基于科學(xué)思維的概念教學(xué)設(shè)計(jì)

丘城鋒

摘要：基于學(xué)生的認(rèn)知?jiǎng)訖C(jī)、認(rèn)知行為、認(rèn)知方式和認(rèn)知品質(zhì)，運(yùn)用分析與綜合、模型與建模和批判性思維等科學(xué)思維方法對(duì)“能量流動(dòng)”的概念進(jìn)行構(gòu)建。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維 能量流動(dòng) 概念教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的基本理念以發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)為宗旨，課程的設(shè)計(jì)和實(shí)施追求“少而精”原則，內(nèi)容聚焦大概念，精簡(jiǎn)容量、突出重點(diǎn)、明確學(xué)習(xí)要求，讓學(xué)生能夠深刻理解和應(yīng)用重要的生物學(xué)概念，發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)?！翱茖W(xué)思維”是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問(wèn)題的思維習(xí)慣和能力。生物學(xué)概念建構(gòu)的過(guò)程就是學(xué)生逐步發(fā)展科學(xué)思維，基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)去探索求知，獲取新知識(shí)的過(guò)程。

1教材和學(xué)情分析

“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)”是人教版高中生物教材《必修3·穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》中第五章第二節(jié)的內(nèi)容，是生態(tài)系統(tǒng)的三大功能之一。在學(xué)習(xí)該功能之前，學(xué)生己建立了物理學(xué)的能量、能量傳遞、能量守恒等基本概念，己具備生物學(xué)中光合作用和呼吸作用的物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換觀(guān)念，己進(jìn)行種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)組成成分和營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)。教師通過(guò)上述知識(shí)鋪墊，激發(fā)、培養(yǎng)、發(fā)展和完善學(xué)生的科學(xué)思維，聚焦能量流動(dòng)概念的內(nèi)涵并拓展其外延（表1）。

2教學(xué)目標(biāo)

①通過(guò)構(gòu)建能量流動(dòng)概念，理解生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)過(guò)程，形成物質(zhì)與能量觀(guān)。

②通過(guò)構(gòu)建能量流動(dòng)概念模型，發(fā)展分析與綜合、模型與建模、批判性思維等科學(xué)思維能力。

③通過(guò)數(shù)學(xué)方法分析賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)圖解，運(yùn)用同位素示蹤法演繹推理能量流動(dòng)過(guò)程，提升科學(xué)分析的能力。

④通過(guò)用能量流動(dòng)規(guī)律解釋研究能量流動(dòng)的意義，形成人與自然和諧發(fā)展以及可持續(xù)發(fā)展的觀(guān)念。

3教學(xué)設(shè)計(jì)思路

科學(xué)思維是人類(lèi)對(duì)自然界中客觀(guān)事物的一種認(rèn)知?jiǎng)訖C(jī)、認(rèn)知行為、認(rèn)知方式和認(rèn)知品質(zhì)的反映。本節(jié)課的教學(xué)思路是對(duì)能量流動(dòng)的概念進(jìn)行提煉和升華：提煉過(guò)程要營(yíng)造事實(shí)情境、尊重科學(xué)證據(jù)、運(yùn)用科學(xué)思維加工和形成概念;升華過(guò)程包括提出觀(guān)點(diǎn)去解釋生活現(xiàn)象，運(yùn)用方法去解決生活問(wèn)題，進(jìn)而提升對(duì)概念的認(rèn)知品質(zhì)（圖1）。

4教學(xué)過(guò)程

4.1營(yíng)造事實(shí)情境，激發(fā)認(rèn)知?jiǎng)訖C(jī)

教師組織學(xué)生調(diào)查廣州白云山森林生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)情況。為使調(diào)查更具有科學(xué)性和目的性，調(diào)查前，教師提出以下問(wèn)題：科學(xué)家是如何研究生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)？能量是怎樣輸入生態(tài)系統(tǒng)？不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物是如何獲取能量？能量在不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間流動(dòng)的渠道是什么？這些問(wèn)題直指調(diào)查的方法和目的，明確學(xué)生的調(diào)查任務(wù)。

