黃德強(qiáng)

[摘? ?要]高中生物學(xué)的重要概念往往采用建模的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。由于研究者研究的目的不同，同樣的生物學(xué)概念就會(huì)建構(gòu)出多種多樣的模型。文章以“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)”這一重要概念為例，立足思維的整體性，分別尋、探、聚思維的起點(diǎn)、發(fā)散點(diǎn)和收斂點(diǎn)，提出“建構(gòu)一般模型—辨析特殊模型—回歸一般模型”的多模型教學(xué)策略。

[關(guān)鍵詞]多模型;起點(diǎn);發(fā)散點(diǎn);收斂點(diǎn)

[中圖分類號(hào)]? ? G633.91? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2020）20-0087-02

“模型與建模”是重要的科學(xué)思維方法，建構(gòu)模型的過(guò)程能加深對(duì)生物學(xué)概念的理解，建構(gòu)起的模型是持久保留對(duì)概念記憶的重要載體。針對(duì)某個(gè)重要概念建構(gòu)的模型，由于研究者研究的目的不同，建構(gòu)出的模型就會(huì)有差異。本文以人教版高中生物必修3《生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)》一節(jié)為例，提出“尋思維的起點(diǎn)——建構(gòu)一般模型”“探思維的發(fā)散點(diǎn)——辨析特殊模型”“聚思維的收斂點(diǎn)——回歸一般模型”的教學(xué)策略，以幫助學(xué)生從系統(tǒng)和細(xì)節(jié)的角度學(xué)習(xí)同一概念的多種模型問(wèn)題。

一、不同能量流動(dòng)模型的相關(guān)指標(biāo)比較

將人教版高中生物必修3教材圖5-6、圖5-7、圖5-8中的能量流動(dòng)模型的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行比較（見(jiàn)表1）。

從表1中可以看出，不同能量流動(dòng)的模型研究的對(duì)象、指標(biāo)、時(shí)間、目的是有差異的。教材設(shè)計(jì)的建模順序是先建構(gòu)營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量流動(dòng)模型（圖5-6），再建構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)模型（圖5-7），最后再通過(guò)賽達(dá)伯格湖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模型總結(jié)生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的特點(diǎn)。這種由局部到整體、由抽象到具體的模型建構(gòu)過(guò)程符合學(xué)生認(rèn)知的邏輯。但由于圖5-6、圖5-7、圖5-8的研究對(duì)象、研究指標(biāo)等方面不完全相同，如果完全按照教材的順序進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生在初學(xué)生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)模型時(shí)會(huì)很困難。

二、不同能量流動(dòng)模型的教學(xué)策略

1.尋思維的起點(diǎn)——建構(gòu)能量流動(dòng)的一般模型

生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)指的是生態(tài)系統(tǒng)中能量的輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失的過(guò)程。該重要概念的研究范圍是生態(tài)系統(tǒng)，研究指標(biāo)是能量流動(dòng)，研究指標(biāo)的具體細(xì)化是生態(tài)系統(tǒng)能量的輸入、生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部能量的傳遞和轉(zhuǎn)化、生態(tài)系統(tǒng)的能量向環(huán)境中散失的過(guò)程。研究指標(biāo)“能量流動(dòng)”要求從能量值的角度考慮如何建構(gòu)。結(jié)合物理學(xué)內(nèi)容，可以確定該類模型的本質(zhì)特征是能量守恒。對(duì)照表1的相關(guān)分析，可以先確定圖5-7為一般模型，在建構(gòu)時(shí)關(guān)鍵是將“能量守恒”這一觀點(diǎn)貫穿建構(gòu)模型過(guò)程的始終。建構(gòu)模型的基本思路是從個(gè)體到營(yíng)養(yǎng)級(jí)再到生態(tài)系統(tǒng)依次建構(gòu)，但無(wú)論哪個(gè)層次的模型，具體指標(biāo)均為“同化量、呼吸消耗量、流向分解者的量、流向下一個(gè)體（或營(yíng)養(yǎng)級(jí)）的量”。該過(guò)程特別要注意，不要將攝入量等指標(biāo)代入，否則學(xué)生會(huì)陷入認(rèn)知的混亂。具體如下：

先引導(dǎo)學(xué)生寫(xiě)出一條食物鏈，如“草→兔→鷹”，并思考草的能量的來(lái)源和去路。關(guān)于草的能量來(lái)源，學(xué)生能比較容易地得出答案“能量的來(lái)源是草的光合作用，能量?jī)?chǔ)存在有機(jī)物中”;對(duì)于草的能量去路，教師可設(shè)置問(wèn)題串引導(dǎo)學(xué)生思考，如草中的有機(jī)物的能量自己能用嗎？如果能，是怎么用的？用后能量到哪里去了？草的能量能流向兔嗎？怎么流入的？草會(huì)被全部吃完嗎？沒(méi)有被吃完的能量到哪里去了？設(shè)置這些問(wèn)題的目的是讓學(xué)生總結(jié)出從個(gè)體到營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量流動(dòng)的三條通用去路，即自身呼吸消耗、流向下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)、流向分解者。

