王美霞 侯妹仿

（北京市密云區(qū)第二中學 北京 101500）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》明確提出生物學科核心素養(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(dǎo)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)。模型與建模是一種重要的科學思維，在教學過程中鼓勵學生基于生物學事實和證據(jù)，運用建模的思維方法闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律［2］，利用建立的模型解釋和預(yù)測相似的生物學問題和現(xiàn)象?！吧鷳B(tài)系統(tǒng)能量流動”一節(jié)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)學生模型與建模等科學思維的典型案例。

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》在本部分的教學建議中提出可調(diào)查或探討當?shù)啬硞€生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動，使用圖示等方式表征和說明生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動和信息傳遞，并對相關(guān)的生態(tài)學實踐應(yīng)用作出合理的分析判斷，提高環(huán)境保護意識［1］。作為北京市密云區(qū)的學生，密云水庫與其生活聯(lián)系密切，很多學生就生活在水庫周邊，對密云水庫的保護措施比較熟悉，但并不了解措施背后的生態(tài)學原理。

基于以上分析，在教學中組織學生借助中國知網(wǎng)等完成與密云水庫相關(guān)的4 個調(diào)查報告并在課堂上進行交流，讓學生對密云水庫生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展有更全面的了解。然后教師對相關(guān)資料進行整理，匯編為課堂使用的導(dǎo)學案，創(chuàng)設(shè)真實教學情境，指導(dǎo)學生建立能量流動概念模型和數(shù)學模型，并分析模型總結(jié)規(guī)律，應(yīng)用規(guī)律分析密云水庫生態(tài)保護措施的合理性，更加了解和熱愛自己的家鄉(xiāng)，樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的生態(tài)保護理念。

1 建立生態(tài)系統(tǒng)能量流動模型，滲透建模思維

1.1 初步建立能量流動概念模型和數(shù)學模型在生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學中，指導(dǎo)學生建立密云水庫生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（圖1），明確水庫中主要生物類群及生物與環(huán)境之間的關(guān)系，初步建立物質(zhì)與能量觀。在學習物質(zhì)循環(huán)之后提出問題：能量在水庫生態(tài)系統(tǒng)中是如何流動的？明確建立模型的目的是研究能量流動的規(guī)律。

圖1 密云水庫生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

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)，所以課前讓學生復(fù)習光合作用和呼吸作用，明確自然界中有光能、儲存在有機物中的化學能、熱能等能量形式，理解在細胞水平上不同能量之間的轉(zhuǎn)化。

1.1.1 建立概念模型 在教學中引導(dǎo)學生分析密云水庫一條食物鏈上每個營養(yǎng)級能量的來源和去向，并比較輸入每個營養(yǎng)級能量的大小，思考每條食物鏈能量流動過程是否都一樣。學生發(fā)現(xiàn)由于每條食物鏈的組成成分相同，所以能量流動過程都一樣，可將食物鏈上的具體生物換為組成成分，據(jù)此提出一個能量流動模型以反映能量流動規(guī)律。在建立模型時要求學生用箭頭的粗細表示輸入某營養(yǎng)級能量的多少，用長方形面積的大小表示某個營養(yǎng)級同化能量的多少（圖2）。學生經(jīng)歷了從特殊到一般的思維過程，在構(gòu)建概念模型中發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)級越高同化的能量越少，初步發(fā)現(xiàn)了能量流動逐級遞減的規(guī)律。

1.1.2 建立數(shù)學模型 在學生建立概念模型的基礎(chǔ)上，將模型中每一營養(yǎng)級同化的能量、呼吸作用散失的熱能、分解者利用的能量分別用字母A、R、V 表示，用n 表示營養(yǎng)級。引導(dǎo)學生用語言表述A、R、V 的含義，并尋找A1、A2、A3、R1、R2、R3、V1、V2、V3 之間的數(shù)學關(guān)系（圖2），在此基礎(chǔ)上歸納出數(shù)學公式An=An+1+Rn+Vn，用數(shù)學模型反應(yīng)能量流動的規(guī)律。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)能量流動模型

1.2 檢驗和修正能量流動模型 模型是否準確需要實踐檢驗，需要進行定量研究調(diào)查公式中的各個能量值，引導(dǎo)學生用林德曼的賽達伯格湖研究結(jié)果檢驗前面建立的能量流動模型。

通過比較，學生將未利用的能量（用字母F 表示）添加到概念模型上，并將數(shù)學模型修正為An=An+1+Rn+Vn+Fn。接著讓學生用賽達伯格湖的具體數(shù)據(jù)驗證數(shù)學模型的正確性。學生在驗證中就會發(fā)現(xiàn)，如果n 不是最高營養(yǎng)級，會被天敵捕食從而使部分同化的能量流動到下一個營養(yǎng)級，則：An=An+1+Rn+Vn+Fn；如果n 是最高營養(yǎng)級，不被捕食，同化的能量不能流動到下一個營養(yǎng)級，則：An=Rn+Vn+Fn。至此，學生通過活動不但建立了生態(tài)系統(tǒng)能量流動的概念模型和數(shù)學模型（圖2），還很好地滲透了建模的思想方法。

