（江蘇省南京市雨花臺中學 江蘇南京 210012）

素養(yǎng)時代，如何在課堂教學中落實學科核心素養(yǎng)？首先，教師需要深刻理解核心素養(yǎng)的概念及此概念的形成過程。崔允漷教授用考駕照來類比知識與能力的關(guān)系。他認為交通規(guī)則是知識，倒庫移庫是技能，有了知識技能之后，還要路考，在真實情境中才能形成能力。而形成素養(yǎng)還需要反思，在反思中，形成安全駕駛的關(guān)鍵能力、文明行車的必備品格和尊重生命的價值觀念。學生的學習也經(jīng)歷同樣的過程。因此，教師需要精心創(chuàng)設真實的情境，引導學生發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，讓學生在體驗科學探究的過程中形成核心素養(yǎng)。那么，在高中生物課堂教學中，針對不同的教學內(nèi)容，教師如何創(chuàng)設真實的情境？如何在真實情境中引導學生主動探究？筆者在“能量流動”一節(jié)中進行了嘗試。

1 真實情境的創(chuàng)設

1.1 真實情境的概念

這里所說的情境，是針對教材的去情境化而言的，是還原教材中抽象符號、術(shù)語所表達的概念、定律和原理的形成的背景、過程等真實、具體、生動的事實。因此，真實的情境因具有學科知識性，與生物核心概念有密切聯(lián)系；生活性，與學生生活密切聯(lián)系，可以讓學生感受到知識學習的意義與價值；可探究性，可以引發(fā)問題解決型的學習任務；可結(jié)構(gòu)化，即利于學生形成結(jié)構(gòu)化的圖式?？梢?，真實情境不僅僅在導入時引發(fā)學生的學習興趣，更是應該貫穿于知識學習的全過程。

1.2 從賽達伯格湖到生態(tài)瓶

能量流動是選擇性必修3的重要內(nèi)容。從《普通高中生物學課程標準（2017年版）》中的概念層級分析，能量流動作為生態(tài)系統(tǒng)的主要功能是建立在生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的基礎上的，也是學生理解生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎。因此，從生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性的單元整體教學設計角度看，創(chuàng)設的情境是基于生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，又貫穿于功能學習和穩(wěn)態(tài)學習。

從科學發(fā)現(xiàn)史的角度看，生態(tài)系統(tǒng)能量流動的模型是林德曼對賽達伯格湖進行定量研究的基礎上構(gòu)建的。因此，學習情境也應該與賽達伯格湖有相似的結(jié)構(gòu)和功能。

基于以上考慮，在生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的學習基礎上，筆者指導學生模擬學校附近的花神湖，構(gòu)建小型人工生態(tài)系統(tǒng)——生態(tài)瓶，使生態(tài)瓶成為學習探究生態(tài)系統(tǒng)能量流動的真實情境。

2 情境中的模型教學

2.1 模型教學的意義

模型是抽象和形象的有機結(jié)合，能抽象表達本質(zhì)特征。模型研究是科學研究方法之一。生態(tài)學的研究是在大量野外觀察和調(diào)查的基礎上，分析各成分的關(guān)系，再通過構(gòu)建生態(tài)模型來研究真實系統(tǒng)的本質(zhì)和規(guī)律的。因此，教師可引導學生像科學家一樣在構(gòu)建模型中認識科學現(xiàn)象，親身體會科學家發(fā)現(xiàn)問題、構(gòu)建模型解釋現(xiàn)象、使用和研究模型并不斷地修正模型的過程，從而促進學生發(fā)展邏輯推理、批判性思維等科學思維?；谇榫车哪Ｐ徒虒W就是要引導學生充分分析情境中原型的各要素的結(jié)構(gòu)和功能，充分理解情境中原型各要素之間的生物學聯(lián)系，在從原型中抽象出本質(zhì)特征的同時，又能形象將本質(zhì)特征具體化、直觀化，充分調(diào)動和發(fā)揮學生的主體性，使學生在科學思維與動手實踐等方面體驗模型建構(gòu)的過程。

