郭穗綿 （佛山市杏壇中學(xué) 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(xué)Marton 教授所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，基于“現(xiàn)象圖示學(xué)”研究發(fā)展起來的學(xué)習(xí)理論。 該理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)必須透過“審辨”，而審辨必須透過“變易”。 變易指關(guān)注該事物的“關(guān)鍵特征”（學(xué)習(xí)要點(diǎn)），并通過“變易圖式”將其與其他事物相區(qū)分。 一個(gè)學(xué)習(xí)內(nèi)容可能存在多個(gè)關(guān)鍵特征，以氨基酸結(jié)構(gòu)通式為例，包含關(guān)鍵特征1：含1 個(gè)氨基和1 個(gè)羧基；關(guān)鍵特征2：氨基和羧基同連在1 個(gè)碳原子上；關(guān)鍵特征3：含1個(gè)可變的R 基；關(guān)鍵特征4：4 個(gè)基團(tuán)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(xué)生關(guān)注到了關(guān)鍵特征1 和關(guān)鍵特征3， 但學(xué)生往往會(huì)忽略4 個(gè)基團(tuán)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(xué)習(xí)內(nèi)容由于缺乏變易圖式，呈現(xiàn)的是多個(gè)關(guān)鍵特征融合的整體，因而不同學(xué)生所關(guān)注的關(guān)鍵特征可能是不同的。 教師如果能對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容包含哪些關(guān)鍵特征進(jìn)行分析，并預(yù)測(cè)學(xué)生主要存在的學(xué)習(xí)障礙， 創(chuàng)設(shè)恰當(dāng)?shù)淖円讏D式，再匹配適合的教學(xué)策略，能有效幫助學(xué)生突破學(xué)習(xí)重、難點(diǎn)。

2 “能量流動(dòng)”的教學(xué)分析

生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)是生態(tài)系統(tǒng)三大功能之一，是高中生物生態(tài)學(xué)部分的核心內(nèi)容。該部分除了要求學(xué)生掌握能量流動(dòng)的概念、 過程、 轉(zhuǎn)移方向、傳遞效率、能量流動(dòng)的金字塔，以及研究能量流動(dòng)的實(shí)踐意義等基礎(chǔ)知識(shí)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(guān)系交疊，導(dǎo)致學(xué)生存在多個(gè)學(xué)習(xí)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(jìn)行變易研究能量流動(dòng)，體驗(yàn)系統(tǒng)分析和模型構(gòu)建的方法；利用學(xué)生對(duì)同一知識(shí)的不同理解， 對(duì)一個(gè)營養(yǎng)級(jí)的能量流動(dòng)去向及相關(guān)要素進(jìn)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(guān)系，掌握一個(gè)營養(yǎng)級(jí)的能量流動(dòng)過程；通過對(duì)賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)圖解分析，認(rèn)識(shí)“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(yīng)用，總結(jié)能量流動(dòng)的特點(diǎn)。

4 “生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)”（第1 課時(shí)） 的教學(xué)過程

以教材第93 頁“問題探討”作為情境引入，設(shè)問：哪種求生策略能為魯濱遜爭取營救時(shí)間？ 為本節(jié)學(xué)習(xí)埋下伏筆。教師介紹研究能量流動(dòng)涉及系統(tǒng)分析法： 指的是利用數(shù)學(xué)的概念和方法建立模型，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，采用系統(tǒng)科學(xué)的研究途徑解決復(fù)雜系統(tǒng)問題的方法，是目前生態(tài)學(xué)研究的發(fā)展趨勢(shì)。 初步體驗(yàn)系統(tǒng)分析法：首先為學(xué)生提供一個(gè)粗略的能量流動(dòng)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(gè)個(gè)體的能量流動(dòng)情況 以自己為例，描述一個(gè)個(gè)體如何獲取、儲(chǔ)存、輸出能量？ 目的在于讓學(xué)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(xué)生很快在黑板上寫出圖1， 很多學(xué)生誤以為糞便的排出就是能量的輸出。暴露學(xué)生存在的前科學(xué)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(xì)胞呼吸散失。 通過試誤探討，突破關(guān)鍵特征：糞便屬于食物殘?jiān)?，并沒有同化為體內(nèi)的有機(jī)物，最終其能量被分解者利用。 修正后如圖2 所示。

再設(shè)問：同化能量有何去向？這時(shí)學(xué)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(xué)生對(duì)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(guān)系較為模糊。

讓學(xué)生進(jìn)行討論、辨析：當(dāng)體內(nèi)的有機(jī)物氧化分解，相當(dāng)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(xué)生對(duì)同一知識(shí)的不同理解進(jìn)行變易， 突破了某一營養(yǎng)級(jí)能量流動(dòng)分析的難點(diǎn)， 為生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)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(duì)圖1、圖2 的分析）

表2 變易圖式（針對(duì)圖3～圖5 的分析）

4.2 以一條簡單的食物鏈入手， 分析一個(gè)營養(yǎng)級(jí)的能量流動(dòng)情況 以草→兔→狐→狼這條簡單的食物鏈為例，分組讓學(xué)生分析每個(gè)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(dòng)示意圖，由于經(jīng)歷前面?zhèn)€體的能流分析，這部分學(xué)生很容易突破。 學(xué)生經(jīng)歷表3 變易圖式，發(fā)現(xiàn)除了最高營養(yǎng)級(jí)“狼”，每個(gè)營養(yǎng)級(jí)的能量流動(dòng)去向都具有共性，從而完成了一個(gè)營養(yǎng)級(jí)能流的模型構(gòu)建（圖6）。