學(xué)生搜集資料，發(fā)現(xiàn)科學(xué)家研究能量流動(dòng)的常用方法有直接觀(guān)察法、腸胃分析法和同位素示蹤法，學(xué)生比較3種方法后，結(jié)合調(diào)查的實(shí)際情況，采用直接觀(guān)察法調(diào)查白云山森林生態(tài)系統(tǒng)的組成成分，分析各種成分之間的結(jié)構(gòu)聯(lián)系，并初步探討該生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)途徑和過(guò)程。最后，教師引導(dǎo)學(xué)生將各自列舉的食物鏈（網(wǎng)）進(jìn)行綜合歸納，構(gòu)建白云山森林生態(tài)系統(tǒng)最基本的能量流動(dòng)模型：太陽(yáng)光一生產(chǎn)者一初級(jí)消費(fèi)者一次級(jí)消費(fèi)者。教師依此事實(shí)情境，激發(fā)學(xué)生“崇尚真知，追求科學(xué)知識(shí)”的認(rèn)知?jiǎng)訖C(jī)。

4.2依據(jù)科學(xué)證據(jù)，引發(fā)認(rèn)知行為

激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知?jiǎng)訖C(jī)后，教師可將教材中林德曼的研究資料作為科學(xué)證據(jù)，指導(dǎo)學(xué)生分析賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)圖解中的數(shù)據(jù)并以表格的形式呈現(xiàn)（表2）。設(shè)置表格時(shí)，需引導(dǎo)學(xué)生明確表格的表題、行標(biāo)和列標(biāo)。學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析后，設(shè)置下列問(wèn)題：不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物能量流動(dòng)的具體過(guò)程有哪些？每一營(yíng)養(yǎng)級(jí)“流入”的能量和“流出”的能量是否平衡？流經(jīng)上一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量為什么不能100%傳遞給下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)？教師依據(jù)林德曼的科學(xué)證據(jù)，引發(fā)學(xué)生探析生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)過(guò)程的認(rèn)知行為，使學(xué)生初步得出能量流動(dòng)的過(guò)程和能量在食物鏈中單向流動(dòng)、逐級(jí)遞減的特點(diǎn)。

4.3運(yùn)用科學(xué)思維.發(fā)展認(rèn)知方式

科學(xué)的思維方法包括分析與綜合、模型與建模和批判性思維等，是形成概念的重要方法。結(jié)合科學(xué)事實(shí)與證據(jù)，教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用多種科學(xué)思維的方法去理解能量流動(dòng)的本質(zhì)和構(gòu)建“能量流動(dòng)”的概念模型，進(jìn)而發(fā)展學(xué)生的認(rèn)知方式。

4.3.1分析與綜合

分析是把研究對(duì)象的整體分解為各個(gè)組成部分，分別進(jìn)行研究的思維方法。綜合是在分析的基礎(chǔ)上，從整體上把握事物的屬性和本質(zhì)，是思維的延續(xù)和發(fā)展。依據(jù)賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)圖解，教師引導(dǎo)學(xué)生從生態(tài)系統(tǒng)能量的最初來(lái)源——太陽(yáng)能入手來(lái)分析，根據(jù)光合作用和呼吸作用的關(guān)系，分析能量在第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的流動(dòng)情況。接著，引導(dǎo)學(xué)生比較能量輸入消費(fèi)者與生產(chǎn)者的不同之處，根據(jù)消費(fèi)者的同化量和攝入量的關(guān)系，剖析能量在第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)流動(dòng)過(guò)程。以此類(lèi)推，得出各級(jí)消費(fèi)者能量流動(dòng)的共性，再綜合概括生態(tài)系統(tǒng)中各營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量的來(lái)源和去向（圖2）。

4.3.2模型與建模

模型能反映事物的本質(zhì)特征和共同屬性，能說(shuō)明認(rèn)知對(duì)象的結(jié)構(gòu)組成、過(guò)程特點(diǎn)及規(guī)律。建模有助于學(xué)生抓住事物的關(guān)鍵要素，解釋生物現(xiàn)象和過(guò)程，加深對(duì)概念的理解，形成系統(tǒng)思維。

構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)模型過(guò)程中，各營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量的來(lái)源和去向是本節(jié)課學(xué)生理解的難點(diǎn)。教師以“同位素標(biāo)記法”為研究思路，為學(xué)生提供思維的切入點(diǎn)，借助物質(zhì)為能量的載體去分析能量的來(lái)源和去向，演繹推理以¹⁴C為標(biāo)記的CO2同位素在白云山生態(tài)系統(tǒng)中不同組成成分出現(xiàn)的先后順序、方式來(lái)分析能量在該生態(tài)系統(tǒng)中的流動(dòng)過(guò)程（圖3），同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的物質(zhì)與能量觀(guān)。

