让学生充分经历模型建构的过程

摘 要：模型建构不仅是科学研究的一种重要方法，也是教与学的一种重要手段。《生态系统中的能量流动》一课教学，通过创设社会生活与生产中的真实情境，引导学生开展基于“能量如何流动”问题的学习，充分经历能量流动的物理模型、概念模型、数学模型等的建构过程，分析能量流动的特点，总结能量流动的意义，发展科学思维。

关键词：初中生物；模型建构；科学思维；《生态系统中的能量流动》

《义务教育生物学课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）指出，义务教育生物学课程要培养的核心素养包括科学思维等；并进一步指出，建模是发展科学思维的一种方法。实际上，建模（模型建构）不仅是科学研究的一种重要方法，也是教与学的一种重要手段。^［1］由此，教学《生态系统中的能量流动》一课时，教师可带领学生充分经历物理模型、概念模型和数学模型等的建构过程，让学生掌握模型建构的方法，发展科学思维。

一、教前思考

（一）解读教材和课标

“生态系统中的能量流动与物质循环”是苏教版初中生物学八年级上册第十九章《生态系统》第二节的内容。本节内容分为两个课时，其中“生态系统中的能量流动”为第1课时，属于新课标中“生物与环境”学习主题中的“生物与环境相互依赖、相互影响，形成多种多样的生态系统”大概念下的教学内容，对应“生态系统中的物质和能量通过食物链在生物之间传递”这一次位概念。能量流动是生态系统的重要功能之一，能量流动的过程和特点是本课教学的重难点。

（二）分析学情

对于初二学生来说，能量是非常抽象的概念，从太阳能到生物体内的化学能以及能量的吸收、利用、转化、散失等，内容比较复杂，知识点比较多。初中生的思维活动既有具体的形象思维又有抽象的逻辑思维，但仍属于经验型思维。教师可引导学生像科学家一样在模型建构中认识科学现象，切身体会科学家发现问题、建构模型解释现象、使用和研究模型并不断地修正模型的过程，从而促进学生逻辑推理、批判性思维等科学思维的发展。^［2］

（三）确定目标

基于上述分析，本课的教学目标确定如下：

1. 通过分析生态系统中食物链各成分的作用及关系，尝试利用卡片、箭头建构食物链中营养级之间能量传递关系的物理模型。

2. 尝试分析食物链中各成分的能量流动过程，建构食物链中能量流动的概念模型。

3. 尝试模拟能量在食物链中的流动，建构数学模型，演绎能量流动的过程，归纳能量流动的特点。

4. 联系生活情境，参与社会生产实践中现象的讨论，总结能量流动的意义，应用模型解决问题，提升社会责任。

二、教学过程

课始，教师视频展示两个真实生活情境：（1）秋收好“丰”景；（2）农田秸秆焚烧场景。紧接着抛出问题：直接燃烧秸秆有什么危害？是否是一种浪费？学生思考、辨析、讨论，发表观点。教师评价并进一步提问：秸秆中的能量从哪儿来？能量如何在生态系统中流动？以社会生活和生产实践中的现象作为情境，引导学生围绕社会议题开展辨析与讨论，不仅让学生感受农民收获的喜悦，也自然引发对秸秆处理方式的思考，勇于发表观点，激发探索与求证的兴趣。

接着，围绕“能量流动如何进行”这一核心问题，引导学生建构能量流动的一系列模型，充分经历模型建构的过程，提升对能量流动的概念、过程、特点及意义的理解，形成能量多级利用的观念，感悟生物与生物之间、生物与环境之间的密切关系。

（一）建构物理模型，表征营养级间能量传递的关系

生物学中的物理模型是直观表达认识对象特征的模型，可以分为实物模型、图画模型等。^［3］针对食物链中各成分的作用和关系，可以运用物理模型，表征食物链营养级之间的能量传递关系，借助模型建构的过程，让学生的思维得以可视化呈现。

