資源簡介

“生態系統的能量流動”教學設計
1.教材分析
《普通高中生物學課程標準(2017年版)》(以下簡稱《課程標準》)中對本節內容的要求主要有3個方面，對應3個次位概念，它們與重要概念和核心概念的關系如圖1所示。
以上三個次位概念即是本節的將要引導學生完成的目標。
2.學情分析
結合人教版選擇性必修二教材，學生已經有了生態系統各組成成分的認識，又有了必修1中光合作用和呼吸作用的知識鋪墊，學生能從種間關系的角度簡單分析能量的去向和轉化形式。教師如果能從學生的生活經驗出發，步步引導學生進行分析歸納，促進學生逐步建立生態系統中能量流動的模型。能量流動的規律是林德曼經過多年研究發現的，學生可能難以在一節課的時間中自己建立這個新知識，教師可以結合生活實際，引導學生試著利用該規律解決問題，從而使學生體會合理利用生態系統中的資源有多種手段。對于最后一個目標，在學生達成了前兩個目標的基礎上，教師可以設置一個課后思考題，將能量金字塔的內容與能量流動的規律和研究意義相結合，對學生進行綜合考查。
3.教學目標
①通過反復模型建構，逐步歸納概括出能量流經某一營養級的過程；②通過對不同營養級能量流動模型的分析，建構生態系統中能量流動的概念；
③能運用結構與功能相適應的原理解釋能量流動的特點；
④關注糧食危機問題，能運用所學內容舉例說出提高能量利用率的具體措施。
4.教學重難點
教學重點: 生態系統能量流動的過程和特點
教學難點: 生態系統能量流動的過程和特點及相關計算
5.教學過程
5．1環節一：展示真實情境，角色扮演進行深度體驗
教師創設情境，提出問題：
①如果你是一個生態學家，你會選擇一片玉米田，還是西雙版納作為能量流動的調查對象 試說明理由。
②能量是看不見、摸不著的，如果你是生態學家，你會從什么角度對能量進行調查分析
隨后，教師展示書本上的真實情境：1926年，美國一位生態學家研究了一塊玉米田的能量流動情況，得到如下數據：這塊田共收割玉米約10 000株，質量為6 000 kg。通過對化學成分進行分析，計算出其中共含葡萄糖6 687．5 kg。據他估算，這些玉米在整個生長過程中通過細胞呼吸消耗的葡萄糖共2 045 kg。1 kg葡萄糖儲存1．6×104kJ能量。
設計意圖：學生通過角色扮演的方式解決這兩個問題，激發了學習興趣。另外，“生態學家”的責任感和自豪感使學生有了認真思考、仔細分析的欲望，為后面的教學打下了鋪墊。
5．2環節二：反復模型建構，問題串激發深度探究
5．2．1模型建構一：
能量流經玉米種群的模型建構展示真實情境后，教師設置一系列問題串：①根據以上數據，你能算出哪些生命活動的相關能量數值 它們分別是多少 ②這位生態學家還發現，整個生長季節中，入射到這塊玉米田的太陽能總量為8．5x109KJ。這讓你有什么發現 ③你能根據計算結果，畫出能量流經該玉米種群的圖解嗎 在這三個問題呈現之后，教師請學生用箭頭和文字表示以上過程和數據，就得到了圖2所示的簡單模型。
該模型建構之后，教師繼續設置問題串：①“儲存”的能量可以用于玉米的哪些生命活動 ②到了收獲季，人們收獲了玉米子粒，而玉米秸稈可以打碎后作為動物的飼料。有些枯枝敗葉和玉米的根部則留在了田中。你認為玉米儲存的能量可能有哪些流向 嘗試在圖3中進行補充。這兩個問題拋出后，學生通過思考與討論，在原模型的基礎上進行補充修正(圖3)。
設計意圖：該真實情境選自教材中給出的“技能訓練”小版塊。原內容數據有些復雜，教師略做簡化之后，既沒有改變這個真實情境的內容，又給了一個學生可以“夠得到”的新知識，從而讓學生有了探究的欲望，提高了課堂中的參與度。教師在拋給學生一系列問題串的同時，也是在引導學生經歷了與生態學家一樣的研究歷程，從而使學生在獲取新知識的同時，也擁有了成就感。
5．2．2模型建構二：能量流經第二營養級的模型建構
在上一個模型建構的基礎上，教師繼續拋出問題：①人和動物攝入玉米后并不能獲得其中所有的能量，你知道這是為什么嗎 ②若將上述玉米換成家禽、家畜(以豬為例)，上圖中會有哪些變化 相同之
處又有哪些 有了上一個模型為基礎，學生在了解了同化與糞便的關系之后，不難建構出能量流經第二營養級的模型(圖4)。
此時，教師再展示教材中呈現出的能量流經第二營養級的示意圖，引導學生分析兩幅圖的區別。
設計意圖：能量流經第二營養級的示意圖是本節的一個難點。教師通過直接問出“攝入”不等于“獲得”，引發學生對糞便量的思考，同時也加深了學生對于“同化量”這個概念的理解。而在兩圖中，最明顯的不同之處也在“糞便量”上，教材給出了糞便被分解者利用的箭頭，但學生自己構建的模型中卻沒有。學生可能會特別關注這個問題，并發出“是自己錯了嗎”這種疑問。學生在分析討論之后，會明白其實這個“糞便量”并不是第二營養級真正獲得的能量。學生在對這個易錯的知識點加深印象的同時，也收獲了自信。
