摘 要：模型建構不僅是科學研究的一種重要方法，也是教與學的一種重要手段。《生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動》一課教學，通過創(chuàng)設社會生活與生產(chǎn)中的真實情境，引導學生開展基于“能量如何流動”問題的學習，充分經(jīng)歷能量流動的物理模型、概念模型、數(shù)學模型等的建構過程，分析能量流動的特點，總結能量流動的意義，發(fā)展科學思維。

關鍵詞：初中生物；模型建構；科學思維；《生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動》

《義務教育生物學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）指出，義務教育生物學課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)包括科學思維等；并進一步指出，建模是發(fā)展科學思維的一種方法。實際上，建模（模型建構）不僅是科學研究的一種重要方法，也是教與學的一種重要手段。^［1］由此，教學《生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動》一課時，教師可帶領學生充分經(jīng)歷物理模型、概念模型和數(shù)學模型等的建構過程，讓學生掌握模型建構的方法，發(fā)展科學思維。

一、教前思考

（一）解讀教材和課標

“生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動與物質(zhì)循環(huán)”是蘇教版初中生物學八年級上冊第十九章《生態(tài)系統(tǒng)》第二節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容分為兩個課時，其中“生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動”為第1課時，屬于新課標中“生物與環(huán)境”學習主題中的“生物與環(huán)境相互依賴、相互影響，形成多種多樣的生態(tài)系統(tǒng)”大概念下的教學內(nèi)容，對應“生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)和能量通過食物鏈在生物之間傳遞”這一次位概念。能量流動是生態(tài)系統(tǒng)的重要功能之一，能量流動的過程和特點是本課教學的重難點。

（二）分析學情

對于初二學生來說，能量是非常抽象的概念，從太陽能到生物體內(nèi)的化學能以及能量的吸收、利用、轉(zhuǎn)化、散失等，內(nèi)容比較復雜，知識點比較多。初中生的思維活動既有具體的形象思維又有抽象的邏輯思維，但仍屬于經(jīng)驗型思維。教師可引導學生像科學家一樣在模型建構中認識科學現(xiàn)象，切身體會科學家發(fā)現(xiàn)問題、建構模型解釋現(xiàn)象、使用和研究模型并不斷地修正模型的過程，從而促進學生邏輯推理、批判性思維等科學思維的發(fā)展。^［2］

（三）確定目標

基于上述分析，本課的教學目標確定如下：

1. 通過分析生態(tài)系統(tǒng)中食物鏈各成分的作用及關系，嘗試利用卡片、箭頭建構食物鏈中營養(yǎng)級之間能量傳遞關系的物理模型。

2. 嘗試分析食物鏈中各成分的能量流動過程，建構食物鏈中能量流動的概念模型。

3. 嘗試模擬能量在食物鏈中的流動，建構數(shù)學模型，演繹能量流動的過程，歸納能量流動的特點。

4. 聯(lián)系生活情境，參與社會生產(chǎn)實踐中現(xiàn)象的討論，總結能量流動的意義，應用模型解決問題，提升社會責任。

二、教學過程

課始，教師視頻展示兩個真實生活情境：（1）秋收好“豐”景；（2）農(nóng)田秸稈焚燒場景。緊接著拋出問題：直接燃燒秸稈有什么危害？是否是一種浪費？學生思考、辨析、討論，發(fā)表觀點。教師評價并進一步提問：秸稈中的能量從哪兒來？能量如何在生態(tài)系統(tǒng)中流動？以社會生活和生產(chǎn)實踐中的現(xiàn)象作為情境，引導學生圍繞社會議題開展辨析與討論，不僅讓學生感受農(nóng)民收獲的喜悅，也自然引發(fā)對秸稈處理方式的思考，勇于發(fā)表觀點，激發(fā)探索與求證的興趣。

接著，圍繞“能量流動如何進行”這一核心問題，引導學生建構能量流動的一系列模型，充分經(jīng)歷模型建構的過程，提升對能量流動的概念、過程、特點及意義的理解，形成能量多級利用的觀念，感悟生物與生物之間、生物與環(huán)境之間的密切關系。

（一）建構物理模型，表征營養(yǎng)級間能量傳遞的關系

生物學中的物理模型是直觀表達認識對象特征的模型，可以分為實物模型、圖畫模型等。^［3］針對食物鏈中各成分的作用和關系，可以運用物理模型，表征食物鏈營養(yǎng)級之間的能量傳遞關系，借助模型建構的過程，讓學生的思維得以可視化呈現(xiàn)。

教師出示溫帶草原生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)，以其中的“草→兔→鷹”這條食物鏈為例，引導學生思考：（1）草如何獲得太陽的能量？（2）草獲得的能量貯存在哪里？（3）草能獲得所有的太陽能嗎？學生聯(lián)系植物的光合作用原理思考并解決問題。

