王美霞 侯妹仿
(北京市密云區(qū)第二中學(xué) 北京 101500)
《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》明確提出生物學(xué)科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任[1]。教師要在課程標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下在教學(xué)實(shí)踐中促進(jìn)學(xué)生發(fā)展這4 個(gè)維度的核心素養(yǎng)。模型與建模是一種重要的科學(xué)思維,在教學(xué)過(guò)程中鼓勵(lì)學(xué)生基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù),運(yùn)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(cè)相似的生物學(xué)問(wèn)題和現(xiàn)象?!吧鷳B(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)”一節(jié)需要學(xué)生建立能量流動(dòng)模型,總結(jié)能量流動(dòng)規(guī)律,并應(yīng)用解決實(shí)際問(wèn)題,是培養(yǎng)學(xué)生模型與建模等科學(xué)思維的典型案例。
《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》在本部分的教學(xué)建議中提出可調(diào)查或探討當(dāng)?shù)啬硞€(gè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng),使用圖示等方式表征和說(shuō)明生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息傳遞,并對(duì)相關(guān)的生態(tài)學(xué)實(shí)踐應(yīng)用作出合理的分析判斷,提高環(huán)境保護(hù)意識(shí)[1]。作為北京市密云區(qū)的學(xué)生,密云水庫(kù)與其生活聯(lián)系密切,很多學(xué)生就生活在水庫(kù)周邊,對(duì)密云水庫(kù)的保護(hù)措施比較熟悉,但并不了解措施背后的生態(tài)學(xué)原理。
基于以上分析,在教學(xué)中組織學(xué)生借助中國(guó)知網(wǎng)等完成與密云水庫(kù)相關(guān)的4 個(gè)調(diào)查報(bào)告并在課堂上進(jìn)行交流,讓學(xué)生對(duì)密云水庫(kù)生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有更全面的了解。然后教師對(duì)相關(guān)資料進(jìn)行整理,匯編為課堂使用的導(dǎo)學(xué)案,創(chuàng)設(shè)真實(shí)教學(xué)情境,指導(dǎo)學(xué)生建立能量流動(dòng)概念模型和數(shù)學(xué)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(kù)生態(tài)保護(hù)措施的合理性,更加了解和熱愛(ài)自己的家鄉(xiāng),樹(shù)立和踐行綠水青山就是金山銀山的生態(tài)保護(hù)理念。
1.1 初步建立能量流動(dòng)概念模型和數(shù)學(xué)模型在生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)中,指導(dǎo)學(xué)生建立密云水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(圖1),明確水庫(kù)中主要生物類(lèi)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(xué)習(xí)物質(zhì)循環(huán)之后提出問(wèn)題:能量在水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)中是如何流動(dòng)的?明確建立模型的目的是研究能量流動(dòng)的規(guī)律。
圖1 密云水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
細(xì)胞和個(gè)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(xué)生復(fù)習(xí)光合作用和呼吸作用,明確自然界中有光能、儲(chǔ)存在有機(jī)物中的化學(xué)能、熱能等能量形式,理解在細(xì)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(xué)中引導(dǎo)學(xué)生分析密云水庫(kù)一條食物鏈上每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量的來(lái)源和去向,并比較輸入每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量的大小,思考每條食物鏈能量流動(dòng)過(guò)程是否都一樣。學(xué)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(dòng)過(guò)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(gè)能量流動(dòng)模型以反映能量流動(dòng)規(guī)律。在建立模型時(shí)要求學(xué)生用箭頭的粗細(xì)表示輸入某營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量的多少,用長(zhǎng)方形面積的大小表示某個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化能量的多少(圖2)。學(xué)生經(jīng)歷了從特殊到一般的思維過(guò)程,在構(gòu)建概念模型中發(fā)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)級(jí)越高同化的能量越少,初步發(fā)現(xiàn)了能量流動(dòng)逐級(jí)遞減的規(guī)律。