學(xué)生根據(jù)圖2和圖3構(gòu)建“四向能量流動(dòng)圖”。教師提出問(wèn)題：未被利用的能量?jī)?chǔ)存在哪里？時(shí)間足夠長(zhǎng)的情況下，未被利用的能量又會(huì)去哪里？這樣使學(xué)生認(rèn)識(shí)到“四向能量流動(dòng)圖”是“三向能量流動(dòng)圖”（圖4）在時(shí)間屬性上的變形。依據(jù)同位素標(biāo)記法的分析，流入下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)和分解者分解的能量均來(lái)自于上一營(yíng)養(yǎng)級(jí)生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖的能量，據(jù)此構(gòu)建“二向能量流動(dòng)圖”（圖5）。學(xué)生通過(guò)“多向能量流動(dòng)圖”可以更為清晰地理解能量流動(dòng)的去向。

結(jié)合賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)圖解和白云山生態(tài)系統(tǒng)的“同位素標(biāo)記法”的演繹推理，教師促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用分析與綜合、模型與建模的科學(xué)思維方法分析各營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量的來(lái)龍去脈，可有效地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，并對(duì)“能量流動(dòng)”的概念進(jìn)行提煉。依托對(duì)各營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化的能量去向分析，最終構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的概念模型（圖6）。

4.4培養(yǎng)批判精神，提升認(rèn)知品質(zhì)

構(gòu)建能量流動(dòng)概念模型的過(guò)程中，需培養(yǎng)學(xué)生敢于用質(zhì)疑批判的精神去發(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題，提升學(xué)生的認(rèn)知品質(zhì)。例如，在講授“能量單向流動(dòng)的特點(diǎn)”時(shí)，學(xué)生提問(wèn)：“人食用秸稈培育的食用菌，這是否符合能量單向流動(dòng)的特點(diǎn)？”學(xué)生指出，食用菌作為分解者，得出人食用菌類(lèi)不符合能量單向流動(dòng)的特點(diǎn)。此時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生拓展食物鏈除具有捕食鏈、還有寄生鏈和腐生鏈，指出“農(nóng)作物秸稈一食用菌一人”的食物鏈?zhǔn)歉?。學(xué)生由此可理解，腐生鏈中生物的能量同樣沿著營(yíng)養(yǎng)級(jí)流動(dòng)，遵循能量單向流動(dòng)的特點(diǎn)。借此腐生鏈，教師可進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生理解能量流動(dòng)的意義：農(nóng)民對(duì)秸稈的處理通常是直接燃燒，致使能量浪費(fèi)和環(huán)境污染，而利用秸稈培育食用菌，可以實(shí)現(xiàn)能量的多級(jí)利用，提高能量利用率，使能量流向?qū)θ祟?lèi)有益的部分，促進(jìn)人與自然和諧，可持續(xù)發(fā)展。

此外，教師還可以讓學(xué)生運(yùn)用質(zhì)疑和批判的精神去解釋生活現(xiàn)象：飼養(yǎng)植食性動(dòng)物成本低，產(chǎn)量高;農(nóng)田農(nóng)作物種植需及時(shí)清除雜草和蟲(chóng)子;老虎和獅子等肉食動(dòng)物容易成為瀕危物種;食物鏈（網(wǎng)）各營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間在個(gè)體數(shù)量、生物量和能量方面呈金字塔形的原因。學(xué)生嘗試將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用于生活情境中，解決實(shí)際問(wèn)題，提升對(duì)“能量流動(dòng)”的認(rèn)知品質(zhì)。

5教學(xué)反思

在構(gòu)建“能量流動(dòng)”概念的教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生對(duì)概念的認(rèn)知?jiǎng)訖C(jī)、認(rèn)知行為、認(rèn)知方式和認(rèn)知品質(zhì)是逐漸提升的，體現(xiàn)科學(xué)思維的邏輯層次。教師立足學(xué)生的認(rèn)知水平，引導(dǎo)學(xué)生調(diào)查白云山森林生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)情況，結(jié)合林德曼的科學(xué)證據(jù)與同位素標(biāo)記法的演繹推理構(gòu)建能量流動(dòng)的概念，并運(yùn)用多種科學(xué)思維的方法說(shuō)明生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)的過(guò)程和特征，能對(duì)相關(guān)的生態(tài)學(xué)實(shí)踐應(yīng)用作出合理的分析和判斷。