教師追問：食物鏈中的能量如何傳遞？學生思考后提出一系列問題：食物鏈中哪個營養(yǎng)級獲得的能量最多？營養(yǎng)級之間傳遞的能量都相等嗎？能量會倒流嗎？

為使學生的猜想可視化呈現(xiàn)，教師將學生以4人為一組分成若干組，提供剪刀、不同顏色的卡紙，引導學生用不同大小、顏色的卡片和箭頭模擬食物鏈中的能量傳遞過程。在學生開展合作的過程中，教師巡視，指導學生解決在模型建構過程中產(chǎn)生的疑問，如卡片不同顏色模擬不同營養(yǎng)級，卡片大小模擬營養(yǎng)級所含能量的多少，箭頭方向模擬能量傳遞方向等。教師選取學生代表展示小組建構的食物鏈中能量傳遞的模型（如圖1所示），描述能量在食物鏈中傳遞的情況，師生開展點評。教師再引導學生觀察各小組的模擬結果。有的小組將模擬營養(yǎng)級所含能量多少的卡片大小順序擺錯，有的小組出現(xiàn)箭頭方向擺錯的問題等。教師引導學生結合本小組物理模型建構情況開展分析與評價，在表達、展示、試錯、糾正等過程中感知能量在食物鏈各營養(yǎng)級中的傳遞過程，修正所建構的模型。

本環(huán)節(jié)以溫帶草原生態(tài)系統(tǒng)作為學習背景，以其中一條食物鏈為例，聯(lián)系太陽能與生態(tài)系統(tǒng)能量流動的關系，通過問題串設疑，激發(fā)學生思考、分析能量如何進入草的體內(nèi)，能否全部進入草的體內(nèi)等一系列問題，圍繞問題開展分析、討論，最終建構出“草→兔→鷹”食物鏈的能量傳遞模型，使學生初步感受能量的傳遞過程，加深對“生態(tài)系統(tǒng)中能量流動起點主要是生產(chǎn)者通過光合作用所固定的能量”的理解，為探究整個生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動過程做鋪墊。

（二）建構概念模型，論證食物鏈能量流動的特點

生物學中的概念模型是將零散的概念進行整理，歸納成具有共同特征或者共同完成某一功能體系，進而形成具有關聯(lián)性知識網(wǎng)的模型。^［4］本環(huán)節(jié)引導學生分析能量的利用、散失與轉(zhuǎn)化，建構能量流動的概念模型。

教師仍以“草→兔→鷹”食物鏈為例，組織學生圍繞“能量為什么會逐級減少”進行討論。學生提出一系列疑問：（1）草固定的能量如何被釋放、利用？（2）兔如何獲得能量？（3）鷹如何獲得能量？（4）兔獲得的能量會全部流入鷹的體內(nèi)嗎？

教師組織學生深度討論，借助光合作用、呼吸作用的概念圍繞問題（1），分析生產(chǎn)者草所處的第一營養(yǎng)級能量的來源與去向，用箭頭表示能量的去向，用文字表明能量釋放和散失的原因，先建構出該營養(yǎng)級能量流動的概念模型（如圖2）。

在此基礎上，教師引導學生圍繞問題（2）分析兔所處的第二營養(yǎng)級能量的來源與去向并用箭頭和文字表示。學生在分析過程中，將物質(zhì)和能量進行聯(lián)系，發(fā)展物質(zhì)與能量觀。在解決問題（1）和（2）的基礎上，學生對問題（3）和（4）的解決也有了清晰的方向。教師進一步追問：草、兔、鷹獲得的能量相同嗎？激發(fā)學生思考、分析、比較、推理各營養(yǎng)級之間的能量流動過程和特點，以小組為單位建構食物鏈中能量流動的概念模型。教師選取學生代表展示小組建構的食物鏈中能量流動的概念模型（如下頁圖3），師生共同評價，其他小組組員比對并糾正本組模型。學生在建構模型的過程中習得能量流動的特點是“單向流動，逐級減少”這一抽象且復雜的概念，突破學習難點，實現(xiàn)思維的遞進發(fā)展。

建構概念模型的過程是學生理解概念及概念間聯(lián)系的思維過程。教師引導學生基于問題進行深度討論，使概念間的聯(lián)系更加清晰。概念模型可直觀呈現(xiàn)能量的輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失，學生在交流中產(chǎn)生思維碰撞，對能量流動的過程進行深度分析、比較、推理，不斷評價與修正模型，進一步理解能量流動概念的內(nèi)涵，從理解一條食物鏈的能量流動過程到理解整個生態(tài)系統(tǒng)的能量流動特點，不斷深化科學思維。