5．2．3模型建構三：能量流經生態系統的模型建構
在以上模型建構的基礎上，教師進一步引導學生思考：若將玉米、豬、人三者對能量的吸收利用等情況反映到一張圖上，試著完成該圖。在學生進行模型建構的過程中，教師可引導學生將幾種生物能量流動模型中的共同點標出來，將內容進一步簡化，以得到以下模型(圖5)。
設計意圖:有了前面的模型,學生建構這個模型并不困難。這個問題的設置主要想達到兩個目的:學生通過對各營養級的分析,歸納出能量流經各個營養級的共同點,使知識更加系統化;為總結出能量流動的概念打下鋪墊。
5.3環節三:嘗試歸納總結,任務學習驅動深度思考
5.3.1歸納總結一:能量流動的概念
在以上一系列的模型建構的基礎上,教師適時對學生進行表揚,稱贊他們成功完成了生態學家的工作。再請學生回憶自己的工作:當把生態系統作為個整體,你發現研究能量流動即是在研究能量的什么過程呢 教師可將上面的模型稍作變動(圖6),以幫助學生學習。
如圖6所示，將玉米、豬、人等具體化的生態系統成分再次抽象化，并將各組成成分用虛線框起來，作為一個整體，學生很容易想到這里涉及到能量的輸入、傳遞、轉化和散失。
設計意圖：教師并沒有直接呈現能量流動的概念，而是從建構好的模型中進行歸納式概念學習，有助于學生對知識的深入理解
5．3．2歸納總結二：能量流動的意義
教師再次展示圖5，并繼續設疑：人是該生態系統的最終受益者，你能想辦法讓人獲得更多的能量嗎 在學生分組討論后，學生代表闡述本小組的想法和措施；教師不做評價，而是再展示林德曼關于賽達伯格湖的調查數據，引導學生思考林德曼以數據來說明能量流動的規律有什么重要的意義。此時，教師可以聯系孟德爾將數學統計用于遺傳規律的研究，二者有異曲同工之妙，并展示林德曼的研究結論：單向流動和逐級遞減，即十分之一定律。教師再次引導學生思考剛才討論的思路和措施是否可行；學生再次嘗試提出可行的措施，領悟研究能量流動的意義。
設計意圖：許多教學設計中，對這部分內容都是花了大量的時間請學生計算傳遞效率，然后歸納出能量流動的特點，至于研究能量流動的意義，在課堂上常一帶而過。但是，林德曼做了大量的研究工作，并不是只有教材中的幾個數字，僅憑這幾個數字也無法得出能量流動總是具有逐級遞減這一普遍的規律。
因此，這部分內容學習的重點不是去進行簡單的計算，而是對林德曼這項耗時幾年的工作進行充分的理解和應用。這項研究的創新之處何在 有什么重要的價值 在生產和生活中，人們可以利用前人的這項研究成果解決什么問題 學生在解決問題的過程中體會研究的意義，只有在充分理解的基礎上，才能將理論研究更好地應用于指導生產和生活，這也是整節課的設計思想。
5．4環節四：聯系生活實際，學以致用激發社會責任
教師展示：“疫情之下的糧食危機”短視頻，簡單向學生介紹近幾個月蝗災帶來的危害，同時展示能量金字塔。學生課后查閱相關資料，以小組為單位完成作業：面對糧食危機，結合本節內容，你有哪些建議
設計意圖：糧食危機是時下的熱門話題，也是能增強學生社會責任感的一個問題。學生分小組合作，通過查閱資料完成，既對先前所學知識進行了鞏固，也將課堂知識再次推到了應用層面，進一步嘗試
解決生活實際問題，更能培養合作交流的意識和表達能力。
6.課后反思
真實情境可激發學生的深度思考。在本課中，學生始終圍繞著一個生態學家的實驗展開思考討論，在不斷的交流中獲得了能量流動的概念、特點、意義等相關知識，這就是基于真實情境下的思考。好的真實情境不應該只是用來做個開篇，導入新課，而是應該貫穿課堂始終，讓學生不斷在“發現問題——解決問題——發現新問題——解決新問題”中步步深入思考。教師僅提供一些材料供學生在解決問題的過程中選用，也可提供一些問題引導學生思考的方向，使學生在解決問題的過程中不偏離課本內容。分享式的劣構問題有助于學生深度思考。在本課中，教師引導學生反復進行的模型建構、聯系生產實際分析研究能量流動的意義等。這些問題沒有標準答案，屬于典型的劣構問題。學生通過調動自己已有的知識和生活經驗去思考解決，在這個過程中可能還需要與其他同學分享自己的發現，通過交流來不斷獲得新的知識，從而解決問題。這些問題在引導學生進行深度思考的同時，也鍛煉了學生的表達和交流能力。

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