張樹艷 （北京市懷柔區(qū)第一中學 北京 101400）

《普通高中生物學課程標準（2017版）》明確提出，生物學學科核心素養(yǎng)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(fā)展這4個維度的核心素養(yǎng)。在教學中鼓勵學生基于生物學事實和證據(jù)，運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學社會議題。“生態(tài)系統(tǒng)能量流動”一節(jié)需要學生通過在細胞、個體、種群等生命層次上分析能量流動過程，從而類比推理、歸納總結(jié)出生態(tài)系統(tǒng)能量流動的過程。此外，需要學生建立能量流動模型，總結(jié)能量流動規(guī)律，并應(yīng)用解決實際問題，是培養(yǎng)學生科學思維的典型案例。

物質(zhì)與能量觀的形成，需要一個認知和發(fā)展的過程?！吧鷳B(tài)系統(tǒng)能量流動”教學內(nèi)容比較抽象，以往學生真正理解生態(tài)系統(tǒng)能量流動的概念和應(yīng)用存在一定的困難。

基于以上分析，在教學中指導學生通過科學研究方法和建立能量流動概念模型和數(shù)學模型，進行定性和定量分析總結(jié)出能量流動規(guī)律，應(yīng)用規(guī)律對糧食危機情況下選擇合理的膳食結(jié)構(gòu)作出合理的分析和判斷，引導學生用生命觀念認識生命世界、解釋生命現(xiàn)象并學以致用，解決生產(chǎn)、生活中的實際問題。

1 創(chuàng)設(shè)情境，支撐概念

通過“荒島求生”的問題創(chuàng)設(shè)情境，讓學生設(shè)身處地地思考，積極發(fā)言，各抒己見。通過討論，學生主要得出A、B 2種策略（略）。討論交流過程中認識到，獲取食物維持生命是因為食物為人體提供了能量，初步建立物質(zhì)與能量觀。提出問題：為什么能量能維持人體的生命？

2 類比推理各生命系統(tǒng)層次，初步形成概念

2.1 細胞中能量流動過程 細胞和個體水平的物質(zhì)能量變化是群體水平物質(zhì)能量變化的基礎(chǔ)，所以，首先引導學生分析細胞中能量的輸入和輸出過程（圖1），明確動、植物細胞通過光合作用和呼吸作用等，進行物質(zhì)的合成伴隨能量的儲存，物質(zhì)分解伴隨能量的釋放，以及光能、化學能和熱能之間的轉(zhuǎn)化，并意識到能量作為動力推動了生命活動的進行，推動了物質(zhì)的合成與分解，從而解釋了生命的維持需要物質(zhì)中的能量。

2.2 個體和種群水平上的能量流動過程 學生根據(jù)對細胞的分析，得出動、植物個體及種群發(fā)生的能量輸入、轉(zhuǎn)化和散失與細胞是一致的（圖2）。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)能量流動的研究方法 生態(tài)系統(tǒng)是生物群落和無機環(huán)境相互作用的有機整體，生物種類繁多，發(fā)生在生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動，除了各種群能量輸入、轉(zhuǎn)化和散失的過程，還多了一個生物之間能量傳遞的過程。在此教學環(huán)節(jié)中，展示一個食物網(wǎng)的圖片，使學生意識到生態(tài)系統(tǒng)生物之間能量傳遞過程比較復雜。引導學生根據(jù)不同生物能量輸入和輸出的共性，將生物按營養(yǎng)級歸類，簡化研究生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的能量傳遞過程，從而學會化繁為簡的分析方法，發(fā)展學生的科學思維。了解分析生態(tài)系統(tǒng)能量流動過程最好在群體水平上研究，強化系統(tǒng)觀，同時也初步建立生態(tài)系統(tǒng)能量流動的概念。

3 生態(tài)系統(tǒng)能量流動模型的建立、研究及檢驗

3.1 建立生態(tài)系統(tǒng)能量流動模型，發(fā)展科學思維并形成概念

1）初步建立能量流動概念模型。指導學生小組合作，利用卡片和箭頭初步構(gòu)建出能量流經(jīng)第一營養(yǎng)級、第二營養(yǎng)級的模型，具體分析每個營養(yǎng)級能量流動的來源與去路，并展示交流（圖3）。

2）詳解2個營養(yǎng)級能量的流動過程模型。借助PPT（圖4）詳細分析第一營養(yǎng)級能量來源與去路，重點解釋學生模型中存在的問題：攝入量、同化量與糞便量之間的關(guān)系，突破教學難點。

3）簡化修改能量流動模型。指導學生根據(jù)圖解的分析，修改模型中存在的問題，簡化能量流經(jīng)各營養(yǎng)級的整體模型（圖5）。學生通過從初步建立到自己修改優(yōu)化的活動中，不但發(fā)揮了主體地位，避免了被動地接受學習，建立了生態(tài)系統(tǒng)能量流動模型，還很好地滲透了建模的思想方法。