表3 變易圖式（針對(duì)圖6 一個(gè)營養(yǎng)級(jí)的能流分析）

師生再根據(jù)能流關(guān)系將黑板上4 種生物的能流示意圖用箭頭相關(guān)聯(lián)，生成圖7，然后分小組展開討論，進(jìn)一步完善能量流動(dòng)模型：1）生物是通過什么行為或生理活動(dòng)完成相關(guān)能量的傳遞、轉(zhuǎn)化的？ 2）該食物鏈的能量流動(dòng)中能量存在的形式有哪些？ 3）若用線條粗細(xì)表示箭頭所代表的能量含量變化，圖7 應(yīng)如何修改？ 4）圖7 中的箭頭能反轉(zhuǎn)（能量可以反向流動(dòng)）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(xué)活動(dòng)，學(xué)生經(jīng)歷了表4 相關(guān)變易圖式，進(jìn)一步理解生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)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(dòng)；能量流動(dòng)過程中能量形式的變化： 光能→生物體內(nèi)有機(jī)物中的化學(xué)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(dòng)的模型構(gòu)建（圖8），并從定性的角度初步理解能量流動(dòng)具有單向流動(dòng)、逐級(jí)遞減的特點(diǎn)。

表4 變易圖式（一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的能流分析）

4.3 從定性到定量，以賽達(dá)伯格湖為例，分析一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng) 科學(xué)家是如何研究一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)的， 師生構(gòu)建的模型是否符合事實(shí)？ 展示教材第95 頁圖5～圖8 賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)圖解。設(shè)問：該生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)與前面構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)圖解有什么相同點(diǎn)和不同點(diǎn)？ 通過2 個(gè)變易圖式（表5、表6）的比較，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)，除了有3 個(gè)能量流動(dòng)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(jìn)行變易分析：首先突破“未利用能量”：1）現(xiàn)實(shí)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(jìn)而總結(jié)： 前面能量流動(dòng)探討的是每個(gè)營養(yǎng)級(jí)最終的能量去向，屬于“定量不定時(shí)分析”，而對(duì)賽達(dá)伯格湖某一歷史時(shí)刻能量流動(dòng)的研究屬于 “定量定時(shí)分析”，因此未利用的能量最終還是通過上述3 個(gè)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(gè)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(dǎo)學(xué)生關(guān)注各個(gè)數(shù)據(jù)間的關(guān)系，澄清部分學(xué)生認(rèn)為“各個(gè)營養(yǎng)級(jí)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(jí)之間的能量傳遞效率應(yīng)該如何計(jì)算？ 幫助學(xué)生設(shè)計(jì)表格對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析；3）為什么流入一個(gè)營養(yǎng)級(jí)的能量無法100%流到下一營養(yǎng)級(jí)？ 4）流經(jīng)一個(gè)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(dòng)和轉(zhuǎn)化是否遵守能量守恒定律？體驗(yàn)定量分析的方法，進(jìn)而總結(jié)能量流動(dòng)具有單向流動(dòng)、逐級(jí)遞減的特點(diǎn)，理解生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)能量耗散的開放性系統(tǒng)。

針對(duì)教材圖5～圖8 賽達(dá)伯格湖的分析，與教材中圖5～圖7 比較，學(xué)生經(jīng)歷以下2 個(gè)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(yīng)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(xué)原理進(jìn)行解釋。 師生再進(jìn)行小結(jié)：本節(jié)課從個(gè)體、種群、營養(yǎng)級(jí)，到生態(tài)系統(tǒng)，從不同的研究層次探討能量流動(dòng)（經(jīng)歷表7 所示變易圖式），每個(gè)層級(jí)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(dòng)模型具有普適性， 并歸納能量流動(dòng)的概念。

表7 變易圖式（能量流動(dòng)模型）

5 教學(xué)反思

本節(jié)課應(yīng)用變易理論， 通過抽絲剝繭式的7個(gè)變易圖式， 理清了教材中幾個(gè)重要圖解的內(nèi)在邏輯聯(lián)系，突破了教學(xué)的重、難點(diǎn)。 與傳統(tǒng)教學(xué)策略相比，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中思路更加清晰，對(duì)知識(shí)的理解更加透徹。

變易理論重視對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的分析， 打破教師的自然態(tài)度， 其價(jià)值在于該理論借助學(xué)生對(duì)知識(shí)的不同理解進(jìn)行變易， 進(jìn)而讓學(xué)生自己審辨學(xué)習(xí)內(nèi)容的關(guān)鍵特征，避免了教師的強(qiáng)行灌輸，使學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握更加牢固。操作過程中，要求教師深入分析教材和學(xué)生，預(yù)設(shè)解決教學(xué)重、難點(diǎn)的變易圖式， 在教學(xué)過程中捕捉學(xué)生的不同想法生成變易圖式。同時(shí)要注意教學(xué)用語的準(zhǔn)確表述，以幫助學(xué)生正確理解所學(xué)概念。新課程理念倡導(dǎo)的科學(xué)探究和科學(xué)思維， 變易理論對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的邏輯分析、理性思維很有幫助，值得推廣。