基于生物学科核心素养的教学实践研究

           ——以“生态系统的能量流动”教学为例

江苏省横林高级中学   王文洁

摘 要  基于核心素养四个要素的组成，以“生态系统的能量流动”为课例，解析教学过程中如何达成核心素养的四个要素：生命观念、科学思维、科学探究、社会责任。

关键词  核心素养 生态系统 能量流动

生物学科核心素养是学生终身发展必备的价值观、必备品格和关键能力，是由生命观念、科学思维、科学探究和社会责任四个要素组成的统一整体。生命观念是生物学核心素养的基础和支柱；生命观念的形成过程中离不开科学思维和科学探究，科学思维和科学探究互为倚重，科学思维是科学探究的重要内涵，科学探究是科学思维的实证过程；在形成生命观念、进行科学思维和科学探究的过程中，最终形成一定的社会责任意识和义务。核心素养的培养需要在教学中时时渗透、有意识地培养。本文以“生态系统的能量流动”的课堂教学为例，对落实生物学科核心素养进行了系列实践探索。

1  凸显问题，唤醒社会责任意识

脱离社会谈学生社会责任意识的培养是空对空的，需要学生在社会角色、社会实践中感受、提升和内化。本内容教学中，笔者尝试挖掘学生身边随处可见的社会责任意识淡薄案例，如无人灯、浪费纸张、浪费食物和水、乱扔垃圾等，学生在自查自纠的过程中赫然发现，若自己生态文明责任意识不强，很可能就会成为破坏绿色发展的罪魁祸首而害人害己。案例讨论结束后，学生责任意识被唤醒，节约资源、爱护环境的共识初步形成。有意识更要有行动，建设生态文明、保护生态环境的核心是资源节约和循环利用，这正是学习内容中的重点，学生顺理成章融入课堂主旋律的学习。

2  循序渐进，形成物质与能量观

生命观念是指对生命现象的相互关系或特性进行分析后所进行的抽象，是经过实证后的想法或观点，有利于认识、理解生物学现象的本质与规律。物质与能量观是学生理解生物与环境、生命活动本质的重要生命观念。

生态系统是生物群落与无机环境之间相互作用，借由物质和能量相互作用形成的统一整体，为了促进学生形成物质和能量观，教学设计如下：通过温故而知新：生活在无机环境中的各种生物均以“食为天”，首先帮助学生回顾生态系统中的生产者、消费者和分解者获得“食物”的方式，如：生产者将无机物合成有机物，该过程中物质的合成伴随着能量的吸收与转化，能量储存在物质中；又如：细胞呼吸是细胞将有机物分解，同时释放能量的过程。在生态系统中，物质循环总是伴随着能量的流动而进行，从而建立能量流动概念的模型。结合学生已有知识基础，让学生对观察到的生命现象及相互关系或特性进行解释。学生在尝试解释和抽象的过程中学习生物学知识、观念和思想方法，逐步形成物质和能量观。                          

3  层层推进，培养科学思维

思维是一种认识或认知过程，在生物教学中培养学生的科学思维应该要重视分析问题和解决问题中知识的接受、加工、组合、抽象和概括过程。本内容教学中，引导学生在进行生态系统的能量流动模型建构时从可见的、具体的物质为切入点，来科学分析虚无的、抽象的能量在生态系统中是如何流动的，通过观察、比较、分析、概括将抽象的能量流动具体化，示例如下：

呈现批发市场上蔬菜与肉类的价格表：（单位：元/千克）

引导学生对比观察，不难发现，菜市场上肉类价格普遍高于蔬菜类价格，有没有思考过这是为什么？这和我们今天的学习主题有关系。

学生1：以猪吃大白菜为例分析，首先猪和大白菜之间可以建立一条食物链：大白菜   猪，这条食物链上的物质转化与能量流动情况如下：大白菜通过光合作用利用光能将二氧化碳等无机物转化成自身体内的有机物，光能转化成储存在大白菜有机物中的化学能（假设为100J）。

学生2：猪摄入储存有100J能量的大白菜，这100J的能量是否全部转化成猪体内有机物中的能量？若全部转化，猪肉价格需不需要调整？怎么调整？如果定价合理，如何理解同质量的猪肉价格远高于大白菜价格？

结合所学的物理学知识，如果大白菜   猪的能量转化遵循能量守恒定律，而100J中若只有15J转化成猪体内有机物的能量，余下75J能量去了哪里？随着理性的思维材料越来越丰富，学生思维活动的抽象性和逻辑性提高，对能量流经第二营养级（猪）的主要过程做出分析概括，并尝试建构能量流经第一营养级（大白菜）和第二营养级（猪）输入输出的的模型，教师指导进一步修正完善。