3.2 研究模型，歸納能量流動的概念和規(guī)律 根據(jù)模型和問題驅(qū)動，引導學生思考在生物群落與無機環(huán)境之間，以及在生物群落內(nèi)部能量是怎樣流動的。經(jīng)過逐步建立模型和問題的引導，學生可很好地理解通過生產(chǎn)者的光合作用光能從無機環(huán)境輸入至生物群落，轉(zhuǎn)化為有機物中的化學能沿著營養(yǎng)級逐級傳遞，最后，通過生物的呼吸作用，將有機物分解化學能轉(zhuǎn)化成熱能散失到無機環(huán)境，不能再被重新利用。進而總結(jié)出能量流動是指生態(tài)系統(tǒng)中能量的輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失的過程，同時發(fā)現(xiàn)能量單向流動不可逆、不循環(huán)，以及能量流經(jīng)各營養(yǎng)級有能量散失，逐級遞減的規(guī)律[2]。該過程中培養(yǎng)了學生運用模型分析問題的科學思維。

3.3 檢驗能量流動模型，驗證能量流動規(guī)律 模型是否準確、規(guī)律是否正確需要實踐檢驗，從定性分析到定量研究是科學深入發(fā)展的必然，由此引出林德曼的研究。指導學生按能量流動模型內(nèi)容處理教材（人教版選擇性必修2《生物與環(huán)境》）第56頁賽達伯格湖能量流動數(shù)據(jù)（表1）。

表1 賽達伯格湖能量流動模型數(shù)據(jù)表[單位：J/（cm2·a）]

學生根據(jù)數(shù)據(jù)分析驗證了“單向流動、逐級遞減”的能量流動特點，同時通過定量分析發(fā)現(xiàn)各營養(yǎng)級及生態(tài)系統(tǒng)能量輸入總量和輸出總量不相同。教師引導學生分析得出，在林德曼調(diào)查期間存在“未利用的能量”，即未被自身呼吸作用消耗，也未被后一個營養(yǎng)級和分解者利用的能量。師生共同完善表格內(nèi)容（表2），教師引導學生建立數(shù)學模型A=R+V+F（+T），證實能量流經(jīng)賽達伯格湖每個營養(yǎng)級及流經(jīng)整個生態(tài)系統(tǒng)時，遵循能量守恒定律，為后面學習生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)能量輸入、輸出平衡的問題奠定基礎(chǔ)。

表2 賽達伯格湖能量流動數(shù)據(jù)補充表[單位：J/（cm2·a）]

引導學生進一步對賽達伯格湖數(shù)據(jù)進行分析，計算能量在2個營養(yǎng)級之間的傳遞效率，發(fā)現(xiàn)相鄰2個營養(yǎng)級能量傳遞效率在10%～20%，真正理解能量流動逐級遞減的規(guī)律。通過數(shù)據(jù)的整理和分析，提高學生定量分析問題的能力，發(fā)展邏輯思維。

4 應(yīng)用能量流動規(guī)律解決實際問題，滲透節(jié)約糧食的理念

問題1：分析荒島求生的最佳生存策略。策略1，應(yīng)該先吃雞，再吃玉米；策略2，增加了食物鏈的長度，能量逐級遞減，最后使人獲得的能量較少。數(shù)據(jù)進行驗證：物質(zhì)是能量的載體，假設(shè)單位質(zhì)量的生物體所含能量相同，按能量傳遞效率為20%計算，且策略2有1/3的玉米給雞吃，2/3給人吃，求這2種策略分別使人增加多少物質(zhì)中的能量？

問題2：后疫情時代，許多國家迎來了糧食危機，節(jié)約糧食、反對浪費已是一種全球性的趨勢。有人說多吃素，少吃肉，也是節(jié)約糧食的一種具體行為。結(jié)合荒島求生的實踐經(jīng)驗，你是否支持這種說法，為什么？

通過這2個問題，使學生意識到合理膳食、多吃素食不僅有利于自身的身體健康，也減少了大量飼養(yǎng)動物而消耗大量的糧食，減少饑餓人口的數(shù)量。而且該教學環(huán)節(jié)也使本節(jié)課做到首尾呼應(yīng)，形成閉合。

5 教學反思

教學圍繞“提高生物學科學素養(yǎng)”制定和實施教學目標，教學中以問題串引導學生分析各生命系統(tǒng)層次能量流動的過程，使學生從微觀到宏觀認識能量流動，引導處理分析數(shù)據(jù)、建構(gòu)模型、形成概念，并在概念學習中強化系統(tǒng)觀、物質(zhì)與能量觀，提升科學思維。在解決實際問題中培養(yǎng)社會責任感。