“生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動”一節(jié)的教學設計

朱慧娟

(江蘇省溧水高級中學 211200)

1 教學內(nèi)容分析

“能量流動”是蘇教版高中生物學教材《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》第4章第2節(jié)的內(nèi)容之一。作為第四章的重點，本節(jié)以“生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)”為基礎，既與光合作用、呼吸作用、細胞的結(jié)構(gòu)等知識建立聯(lián)系，又直接關(guān)系到“物質(zhì)循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性”的學習。教材通過概括性地指出 “生態(tài)系統(tǒng)能量流動的概念”，即生態(tài)系統(tǒng)中能量的輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失的過程，引導學生思考生態(tài)系統(tǒng)的能量是如何輸入、傳遞和轉(zhuǎn)化和散失的，進而引出本節(jié)的三個主題內(nèi)容：能量流動的過程、能量流動的特點和效率、研究能量流動的實踐意義。依據(jù)教學內(nèi)容，對教學過程的設計，可通過具體食物鏈呈現(xiàn)，讓學生自己分析該食物鏈中的生物是如何分別獲得能量，引出能量的輸入和傳遞與轉(zhuǎn)化，再聯(lián)系細胞呼吸，指出能量的散失，最終引出能量流動的概念；針對能量流動的過程和特點這一難點，讓學生用具體食物鏈做例子，學習認識每個營養(yǎng)級能量流動過程后，總結(jié)能量流動連續(xù)的過程圖及其能量流動特點；將林德曼分析賽達伯格湖能量流動過程圖放在能量流動過程后講解，以鞏固前面所學內(nèi)容。為了讓學生達成學習目標，以階梯問題引領(lǐng)，一步步引導學生思考、討論，并采取視頻展示、動畫演示、圖形變換、分組討論等形式，使學生的思維被充分調(diào)動起來。

2 教學目標

2.1 知識目標 了解生態(tài)系統(tǒng)能量流動的概念，以及能量流動的過程；說出能量流動的特點；舉例說出研究生態(tài)系統(tǒng)能量流動的意義。

2.2 能力目標 嘗試定量地分析某個具體生態(tài)系統(tǒng)的能量流動過程和特點，培養(yǎng)分析、綜合和推理的思維能力。

2.3 情感態(tài)度與價值觀目標 關(guān)注“研究生態(tài)系統(tǒng)能量流動的意義”，領(lǐng)悟科學技術(shù)是第一生產(chǎn)力的觀點。

3 教學過程

3.1 創(chuàng)設情境，引出能量流動概念 播放《動物世界》的片段：陽光照在一片大草原上，一群兔子在邊吃草邊玩耍，有的兔子邊吃邊排便。遠處可以看到不斷在天空盤旋的老鷹，它們瞅準時機，向兔群俯沖，幾次努力就抓住了兔子。此后，結(jié)合上節(jié)內(nèi)容，讓學生寫出對應的食物鏈(草→兔→鷹)。針對該食物鏈提問：①該食物鏈起點是什么？為什么？②草的能量來源是什么？③兔子的能量來自哪里？④兔子吃草，能利用草的所有能量嗎？讓學生初步了解能量是由生產(chǎn)者固定和由太陽能轉(zhuǎn)化而來的，是沿著食物鏈(網(wǎng))傳遞的，能量不能毫無損失地傳給后一個營養(yǎng)級，傳遞過程中有能量的散失。從而讓學生抓住能量流動概念中的關(guān)鍵詞：能量的輸入、傳遞、 轉(zhuǎn)化、散失，掌握能量流動的概念。

3.2 分析與綜合，闡述能量流動過程 能量是沿著食物鏈流動的，能量流動過程是連續(xù)的。將其連續(xù)的過程先分解，通過具體食物鏈：草→兔→鷹，將每個營養(yǎng)級具體分析，在了解每個營養(yǎng)級能量來源和去路后，再綜合起來，畫出完整的能量流動過程圖,得出能量流動的具體過程。

3.2.1 第一營養(yǎng)級能量流動過程 播放該視頻片段，通過問題引導學生思考：①草的能量來自哪里? ②照射在草上的太陽能都被吸收了嗎? ③草吸收了太陽能后,這些能量有哪些去向？進而讓學生自主學習填空(圖1)，完成對第一營養(yǎng)級能量流動的過程分析。