2.探思維的發(fā)散點(diǎn)——辨析能量流動(dòng)的特殊模型

建構(gòu)能量流動(dòng)的一般模型后，可引導(dǎo)學(xué)生從研究對(duì)象和指標(biāo)比較圖5-6和圖5-7的差異，并討論兩個(gè)模型在建模思維上的共性。圖5-6的研究對(duì)象是營(yíng)養(yǎng)級(jí)，研究的指標(biāo)是“攝入、糞便、同化、呼吸、儲(chǔ)存、遺體殘骸、分解者”，這樣的指標(biāo)考慮了具體認(rèn)識(shí)事物的實(shí)際情況。該處的分析不僅僅是讓學(xué)生明白“攝入量=同化量+糞便量”“同化量=呼吸消耗量+儲(chǔ)存量”“同化量=呼吸消耗量+流向下一級(jí)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的量+流向分解者的量”，更要讓學(xué)生明白兩個(gè)不同的模型在建構(gòu)時(shí)它們的相同點(diǎn)是從能量守恒的角度進(jìn)行考慮，不同點(diǎn)是研究指標(biāo)有差異?；谶@樣深刻的理解，學(xué)生進(jìn)一步領(lǐng)悟了一般模型和能量守恒的本質(zhì)特征是辨析不同能量流動(dòng)模型問(wèn)題時(shí)思維的起點(diǎn)，而研究對(duì)象、研究指標(biāo)、研究時(shí)間等的差異是建構(gòu)不同能量流動(dòng)模型的思維發(fā)散點(diǎn)。這樣的發(fā)散為學(xué)生或理解其他不同的模型，或自己建構(gòu)模型提供了關(guān)鍵思路。

繼續(xù)將圖5-8賽達(dá)伯格湖生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)模型和一般模型做比較，要探討的第一個(gè)重點(diǎn)應(yīng)轉(zhuǎn)移至“研究指標(biāo)、研究時(shí)間”，即對(duì)圖5-8中數(shù)據(jù)的來(lái)源和模型中的“未利用”進(jìn)行討論。學(xué)生通過(guò)探討及教師的幫助，深入理解了“未利用”這個(gè)指標(biāo)是指在有限的時(shí)間內(nèi)、在實(shí)驗(yàn)研究的過(guò)程中，流入某營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量不會(huì)全部用完。思維的起點(diǎn)仍然是基于能量守恒建構(gòu)的一般模型，思維的發(fā)散點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。經(jīng)過(guò)這樣的探討再總結(jié)“同化量=呼吸消耗量+流向下一級(jí)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的量+流向分解者的量+未利用”會(huì)更有意義。有了這樣的分析，學(xué)生在見(jiàn)到未曾出現(xiàn)過(guò)的能量流動(dòng)模型時(shí)，也能游刃有余地進(jìn)行分析。這一難點(diǎn)問(wèn)題探討清楚了，再通過(guò)處理數(shù)據(jù)、計(jì)算效率得出“能量流動(dòng)是單向流動(dòng)、逐級(jí)遞減的”這一特點(diǎn)也就比較容易了。

3.聚思維的收斂點(diǎn)——回歸能量流動(dòng)的一般模型

生物學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)要盡量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活、社會(huì)議題等相結(jié)合。能量流動(dòng)的一般模型既是我們?cè)诮虒W(xué)中聯(lián)系問(wèn)題、深化知識(shí)的出發(fā)點(diǎn)，也是在解答相關(guān)實(shí)際問(wèn)題時(shí)思維的回歸點(diǎn)和收斂點(diǎn)。

例如，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，從一般模型中的能量源頭考慮，可通過(guò)合理密植或者延長(zhǎng)光合作用時(shí)間來(lái)提高輸入生態(tài)系統(tǒng)的總能量;從一般模型中能量流動(dòng)的渠道考慮，可以通過(guò)除蟲(chóng)除草等活動(dòng)使能量更多地流向人類;從一般模型中分解者的角度考慮，讓流向分解者的能量流向蘑菇或者變?yōu)檎託獾冗M(jìn)而流向人類，這也是生態(tài)農(nóng)業(yè)中桑葚魚(yú)塘的生態(tài)學(xué)原理;從一般模型的適用范圍看，城市生態(tài)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)相比，需要儲(chǔ)備更多的能量，僅僅依靠自然生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)者的光合作用的能量輸入是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要人工輸入物質(zhì)和能量。生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)涉及的眾多問(wèn)題，都可聚焦在能量流動(dòng)的一般模型中去解答，這是分析該類問(wèn)題時(shí)思維的收斂點(diǎn)。

（責(zé)任編輯 黃春香）