学生3：如果大白菜   猪这条食物链，换成生产者   初级消费者，亦或换成生产者   初级消费者   次级消费者这样的食物链通式呢？模型建构又将如何展开？由具体到抽象，引导学生根据具体食物链中有关营养级能量流动的探究方法与过程，得出食物链通式中每个营养级能量的输入和输出，在小组、班级交流自己所建构的能量流动的输入输出模型，各小组辨析论证，去伪存真，得出食物链各营养级与无机环境之间的能量流动模型。

学生4：这就是生态系统的能量流动模型了吗？完整的生态系统的组成成分还应包括分解者，分解者参与生态系统中的能量流动吗？若参加，与生产者、消费者有何异同？是否有独特的方式或途径呢？

最后在生态系统的能量流动模型中加入分解者能量的输入和输出，从而完成对生态系统能量流动的模型的完整建构。此时重新回到蔬菜内类价格表，学生阐述价格差异的内在原因。再来到教材开篇的漫画“孤岛生存”策略选择问题：假设你像鲁滨逊一样，流落在一个荒岛上，那里除了有能饮用的水之外，几乎没有任何食物。你随身尚存的食物只有一只自重1.5Kg的母鸡和15Kg玉米。按最大传递效率20%计算，哪种策略可以让你维持更长的时间等待救援？（1）先吃鸡，再吃玉米；（2）先吃玉米，同时用一部分玉米喂鸡，吃鸡产下的蛋，最后吃鸡。审题过后，学生已能明确，“维持更长时间”的实质是“获得更多能量”，大部分学生先根据所给条件建立食物链（网），然后从“人”这个营养级所获取的能量的多少角度去分析策略（1）和（2）中的能量流动情况，从而获得问题的正确答案。在此过程中，学生能感悟理性思维的重要性，理性思维有助于帮助自己在实际生产生活中作出正确的选择，进而有效地解决问题。

4  定性定量，注重科学探究

定性分析与定量研究是科学探究的两种不同的方法。定性分析是定量研究的前提和基础，定量研究是定性分析的深化和检验，二者互为补充，从定性到定量，又从定量到定性，是认识不断深化的过程，在科学研究中必须实现定性和定量的有机结合。

生态系统的能量流动模型建构是能量流动的一种定性分析，那么流经某个生态系统的能量是否还能再回到这个生态系统中来？通过对生态系统能量流动过程中能量形式的定性分析，引导学生对能量流动的特点进行总结：一条食物链中，从第一营养级到最高营养级生物均有细胞呼吸，均要消耗有机物，有机物中的化学能很大一部分就以热能形式散失到无机环境中，散失的热能不可重新被利用，所以在流动过程中能量是逐级递减，不可逆转，也不能循环的。

在一个常见的生态系统中，究竟有多大比例的能量能从上一营养级流入下一营养级呢？散失的不能被利用的能量又有多少呢？此时进行能量数量及比例的定量研究是对能量流动模型的深化与检验。以教材中林德曼研究的赛达伯格湖的能量流动图解作为例子引导学生分析数据，定量计算各相邻营养级之间的能量传递效率，学生通过数据分析、计算和比较，对能量流动的特点有了定量的升华。学生充分体验了由定性分析到定量研究的科学方法，从本质上掌握了生态系统能量流动的一般过程与特点，并在一定程度上将认同建构模型进行生物学习的价值，此时指导学生应用已有模型建构的方法，尝试建构能量流动的物理模型——能量金字塔、并对能量金字塔各层级的数据实现定性分析向定量研究的又一次实践运用。

5  首尾呼应，增强社会责任。

重提“无人灯”、“食物浪费”、“乱扔垃圾”等案例，让学生进一步明确只有掌握生态系统能量流动的科学知识，才能在生态文明建设中实现资源的节约与循环利用，为绿色中国梦的绘制贡献自己的光与热，并成为社会责任这一核心素养的最佳养成途径。

生物学科核心素养的养成归根结底还应立足于课堂教学。在《生态系统的能量流动》一节教学中，在社会责任意识被唤醒的前提下，学生利用之前掌握的光合作用和细胞呼吸的过程来学习物质在生态系统中的来龙去脉以及能量的输入、传递、转化和散失过程，初步形成生态系统的物质与能量观，并用这些观念去解释生命现象。在分析能量流动过程中，合理运用科学思维开展科学探究，解决生态系统能量流动中的去路问题，最后首尾呼应再塑社会责任，引发共鸣。笔者认为，只有在课堂教学中有效利用课本知识、结合学生学情、始终不脱离生产生活实际，不断摸索、反复推敲，才能真正实现生物学科核心素养深植学生内心而“落地生根”！