語的準確表述，以幫助學生正確理解所學概念。新課程理念倡導的科學探究和科學思維， 變易理論對培養(yǎng)學生的邏輯分析、理性思維很有幫助，值得推廣。