教师出示温带草原生态系统食物网，以其中的“草→兔→鹰”这条食物链为例，引导学生思考：（1）草如何获得太阳的能量？（2）草获得的能量贮存在哪里？（3）草能获得所有的太阳能吗？学生联系植物的光合作用原理思考并解决问题。

教师追问：食物链中的能量如何传递？学生思考后提出一系列问题：食物链中哪个营养级获得的能量最多？营养级之间传递的能量都相等吗？能量会倒流吗？

为使学生的猜想可视化呈现，教师将学生以4人为一组分成若干组，提供剪刀、不同颜色的卡纸，引导学生用不同大小、颜色的卡片和箭头模拟食物链中的能量传递过程。在学生开展合作的过程中，教师巡视，指导学生解决在模型建构过程中产生的疑问，如卡片不同颜色模拟不同营养级，卡片大小模拟营养级所含能量的多少，箭头方向模拟能量传递方向等。教师选取学生代表展示小组建构的食物链中能量传递的模型（如图1所示），描述能量在食物链中传递的情况，师生开展点评。教师再引导学生观察各小组的模拟结果。有的小组将模拟营养级所含能量多少的卡片大小顺序摆错，有的小组出现箭头方向摆错的问题等。教师引导学生结合本小组物理模型建构情况开展分析与评价，在表达、展示、试错、纠正等过程中感知能量在食物链各营养级中的传递过程，修正所建构的模型。

本环节以温带草原生态系统作为学习背景，以其中一条食物链为例，联系太阳能与生态系统能量流动的关系，通过问题串设疑，激发学生思考、分析能量如何进入草的体内，能否全部进入草的体内等一系列问题，围绕问题开展分析、讨论，最终建构出“草→兔→鹰”食物链的能量传递模型，使学生初步感受能量的传递过程，加深对“生态系统中能量流动起点主要是生产者通过光合作用所固定的能量”的理解，为探究整个生态系统中的能量流动过程做铺垫。

（二）建构概念模型，论证食物链能量流动的特点

生物学中的概念模型是将零散的概念进行整理，归纳成具有共同特征或者共同完成某一功能体系，进而形成具有关联性知识网的模型。^［4］本环节引导学生分析能量的利用、散失与转化，建构能量流动的概念模型。

教师仍以“草→兔→鹰”食物链为例，组织学生围绕“能量为什么会逐级减少”进行讨论。学生提出一系列疑问：（1）草固定的能量如何被释放、利用？（2）兔如何获得能量？（3）鹰如何获得能量？（4）兔获得的能量会全部流入鹰的体内吗？

教师组织学生深度讨论，借助光合作用、呼吸作用的概念围绕问题（1），分析生产者草所处的第一营养级能量的来源与去向，用箭头表示能量的去向，用文字表明能量释放和散失的原因，先建构出该营养级能量流动的概念模型（如图2）。

在此基础上，教师引导学生围绕问题（2）分析兔所处的第二营养级能量的来源与去向并用箭头和文字表示。学生在分析过程中，将物质和能量进行联系，发展物质与能量观。在解决问题（1）和（2）的基础上，学生对问题（3）和（4）的解决也有了清晰的方向。教师进一步追问：草、兔、鹰获得的能量相同吗？激发学生思考、分析、比较、推理各营养级之间的能量流动过程和特点，以小组为单位建构食物链中能量流动的概念模型。教师选取学生代表展示小组建构的食物链中能量流动的概念模型（如下页图3），师生共同评价，其他小组组员比对并纠正本组模型。学生在建构模型的过程中习得能量流动的特点是“单向流动，逐级减少”这一抽象且复杂的概念，突破学习难点，实现思维的递进发展。

建构概念模型的过程是学生理解概念及概念间联系的思维过程。教师引导学生基于问题进行深度讨论，使概念间的联系更加清晰。概念模型可直观呈现能量的输入、传递、转化和散失，学生在交流中产生思维碰撞，对能量流动的过程进行深度分析、比较、推理，不断评价与修正模型，进一步理解能量流动概念的内涵，从理解一条食物链的能量流动过程到理解整个生态系统的能量流动特点，不断深化科学思维。