圖1 第一營養(yǎng)級能量流動過程填空

其中，針對學生難以理解“什么是未被利用的能量”，可舉例兔子吃草，草根未被吃掉，草根中的能量就是“未被利用”；兔子不能吃光所有草，那些還沒被吃掉又沒被分解的草所含的能量也是“未被利用”。

3.2.2 第二營養(yǎng)級能量流動過程 第二營養(yǎng)級能量流動過程涉及的概念較多，例如攝入量、同化量以及糞便量，教師可采取多種方式呈現(xiàn)，多種圖形變換來加強學生的理解。

3.2.2.1 多種方式呈現(xiàn) 為讓學生掌握同化量與攝入量概念的區(qū)別，播放一只兔子邊吃邊拉的視頻，提問：①該兔子攝入的草全部被吸收了嗎？還有哪部分未吸收？②兔糞便中的能量有沒有流入兔子體內(nèi)？引出“同化的能量=攝入的能量-糞便中的能量”的結(jié)論。為了強調(diào)糞便中能量的歸屬，提問：兔子糞便本質(zhì)是未消化的什么？引導學生將兔子糞便看作是草的尸體，該部分草僅是在兔子消化道中“旅游了”一次，并未被吸收。因此，這部分能量依然看作是草的，屬于草流向分解者的一部分。

此外，通過問題呈現(xiàn)，檢測學生掌握情況：大象是一種植食性動物，有一種蜣螂則專以象糞為食，則流入蜣螂體內(nèi)能量來自： A、大象 B、草 C、大象和草 D、大象或草。讓學生思考并掌握相關(guān)知識點。

3.2.2.2 多種圖形變換 教材中并未展現(xiàn)能量流經(jīng)第二營養(yǎng)級的示意圖，可補充示意圖(圖2)，并將純粹的記憶內(nèi)容變成理解性的填空：

圖2 能量流經(jīng)第二營養(yǎng)級示意圖

消費者攝入能量(a)=________+________

消費者同化能量(b)=________+________

此后，可再將復雜的圖形簡化成類似于圖1的格式(圖略)，讓學生換一種圖形再次強化對該知識內(nèi)容的認識。

3.2.3 最高營養(yǎng)級能量流動過程 有的食物鏈營養(yǎng)級數(shù)比較多，中間環(huán)節(jié)的消費者與兔的能量流動的過程是相似的，因此不需要花太多時間去重復。可針對最高營養(yǎng)級消費者與兔的能量流動的過程存在的差異，以本節(jié)食物鏈中的鷹為例，設問：鷹的能量去向與兔相比有什么不同？讓學生思考、理解。

3.2.4 總結(jié)生態(tài)系統(tǒng)能量流動過程及特點 通過既看部分又看整體的思路，讓學生理解每個營養(yǎng)級能量流動過程后，總結(jié)能量流動連續(xù)的過程圖(圖3)。并結(jié)合能量流動示意圖，對照能量流動概念，分組討論以下問題：

圖3 能量流動連續(xù)的過程圖

(1)輸入：生態(tài)系統(tǒng)的最終能量來源是________，通過生產(chǎn)者的________作用，將________能轉(zhuǎn)化為________能。能量流動的起點是________。假如生產(chǎn)者固定的能量為a，初級消費者同化量為b，次級消費者同化量為c，三級消費者同化量為d，則流經(jīng)生態(tài)系統(tǒng)的總能量是________。

(2)傳遞：能量傳遞的渠道是________，渠道的起點是________。

(3)散失：能量散失的途徑是________，散失的能量形式是________能。

(4)轉(zhuǎn)化：生態(tài)系統(tǒng)能量流動過程中能量轉(zhuǎn)化形式是________能→________能→________能。

此后設問：結(jié)合圖中箭頭的方向和粗細，說明能量流動有哪些特點？引導學生得出能量單向流動、逐級遞減的特點。

3.3 結(jié)合案例，定量計算能量的傳遞效率 結(jié)合賽達伯格湖的案例對能量流動進行定量分析。強調(diào)定量分析是生物學研究的常見方法，很多重要的發(fā)現(xiàn)是從統(tǒng)計學定量分析開始的。