（三）建構數(shù)學模型，演繹食物鏈能量傳遞的變化

生物學中的數(shù)學模型是指通過數(shù)學特有的公式、符號、圖像等內(nèi)容，以數(shù)學建模的形式展示出來的模型。^［5］能量在營養(yǎng)級之間的傳遞可以選用數(shù)學模型來直觀“量化”。

教師提供兩段背景資料：（1）太陽向地球傳遞能量的資料信息，其中包含“只有1%以可見光的形式被生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者通過光合作用轉(zhuǎn)化為化學能，固定在它們所制造的有機物中”等內(nèi)容；（2）能量金字塔相關資料，其中包含“能量在相鄰兩個營養(yǎng)級之間的傳遞效率為10%—20%”等內(nèi)容。

教師引導學生基于背景資料進行分析并提出問題：生態(tài)系統(tǒng)中的營養(yǎng)級會無限增加嗎？能量在食物鏈中能一直傳遞下去嗎？接著，教師引導學生尋找求證觀點的途徑，組織學生積極參與角色體驗活動，進行建模演繹：提供1個裝有1L紅墨水稀釋液的大燒杯，5個250mL的小燒杯及分別標有5個營養(yǎng)級的頭飾。教師扮演太陽，5個學生分別扮演不同營養(yǎng)級，紅墨水稀釋液模擬能量。教師將100mL紅墨水稀釋液傳遞到飾演第一營養(yǎng)級學生的燒杯中，模擬生產(chǎn)者通過光合作用固定能量。教師引導學生依據(jù)背景資料“能量在兩個營養(yǎng)級之間的傳遞效率為10%—20%”，取能量傳遞的最高效率20%，分別計算出營養(yǎng)級之間傳遞能量的量。教師呈現(xiàn)一個坐標系，x軸為營養(yǎng)級，y軸為能量，引導學生繪制能量流動的柱形圖，建構數(shù)學模型，量化能量傳遞過程中的變化。扮演營養(yǎng)級的學生依次向下一營養(yǎng)級倒入相應量的紅墨水稀釋液（后兩個營養(yǎng)級已經(jīng)很難準確傳遞），模擬能量的流入和流出。最終建構出的數(shù)學模型如下頁圖4所示。

自然環(huán)境中，食物關系復雜，食物網(wǎng)互相交錯，食物鏈長短不一，學生無法想象能量在食物鏈和食物網(wǎng)中的傳遞過程。于是，教師組織角色體驗活動，讓學生親自參與、實踐，突出學生主體。通過建立紅墨水稀釋液這一有顏色且可以流動的液體作為能量的模型，演繹能量在營養(yǎng)級之間的流動過程，并進一步測算數(shù)據(jù)，繪制能量流動的柱形圖，建構數(shù)學模型，引導學生直觀感受能量在傳遞過程中的變化。整個模擬活動是化抽象為具體的過程，趣味性與互動性十足，能夠有效促進學生科學思維的深化。

課尾，教師出示國家環(huán)保部門針對秸稈焚燒問題作出的新規(guī)定，引導學生應用建構的模型，解決真實情境中的問題——如何更好地實現(xiàn)秸稈中能量的有效多級利用。結合生活中其他能量有效利用的實例，學生自選材料，設計實現(xiàn)秸稈等能量多級利用的模型，展示并描述設計理念。然后，師生共同總結能量流動的意義。

三、教學反思

本課教學，通過創(chuàng)設社會生活與生產(chǎn)中的真實情境，引導學生開展基于“能量如何流動”問題的學習，建構能量流動的物理模型、概念模型、數(shù)學模型，求證能量流動的過程，分析能量流動的特點，總結能量流動的意義。學生充分經(jīng)歷模型建構的過程，在比較、展示、糾正與評價模型的過程中，思維得以可視化的呈現(xiàn)，產(chǎn)生智慧的火花。能量流動的概念、過程、特點、意義這些抽象的名詞以更加形象的方式表現(xiàn)出來。學生經(jīng)歷了基于證據(jù)和邏輯建構概念的過程，能夠深入理解概念，既實現(xiàn)了學習目標，又突破了學習難點。此外，學生對能量的輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失過程的理解也會得心應手，有利于發(fā)展物質(zhì)與能量觀；基于對能量流動概念的認識，學生還能激發(fā)對能量流動概念應用于生活、生產(chǎn)實踐的思考，實現(xiàn)態(tài)度責任的培養(yǎng)。

參考文獻：

［1］吳舉宏.從三維目標到核心素養(yǎng)：給生物教師的101條新建議［M］.南京：南京師范大學出版社，2019：223.

［2］周茜.例談基于真實情境的模型建構教學——以“能量流動”為例［J］.中學生物學，2020（11）：27.

［3］［4］［5］劉新星.初中生物學模型深度教學構建活動的課堂實踐研究［J］.基礎教育論壇，2021（27）：104，104，104.