（三）建构数学模型，演绎食物链能量传递的变化

生物学中的数学模型是指通过数学特有的公式、符号、图像等内容，以数学建模的形式展示出来的模型。^［5］能量在营养级之间的传递可以选用数学模型来直观“量化”。

教师提供两段背景资料：（1）太阳向地球传递能量的资料信息，其中包含“只有1%以可见光的形式被生态系统的生产者通过光合作用转化为化学能，固定在它们所制造的有机物中”等内容；（2）能量金字塔相关资料，其中包含“能量在相邻两个营养级之间的传递效率为10%—20%”等内容。

教师引导学生基于背景资料进行分析并提出问题：生态系统中的营养级会无限增加吗？能量在食物链中能一直传递下去吗？接着，教师引导学生寻找求证观点的途径，组织学生积极参与角色体验活动，进行建模演绎：提供1个装有1L红墨水稀释液的大烧杯，5个250mL的小烧杯及分别标有5个营养级的头饰。教师扮演太阳，5个学生分别扮演不同营养级，红墨水稀释液模拟能量。教师将100mL红墨水稀释液传递到饰演第一营养级学生的烧杯中，模拟生产者通过光合作用固定能量。教师引导学生依据背景资料“能量在两个营养级之间的传递效率为10%—20%”，取能量传递的最高效率20%，分别计算出营养级之间传递能量的量。教师呈现一个坐标系，x轴为营养级，y轴为能量，引导学生绘制能量流动的柱形图，建构数学模型，量化能量传递过程中的变化。扮演营养级的学生依次向下一营养级倒入相应量的红墨水稀释液（后两个营养级已经很难准确传递），模拟能量的流入和流出。最终建构出的数学模型如下页图4所示。

自然环境中，食物关系复杂，食物网互相交错，食物链长短不一，学生无法想象能量在食物链和食物网中的传递过程。于是，教师组织角色体验活动，让学生亲自参与、实践，突出学生主体。通过建立红墨水稀释液这一有颜色且可以流动的液体作为能量的模型，演绎能量在营养级之间的流动过程，并进一步测算数据，绘制能量流动的柱形图，建构数学模型，引导学生直观感受能量在传递过程中的变化。整个模拟活动是化抽象为具体的过程，趣味性与互动性十足，能够有效促进学生科学思维的深化。

课尾，教师出示国家环保部门针对秸秆焚烧问题作出的新规定，引导学生应用建构的模型，解决真实情境中的问题——如何更好地实现秸秆中能量的有效多级利用。结合生活中其他能量有效利用的实例，学生自选材料，设计实现秸秆等能量多级利用的模型，展示并描述设计理念。然后，师生共同总结能量流动的意义。

三、教学反思

本课教学，通过创设社会生活与生产中的真实情境，引导学生开展基于“能量如何流动”问题的学习，建构能量流动的物理模型、概念模型、数学模型，求证能量流动的过程，分析能量流动的特点，总结能量流动的意义。学生充分经历模型建构的过程，在比较、展示、纠正与评价模型的过程中，思维得以可视化的呈现，产生智慧的火花。能量流动的概念、过程、特点、意义这些抽象的名词以更加形象的方式表现出来。学生经历了基于证据和逻辑建构概念的过程，能够深入理解概念，既实现了学习目标，又突破了学习难点。此外，学生对能量的输入、传递、转化和散失过程的理解也会得心应手，有利于发展物质与能量观；基于对能量流动概念的认识，学生还能激发对能量流动概念应用于生活、生产实践的思考，实现态度责任的培养。

参考文献：

［1］吴举宏.从三维目标到核心素养：给生物教师的101条新建议［M］.南京：南京师范大学出版社，2019：223.

［2］周茜.例谈基于真实情境的模型建构教学——以“能量流动”为例［J］.中学生物学，2020（11）：27.

［3］［4］［5］刘新星.初中生物学模型深度教学构建活动的课堂实践研究［J］.基础教育论坛，2021（27）：104，104，104.