“三步”再現(xiàn)能量流動的過程

張 純 （南京師范大學附屬揚子中學 江蘇南京 210048）

生態(tài)系統(tǒng)的能量流動圖歷來是學生學習過程中的難點，也是高中生物學的高頻命題點。由于學生對能量關(guān)系的認識模糊，導致不能準確地判斷能量的來源和去路，不能判斷能量值之間的數(shù)量關(guān)系，不能準確地計算能量的傳遞效率。

進入一輪復習的學生，對于生態(tài)系統(tǒng)能量流動的單向傳遞和逐級遞減的特點及10%～20%傳遞效率已有一定的了解。在課堂中，教師可利用隨手可得的材料，引導學生構(gòu)建模型，清晰再現(xiàn)能量傳遞過程，化抽象為形象、變靜態(tài)為動態(tài)，使知識化難為易，直觀明了地體現(xiàn)抽象、肉眼看不到的能量傳遞的過程。

1 “剪切”紙片——確定不同營養(yǎng)級的同化量

1.1 創(chuàng)設(shè)問題情境

教師提出問題：能量流動的渠道是食物鏈和食物網(wǎng)，如果用不同顏色的紙代表不同營養(yǎng)級，用紙片的面積大小表示能量的多少。假如此生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)者固定的太陽能的大小用20*20 cm的黃色紙片表示，那么，其他營養(yǎng)級同化的能量用多大的紙片（正方形或長方形均可）代表比較合適？這條食物鏈上最多有幾個營養(yǎng)級？

1.2 學生活動

因為學生已有能量傳遞效率為10%、20%的知識儲備，所以能計算出：

如果以能量傳遞效率10%計算，生產(chǎn)者（400）→初級消費者（40）→次級消費者（4）→三級消費者（0.4）→，紙片模型如圖1所示。

圖1 能量傳遞效率為10%的能量流動紙片模型

如果以能量傳遞效率20%計算，生產(chǎn)者（400）→初級消費者（80）→次級消費者（16）→三級消費者（3.2），紙片模型如圖2所示。

2 “拆分”紙片——確定能量的來源和去路

圖2 能量傳遞效率為20%的能量流動紙片模型

2.1 創(chuàng)設(shè)問題情境

教師提出問題：生產(chǎn)者固定的太陽能是流經(jīng)該生態(tài)系統(tǒng)的總能量。但是，生產(chǎn)者同化的能量只有一部分傳遞給初級消費者。在物理中，我們已經(jīng)學過了能量守恒定律，那么，其他的能量到哪里去了？請在合適大小的紙片上寫上能量的去路。

2.2 學生活動

學生討論和查閱課本后，能夠得出：生產(chǎn)者同化的能量，一部分在呼吸作用中以熱能的形式散失，另一部分儲存在植物體內(nèi)，用于自身的生命活動。儲存在植物體內(nèi)的能量，一部分隨著植物體的衰老死亡以枯枝落葉的形式被分解者分解而散失，另一部分通過初級消費者的取食而流入第二營養(yǎng)級。學生能夠列出如圖3所示的能量去路圖。

圖3 能量去路的紙片模型圖

3 “回拼”紙片——確定能量之間的關(guān)系

3.1 創(chuàng)設(shè)問題情境

教師提出問題：生產(chǎn)者同化的能量，除了呼吸消耗，初級消費者同化和分解者分解這三條途徑之外，還有部分的能量未被利用，由于能量守恒定律，所以這四個紙片的大小總和應(yīng)該是等于生產(chǎn)者同化量紙片的大小。請分別將紙片回拼到初級消費者同化的能量和生產(chǎn)者同化的能量上。

3.2 學生活動

初級消費者同化的能量一部分呼吸消耗以熱能形式散失，一部分傳給次級消費者，一部分被分解者分解，還有一部分未被利用。學生將這四個紙片貼回到初級消費者同化的能量（圖4）上。

同理，生產(chǎn)者同化的能量也可以分成四個部分，而且這四個部分的也是可以回拼回來的，如圖5所示。

4 教學反思

圖4 學生回拼的紙片模型

圖5 生產(chǎn)者同化能量的紙片模型

生物學是一門實驗的科學，由于受到主、客觀因素的限制，生態(tài)系統(tǒng)能量流動的過程在高中階段很難通過實際實驗來進行觀察和數(shù)據(jù)統(tǒng)計。這時，模擬實驗就能有效進行補充，可突破時間和空間的限制，清晰再現(xiàn)能量傳遞過程。

首先，根據(jù)皮亞杰的認知發(fā)展觀，高中生的認知發(fā)展水平屬于形式運算階段，此階段學生抽象思維較強。用紙片模擬生態(tài)系統(tǒng)中能量流動過程，給學生一個新的刺激情境，學生在這個情境中利用已有的圖式或認知結(jié)構(gòu)，通過邏輯思維把動態(tài)拼圖的過程整合到自己的認知結(jié)構(gòu)，在教師的引導下突破“最近發(fā)展區(qū)”，把外在的知識內(nèi)化為自己的知識，從而實現(xiàn)知識的同化和加深。

其次，拼圖活動是一個動態(tài)生成的過程，從不同營養(yǎng)級能量傳遞效率到某一營養(yǎng)級能量的去路，逐層展開，化繁為簡，構(gòu)建了學生知識動態(tài)生成過程，保證了課堂教學效果。通過覆蓋、疊加和逐層分解的操作，能體現(xiàn)不同能量之間的包含關(guān)系，有助于學生理解其中的等量關(guān)系。

最后，反復的能量分解和能量合并能夠加深學生對模型的理解。教師若只是將自己構(gòu)建的模型簡單灌輸給學生，無疑剝奪了學生思考的權(quán)利，也失去了鍛煉學生能力的寶貴機會。為了取得對實驗對象的認識，并對能量流動過程有感性的認識，通過對紙片的剪切和紙片的拼圖來幫助學生記憶和理解知識點，思考解決問題的方案并動手操作。模擬實驗操作的可重復性、學生親自動手實驗獲取知識過程的體驗性、實驗現(xiàn)象視覺沖擊的震憾性可以幫助學生理解抽象的能量流動過程和數(shù)據(jù)的關(guān)系。