1.1.2 建立數(shù)學(xué)模型 在學(xué)生建立概念模型的基礎(chǔ)上,將模型中每一營(yíng)養(yǎng)級(jí)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(yíng)養(yǎng)級(jí)。引導(dǎo)學(xué)生用語(yǔ)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(xué)關(guān)系(圖2),在此基礎(chǔ)上歸納出數(shù)學(xué)公式An=An+1+Rn+Vn,用數(shù)學(xué)模型反應(yīng)能量流動(dòng)的規(guī)律。
圖2 生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)模型
1.2 檢驗(yàn)和修正能量流動(dòng)模型 模型是否準(zhǔn)確需要實(shí)踐檢驗(yàn),需要進(jìn)行定量研究調(diào)查公式中的各個(gè)能量值,引導(dǎo)學(xué)生用林德曼的賽達(dá)伯格湖研究結(jié)果檢驗(yàn)前面建立的能量流動(dòng)模型。
通過(guò)比較,學(xué)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(xué)模型修正為An=An+1+Rn+Vn+Fn。接著讓學(xué)生用賽達(dá)伯格湖的具體數(shù)據(jù)驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的正確性。學(xué)生在驗(yàn)證中就會(huì)發(fā)現(xiàn),如果n 不是最高營(yíng)養(yǎng)級(jí),會(huì)被天敵捕食從而使部分同化的能量流動(dòng)到下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí),則:An=An+1+Rn+Vn+Fn;如果n 是最高營(yíng)養(yǎng)級(jí),不被捕食,同化的能量不能流動(dòng)到下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí),則:An=Rn+Vn+Fn。至此,學(xué)生通過(guò)活動(dòng)不但建立了生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的概念模型和數(shù)學(xué)模型(圖2),還很好地滲透了建模的思想方法。
根據(jù)模型,引導(dǎo)學(xué)生思考在生物群落和無(wú)機(jī)環(huán)境之間,以及在生物群落內(nèi)部能量是怎樣流動(dòng)的。經(jīng)過(guò)逐步建立模型,學(xué)生可很好地理解通過(guò)生產(chǎn)者的光合作用光能從無(wú)機(jī)環(huán)境輸入到生物群落,轉(zhuǎn)化為化學(xué)能沿著營(yíng)養(yǎng)級(jí)逐級(jí)傳遞,最后通過(guò)生物的呼吸作用轉(zhuǎn)化為熱能散失到無(wú)機(jī)環(huán)境,不能再利用。進(jìn)而總結(jié)得出能量流動(dòng)是指生態(tài)系統(tǒng)中能量的輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失的過(guò)程,同時(shí)發(fā)現(xiàn)能量單向流動(dòng)不可循環(huán)的規(guī)律。
引導(dǎo)學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)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(dòng)逐級(jí)遞減的規(guī)律。利用賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)圖,計(jì)算能量在2 個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的傳遞效率An+1/An,發(fā)現(xiàn)相鄰2 個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的傳遞效率是10%~20%,并建立能量金字塔。
最后啟發(fā)學(xué)生思考賽達(dá)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(gè)湖泊的能量流動(dòng)狀態(tài)決定了湖泊的發(fā)展階段。
結(jié)合密云水庫(kù)保護(hù)的實(shí)際情況,向?qū)W生出示以下資料。
資料1:2016—2018年密云水庫(kù)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(lái)挑戰(zhàn),水庫(kù)管理中心設(shè)立46 個(gè)監(jiān)測(cè)站[3],每周檢測(cè)水庫(kù)中浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物的生物量(單位面積內(nèi)生物的總重量),以反映密云水庫(kù)水質(zhì)的富營(yíng)養(yǎng)化程度,防止水華的爆發(fā)。