例如，孟德爾通過定量分析，提出了分離和自由組合定律；摩爾根對不同性別果蠅眼色的定量分析，發(fā)現(xiàn)了基因在染色體上，并提出了連鎖互換定律；林德曼通過對賽達伯格湖多年的研究，發(fā)現(xiàn)能量流動的規(guī)律讓學生領(lǐng)悟科學探究需要有持之以恒、不輕言放棄的精神。

由于賽達伯格湖的能量流動圖較復雜，可嘗試由學生自己標注箭頭。通過以下問題逐步完成圖形分析：①輸入該生態(tài)系統(tǒng)的總能量是多少？②生產(chǎn)者的能量去向有幾個箭頭？分別是哪些？③植食性動物同化能量是多少？其能量去向有幾個箭頭？分別是哪些？④肉食性動物同化能量是多少？其能量去向有幾個箭頭？分別是哪些？再讓學生完成表1：

表1 不同營養(yǎng)級的同化能量與能量分配

為鞏固對同化能量去向的認識，提問：同化能量與后面能量分配的值有什么關(guān)系？計算：第一營養(yǎng)級到第二營養(yǎng)級的傳遞效率是？第二營養(yǎng)級到第三營養(yǎng)級的傳遞效率是？得出相鄰兩個營養(yǎng)級能量的傳遞效率是10%～20%？進一步讓學生思考，為什么只有這么多的能量傳入下一個營養(yǎng)級。

3.4 能量金字塔 根據(jù)單位時間內(nèi)各個營養(yǎng)級所得到的能量數(shù)值繪制成圖，可形成一個金字塔圖形。其特征是，隨營養(yǎng)級的升高，生物獲得的能量越少。強調(diào)能量金字塔是整個生態(tài)系統(tǒng)中各營養(yǎng)級與能量的關(guān)系，而不是一條食物鏈中的各營養(yǎng)級與能量的關(guān)系。再用兩條具體食物鏈來比較：草→兔→熊，草→兔→狐→熊。設草固定的太陽能為10000千焦，按10%的傳遞效率計算，熊得到的能量分別是多少？(食物鏈越長，消耗的能量就多，最后的營養(yǎng)級獲得能量就少，所以食物鏈一般不超過4～5個營養(yǎng)級)此外，聯(lián)系典例設問，深化學生對能量流動特點的理解。

3.5 聯(lián)系實際，指出研究能量流動的實踐意義 例如，投影焚燒秸稈的畫面，提問：這樣做秸稈中的能量去哪了？有沒有流向人類？如何將秸稈中的能量充分利用起來？(如將秸稈捆回家當柴火、制作沼氣等)；投影農(nóng)村撿牛糞燒，提問：牛糞中有可利用的能量嗎？這些能量來自第幾營養(yǎng)級？投影桑基魚塘，指出學習能量流動，能幫助人們科學規(guī)劃、設計人工生態(tài)系統(tǒng)，使能量得到最有效的利用；投影農(nóng)田除草除蟲畫面，提問：為什么要除草除蟲？(如果不除草，雜草會與水稻競爭陽光，雜草的競爭力強，太陽能就會更多的流向雜草；如果不除蟲，水稻本該流向人的能量就會流向蟲)得到結(jié)論：研究能量流動，可以幫助人們合理地調(diào)整生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動關(guān)系，使能量持續(xù)高效地流向?qū)θ祟愖钣幸娴牟糠?。再讓學生思考身邊還有哪些例子能體現(xiàn)研究能量流動的意義。

4 教學反思

為突破難點，本節(jié)課采取從整體到部分再到整體，起到比較好的效果。在分析能量流動過程時抓住典型代表“兔”來著重分析，對鷹的能量流動只用一個問題“與兔相比，鷹的能量流動過程有什么不同點”來概括。為了強化糞便中能量的歸屬，引導學生將兔子糞便看作是草的尸體，該部分草僅僅是在兔子消化道中“旅游了”一次，并未被吸收，因此這部分能量依然看作是草的，屬于草流向分解者的一部分。這樣，學生不會發(fā)生理解錯位。在賽達伯格湖的案例分析中，并未直接投影林德曼分析的全圖，而是讓學生先去對照自己已有知識去畫圖，畫的時候思考，每個營養(yǎng)級的箭頭所表示的能量來源和能量去向。最后再與教材的插圖對比，反思自己對知識的掌握與運用。