2.2 初步建模：從細胞的能量轉(zhuǎn)化到生態(tài)系統(tǒng)的能量流動

能量是一切生命活動的動力。能量的概念既抽象又微觀，同時也是跨學科的概念。教師從學生已有的知識基礎入手，可以幫助學生理解生命現(xiàn)象中的能量，進而理解能量的動態(tài)流動。學生在必修1中已學習光合作用和細胞呼吸的過程與本質(zhì)，從細胞水平上理解了物質(zhì)是能量的載體，能量是物質(zhì)合成的動力；理解了光合作用過程中光能轉(zhuǎn)化為化學能，儲存在有機物中；理解了細胞呼吸分解有機物，釋放的能量一部分轉(zhuǎn)化為熱量釋放，另一部分轉(zhuǎn)化為活躍的化學能，儲存在ATP中，用于自身的生命活動。在復習鞏固的基礎上，教師利用問題引導學生初步建模：（1）自然界中能量有多種形式，生物體中主要的能量形式是什么？存在于哪里？如何測量生物體所含能量？（2）結(jié)合光合作用和呼吸作用，以及ATP的形成的知識，你能用箭頭和框圖（圖1）示意動植物細胞能量的輸入、轉(zhuǎn)化和輸出嗎？（3）分析生態(tài)瓶中各生物的能量輸入、儲存和釋放，根據(jù)各成分間的食物關(guān)系，嘗試建立能量在生態(tài)瓶內(nèi)各生物間傳遞的示意圖（圖2）。在問題討論與模型建構(gòu)過程中，學生從理解細胞水平上的能量輸入、轉(zhuǎn)化與輸出，過渡到個體水平，再到種群水平，最后到營養(yǎng)級水平理解系統(tǒng)中能量的動態(tài)流動。

2.3 修正模型：從表象的分析到規(guī)律的發(fā)現(xiàn)

顯然，學生初建的模型是不完善的。此時，教師需要精心設計問題，引導學生深度思維，修正模型，闡釋規(guī)律：（1）生態(tài)瓶中除可見的動植物外，還有什么成分？其能量的來源與去路是什么？請修正你的模型（圖3）。（2）動物糞便是未消化吸收的食物殘渣，糞便中的能量來自哪里？攝入量與同化量有何關(guān)系？你能進一步修正模型嗎？（圖4）此時，教師出示教材中的能量流動示意圖（圖5），引導學生比較，使學生理解：生態(tài)系統(tǒng)作為一個開放的能量耗散系統(tǒng)，其最終能量來源是太陽能，流經(jīng)生態(tài)系統(tǒng)的總能量是生產(chǎn)者固定的太陽能。系統(tǒng)內(nèi)的能量是通過各生物呼吸作用以熱能形式散失的。生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)能量傳遞的渠道是食物鏈和食物網(wǎng)，各營養(yǎng)級傳遞的能量是該營養(yǎng)級生物同化的能量。

2.4 檢驗模型：來自賽達伯格湖的真實數(shù)據(jù)

課堂中基于生態(tài)瓶的能量流動的研究是通過思想實驗構(gòu)建的模型，缺少定量的實驗研究。教學中，教師為學生提供了林德曼的賽達伯格湖和佛羅里達洲的銀泉的實驗方法和分析數(shù)據(jù)，為學生檢驗模型提供事實證據(jù)。

資料1：分析生態(tài)系統(tǒng)的能量流動，是把每個物種都歸屬于一個特定的營養(yǎng)級中，然后精確地測定每一個營養(yǎng)級能量的輸入值和輸出值。這種分析目前多見于水生生態(tài)系統(tǒng)。因為水生生態(tài)系統(tǒng)邊界明確，便于計算能量和物質(zhì)的輸入量和輸出量。整個系統(tǒng)封閉性較強，與周圍環(huán)境的物質(zhì)和能量交換量小，內(nèi)環(huán)境比較穩(wěn)定，生態(tài)因子變化幅度小。

資料2：1940年，美國生態(tài)學家林德曼對賽達伯格湖的能量流動進行了定位定量測定，對湖泊生態(tài)各類生物有機體的生物量、各類生物有機體之間的營養(yǎng)關(guān)系以及與無機環(huán)境之間的能量關(guān)系深入研究與分析，依據(jù)獲得的實驗數(shù)據(jù)繪制了賽達伯格湖能量流動的數(shù)學模型（圖6）。

資料3：1957年，美國的生態(tài)學家H.T.Odum對佛羅里達洲的銀泉進行了生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)級和能量流動情況的調(diào)查，表1表示能流分析的結(jié)果。GP表示總同化量，NP表示凈積累量，R表示呼吸消耗量，NP=GP-R。