資料2:密云水庫(kù)每年在4月1日—9月30日的休漁期投放魚(yú)苗。2016年增殖放流鰱魚(yú)4.21×105kg、鳙魚(yú)1.29×105kg、魴魚(yú)2×104kg,共計(jì)放流凈水魚(yú)類(lèi)5.72×105kg。2017年增殖放流鰱魚(yú)5.36×105kg、鳙魚(yú)2.26×105kg、魴魚(yú)2.1×104kg,共計(jì)放流凈水魚(yú)類(lèi)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(lán)藻等大量繁殖造成的,鰱魚(yú)和鳙魚(yú)是濾食性魚(yú),以浮游動(dòng)植物為食,一條1 kg 左右的鰱魚(yú)1 個(gè)月能吃掉2 kg 藍(lán)藻,同樣大小的一條鳙魚(yú),1 個(gè)月能消耗3.66 kg 藍(lán)藻。
根據(jù)資料,讓學(xué)生從生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益的角度思考以下3 個(gè)問(wèn)題:1)為什么要投放濾食性魚(yú)而不是肉食性魚(yú)?2)從密云水庫(kù)的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)分析,每年的最佳魚(yú)苗增殖放流量是如何確定的?3)有人認(rèn)為每年增殖放流魚(yú)苗增加了經(jīng)濟(jì)成本,破壞了水庫(kù)原有營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu),應(yīng)該停止投放魚(yú)苗,在開(kāi)漁期適量捕撈水庫(kù)原有魚(yú)類(lèi),你同意嗎?請(qǐng)說(shuō)明理由。
以上3 個(gè)問(wèn)題來(lái)源于實(shí)踐,也是學(xué)生在做調(diào)查報(bào)告時(shí)自己提出的。濾食性魚(yú)捕食藻類(lèi),防止水華發(fā)生,凈化水質(zhì)。肉食性魚(yú)類(lèi)捕食濾食性魚(yú)類(lèi),使藻類(lèi)大量增殖,加重水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化。肉食性魚(yú)類(lèi)營(yíng)養(yǎng)級(jí)較高,獲取的能量少,產(chǎn)量低。所以投放濾食性魚(yú)是生態(tài)與經(jīng)濟(jì)并舉的措施,既能防止水華的發(fā)生,還能獲得最大經(jīng)濟(jì)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(yíng)養(yǎng)級(jí)即浮游植物的生物量計(jì)算得出的。通過(guò)定期的適量投放和捕撈魚(yú)類(lèi),調(diào)整了水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)和能量流動(dòng)關(guān)系,使第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)中藍(lán)藻的能量通過(guò)濾食性魚(yú)類(lèi)離開(kāi)水庫(kù),既保護(hù)水庫(kù)水質(zhì),又使部分能量持續(xù)高效流向人類(lèi)。如果不適當(dāng)增加能量的輸入,只一味地捕撈,可能會(huì)導(dǎo)致能量輸出大于輸入,破壞水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。
該教學(xué)環(huán)節(jié)不僅培養(yǎng)學(xué)生獲取信息應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決真實(shí)問(wèn)題的能力,同時(shí)使學(xué)生更加了解自己的家鄉(xiāng),樹(shù)立依自然規(guī)律參與生態(tài)保護(hù)實(shí)踐的理念。學(xué)生還可利用自己的知識(shí)向身邊人傳播生態(tài)保護(hù)的理念,幫助百姓理解政府的各種水庫(kù)保護(hù)措施,深刻體會(huì)綠水青山就是金山銀山的生態(tài)保護(hù)理念。
生物學(xué)核心素養(yǎng)是學(xué)生在解決真實(shí)情景中的實(shí)際問(wèn)題時(shí)所表現(xiàn)出的價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力[1]。教師在教學(xué)中圍繞教學(xué)主題,借助當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)資源,創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境,提出真實(shí)問(wèn)題,在活動(dòng)中留充足的時(shí)間讓學(xué)生真正解決問(wèn)題。在邏輯嚴(yán)密的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中滲透了模型與建模的科學(xué)思維和生態(tài)與經(jīng)濟(jì)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(méi)有組織學(xué)生實(shí)地調(diào)查,在以后的教學(xué)中可根據(jù)實(shí)際情況組織學(xué)生到密云水庫(kù)進(jìn)行實(shí)地的調(diào)查研究。