2 研究模型，歸納能量流動概念和規(guī)律

根據(jù)模型，引導(dǎo)學生思考在生物群落和無機環(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，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)境輸入到生物群落，轉(zhuǎn)化為化學能沿著營養(yǎng)級逐級傳遞，最后通過生物的呼吸作用轉(zhuǎn)化為熱能散失到無機環(huán)境，不能再利用。進而總結(jié)得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)能量單向流動不可循環(huán)的規(guī)律。

引導(dǎo)學生對數(shù)學模型進一步推理An+1=An-Rn-Vn-Fn，得出An+1＜An，并解釋原因，真正理解能量流動逐級遞減的規(guī)律。利用賽達伯格湖的能量流動圖，計算能量在2 個營養(yǎng)級之間的傳遞效率An+1／An，發(fā)現(xiàn)相鄰2 個營養(yǎng)級之間的傳遞效率是10%～20%，并建立能量金字塔。

最后啟發(fā)學生思考賽達伯格湖輸入的總能量、輸出的總能量，以及該湖泊所處的演替階段，從系統(tǒng)分析的角度理解一個湖泊的能量流動狀態(tài)決定了湖泊的發(fā)展階段。

3 應(yīng)用能量流動規(guī)律解決實際問題，滲透生態(tài)環(huán)保理念

結(jié)合密云水庫保護的實際情況，向?qū)W生出示以下資料。

資料1：2016—2018年密云水庫蓄水量從10 億m3漲到22 億m3，目前水深146 m，水面131 km2。水量增加為水質(zhì)安全帶來挑戰(zhàn)，水庫管理中心設(shè)立46 個監(jiān)測站［3］，每周檢測水庫中浮游植物、浮游動物、底棲動物的生物量（單位面積內(nèi)生物的總重量），以反映密云水庫水質(zhì)的富營養(yǎng)化程度，防止水華的爆發(fā)。

資料2：密云水庫每年在4月1日—9月30日的休漁期投放魚苗。2016年增殖放流鰱魚4.21×105kg、鳙魚1.29×105kg、魴魚2×104kg，共計放流凈水魚類5.72×105kg。2017年增殖放流鰱魚5.36×105kg、鳙魚2.26×105kg、魴魚2.1×104kg，共計放流凈水魚類7.83×105kg。2018年增殖放流情況與2017年相同。

資料3：水華的爆發(fā)主要是由于藍藻等大量繁殖造成的，鰱魚和鳙魚是濾食性魚，以浮游動植物為食，一條1 kg 左右的鰱魚1 個月能吃掉2 kg 藍藻，同樣大小的一條鳙魚，1 個月能消耗3.66 kg 藍藻。

根據(jù)資料，讓學生從生態(tài)保護和經(jīng)濟效益的角度思考以下3 個問題：1）為什么要投放濾食性魚而不是肉食性魚？2）從密云水庫的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)分析，每年的最佳魚苗增殖放流量是如何確定的？3）有人認為每年增殖放流魚苗增加了經(jīng)濟成本，破壞了水庫原有營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，應(yīng)該停止投放魚苗，在開漁期適量捕撈水庫原有魚類，你同意嗎？請說明理由。

以上3 個問題來源于實踐，也是學生在做調(diào)查報告時自己提出的。濾食性魚捕食藻類，防止水華發(fā)生，凈化水質(zhì)。肉食性魚類捕食濾食性魚類，使藻類大量增殖，加重水庫富營養(yǎng)化。肉食性魚類營養(yǎng)級較高，獲取的能量少，產(chǎn)量低。所以投放濾食性魚是生態(tài)與經(jīng)濟并舉的措施，既能防止水華的發(fā)生，還能獲得最大經(jīng)濟效益。根據(jù)資料1 的信息和能量傳遞規(guī)律，每年的增殖放流量是根據(jù)上一營養(yǎng)級即浮游植物的生物量計算得出的。通過定期的適量投放和捕撈魚類，調(diào)整了水庫營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和能量流動關(guān)系，使第一營養(yǎng)級中藍藻的能量通過濾食性魚類離開水庫，既保護水庫水質(zhì)，又使部分能量持續(xù)高效流向人類。如果不適當增加能量的輸入，只一味地捕撈，可能會導(dǎo)致能量輸出大于輸入，破壞水庫生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

該教學環(huán)節(jié)不僅培養(yǎng)學生獲取信息應(yīng)用所學知識解決真實問題的能力，同時使學生更加了解自己的家鄉(xiāng)，樹立依自然規(guī)律參與生態(tài)保護實踐的理念。學生還可利用自己的知識向身邊人傳播生態(tài)保護的理念，幫助百姓理解政府的各種水庫保護措施，深刻體會綠水青山就是金山銀山的生態(tài)保護理念。

4 教學反思

生物學核心素養(yǎng)是學生在解決真實情景中的實際問題時所表現(xiàn)出的價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力［1］。教師在教學中圍繞教學主題，借助當?shù)厣鷳B(tài)資源，創(chuàng)設(shè)真實情境，提出真實問題，在活動中留充足的時間讓學生真正解決問題。在邏輯嚴密的學習環(huán)節(jié)中滲透了模型與建模的科學思維和生態(tài)與經(jīng)濟并舉的生態(tài)環(huán)保理念。不足之處是由于季節(jié)和安全原因，沒有組織學生實地調(diào)查，在以后的教學中可根據(jù)實際情況組織學生到密云水庫進行實地的調(diào)查研究。