表1 銀泉的能量流動分析結(jié)果（單位：102kcal·m-2·a-1）

通過資料1的學習，學生知曉生態(tài)系統(tǒng)能量流動的研究方法，理解選擇水域生態(tài)系統(tǒng)更易開展定量分析。分析資料2的數(shù)據(jù)，學生發(fā)現(xiàn)賽達伯格湖生產(chǎn)者固定的能量大部分未被利用。未利用的能量是未被呼吸作用散失，未被下一級利用，也未被分解者利用的能量。那么，為什么會有大量的未利用能量？這部分能量到哪里去了呢？教師引導學生分析獲得數(shù)據(jù)的時空，發(fā)現(xiàn)林德曼的研究是某一年的數(shù)據(jù)，這就不難理解每年每一營養(yǎng)級都會有未被利用的能量。而賽達伯湖是泥碳型沼澤湖這一事實也幫助學生理解賽達伯湖大部分能量未補充利用能量的原因，這部分能量最終沉到湖底形成沉積物。在驗證了生態(tài)系統(tǒng)的能量流動遵循能量守恒定律的基礎上，教師引導學生用模型中的數(shù)據(jù)分析能量流動逐級遞減的原因：生產(chǎn)者總光合量（464.6）—呼吸量（96.3）—分解者利用量（12.5）—未利用量（293）=初級消費者同化量（62.8）（單位：J·cm-2·a-1）。

比較分析資料3，學生發(fā)現(xiàn)銀泉中的能量大部分用于呼吸作用散失了，說明銀泉生物代謝速率更快。那么，不同生態(tài)系統(tǒng)的傳遞效率相同嗎？教學中，教師將學生分組，分別計算兩個不同生態(tài)系統(tǒng)中各營養(yǎng)級間的能量傳遞效率（表2）。學生在比較中，思考賽格伯湖的能量流動只有3個營養(yǎng)級而銀泉有4個營養(yǎng)級的原因。在師生共同討論中，學生發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)者固定太陽能的能力和生產(chǎn)者的傳遞效率是主要的影響因素。生產(chǎn)者的傳遞效率越高，食物鏈一般較長，營養(yǎng)級也就越多。學生在比較中認同不同的生態(tài)系統(tǒng)的能量流動基本遵循1/10定律，也存在著差異性，從而理解生態(tài)系統(tǒng)的復雜性。

表2 賽達伯格湖、銀泉的能量傳遞效率

2.5 應用模型：在遷移比較中整合

應用模型解決新情境中的新問題是深入理解模型本質(zhì)特征的策略，也是教學中進行教學評價的基本途徑。分析人工魚塘生態(tài)系統(tǒng)的能量流動，可知生態(tài)系統(tǒng)的能量輸入不僅來自綠色植物固定的太陽能，還來自人工輸入的現(xiàn)成有機物中的化學能。這是為什么？從能量傳遞的遞減性分析可知，人工輸入能量才能更好地維持魚塘高產(chǎn)量，保障消費者對能量的需求。此時，教師出示能量流動的普適圖（圖7），引導學生觀察從外向內(nèi)能量的輸入通道，從內(nèi)向外能量的輸出通道，進一步鞏固生態(tài)系統(tǒng)能量流動的基本規(guī)律。同時，教師強調(diào)自然生態(tài)系統(tǒng)中由于可變因素很多，如年齡不同代謝速率不同、季節(jié)變化能量轉(zhuǎn)化率的差異對生態(tài)系統(tǒng)能量流動的實驗是非常困難的。不同的生態(tài)系統(tǒng)的能量流動的效率也是存在差異的。

3 回歸情境的再思考

模型從情境中來，也應回到情境中去。針對生態(tài)瓶，教師提出問題：從能流角度分析，如何較長時間維持生態(tài)瓶的穩(wěn)定性？為什么天然的花神湖比人工生態(tài)瓶的穩(wěn)定性更強？問題的討論既是對能量流動的規(guī)律的鞏固，更是為生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念與原理的學習打下了基礎。

情境中的學習過程是問題解決的過程，是知識建構(gòu)的過程，也是知識遷移應用的過程；其結(jié)果是培養(yǎng)學生的生物學學科核心素養(yǎng)。