围绕解决真实问题的学习活动设计与实施——以“生态系统的稳定性”为例

陈廷华 郑晓蕙

(1 江苏省无锡市辅仁高级中学 无锡 214123； 2 华东师范大学教师教育学院 上海 200062)

高中生物学必修模块“稳态与环境”的核心知识是“稳态与调节”。纵观本模块，从个体内环境的稳态，到最高层次生命系统的稳定性，任何层次生命系统都必须保持其生活环境的相对稳定，稳态的维持需要系统内部各组分之间的相互作用、自我调节。“生态系统的稳定性”一节，是从生态系统层次上探讨生态系统稳定性的重要性及维持，论证人类活动对生态系统稳定性的影响等。如从生活实例出发，从人类生存环境所面临的各种问题出发，论证生态系统稳定性的重要性似乎并不难。但是，生态系统不同于个体，生态系统内部的调节所产生的影响具有高度的开放性和较长的滞后性，并不能很快通过各种指标测量出来，学生体验不到稳态与调节的过程，由此给学生的学习思维活动带来一定困难，如： 人类的活动怎样对生态环境施加正面或负面影响学生亲身体验不足，对有关稳态知识的理解与学习很难实现知识迁移。如何理解生态系统的自我调节过程和方式？如何认识到自然生态系统的稳定性是经过若干万年共同进化和长期自然演替形成的，人类不能随意改造和破坏？如何形成尊重自然、保护自然的生态观？这些问题不解决，学生很难形成正确的世界观、尊重自然的品性和科学思维能力。本文以“生态系统的稳定性”教学为例，讨论如何围绕解决真实问题，设计并实施学习活动。

1 围绕解决真实问题的学习目标设计

教育的首要目标是培养学生形成伴其一生的解决复杂问题的能力和素养。学生学习问题的产生，往往源于实践活动的不足，从而发现不了真实的、有价值的问题，自然无法解决问题。围绕解决真实问题的学习目标设计，要高度关注学生学习过程中的实践经历，积极创造条件，为学生提供探究性、可拓展的实践活动资源，并以学生学习实践活动为素材，结合学习内容的知识结构，凝练真实问题，以真实问题情境引导学生思维。

学生在实践活动中，“触及”科学现象，建立相互协作的学习共同体，经历信息收集、组织、比较、分类等认知活动，在已有想法和新的以及更加复杂的想法之间架设桥梁，对生物学本质问题展开深度讨论，在问题解决中实现知识整合，形成概念观念，发展科学思维。据此可有四类设计目标，即： 使科学可触及、使思维看得见、帮助他人学习和促进自治[1]。

以“生态系统的稳定性”的教学设计为例：

使科学可触及： 本节以“尊重自然规律，维护生态稳定”为核心思想，利用“设计并制作生态缸，观察其稳定性”的小课题，让学生制作一个微生态系统，并进行连续观察，实际观察各自所制作的生态缸中水质、土壤、生物种类和数量等的变化，来体验生态系统的自我调节过程。通过学生的体验，实施情境教学，实现“使科学可触及”。

使思维看得见： 在制作和观察过程中，从生态缸的规划设计，到购置生态缸、土壤、肥料、采集动植物材料；从观察、记录、拍照、写观察日记，到课题汇报材料整理、撰写课题报告、制作PPT等，学生的想法(思维)通过各种形式进行表征，如学生的说明、画图、建模以及实时数据采集等，都是“使思维看得见”的过程体验。

帮助他人学习： 活动中学生分工协作、井然有序，人人参与，各负其责，始终保持着旺盛的热情。学生每周定时观察，如实记录，观察细致，一丝不苟，通过“帮助他人学习”的过程，培养实事求是的科研素养、认真负责的工作态度、相互协作的团队合作意识。

促进自治： 通过对真实问题的深度探讨，相互交流和评价，对学科内容和科学本质进行反思，整合知识结构，拓展知识应用，审视生命本质，提炼生命规律，形成科学观念，“促进自治”，最终发现小小的生态缸，并不是把各种成分随意拼凑就能形成一个基本稳定的生态系统，人们建构生态系统只能模拟自然生态系统原有的种间关系，只有尊重大自然业已形成的错综复杂的关系，科学规划好生物的种类、数量和比例，才能实现生态系统结构和功能的基本稳定[2]。

2 围绕解决真实问题的学习活动设计

为让学生以实践为体验，在学习活动中解决真实问题，笔者将“生态系统的稳定性”的学习活动设计为合理规划、理论研究、实践体验、总结评价、问题探讨等环节(图1)，以达到围绕解决真实问题的学习目标。

图1 “生态系统的稳定性”一节的教学流程设计

3 围绕解决真实问题的教学实施

本学习活动设计在笔者所任教学班进行实施，教学效果良好。其中“问题探讨”环节是在学生完成课题研究和交流汇报之后，对本节教学内容学习的深度剖析和思想升华，是达成学习目标的重要环节。本环节探讨的问题均来自学生课题研究中的“真实问题”，真实的问题情境为学生的思维可视化提供了“支点”，问题的核心直指学科知识本质，问题的呈现紧密结合本节教材的教学内容的知识结构展开(图2)，组织学生深度讨论，经历触及科学现象到思维可视化过程，在互动学习中认识生命世界的内在规律，建构知识，形成生命观念。

图2 “问题探讨”阶段的教学实施示意图

现重点分析问题探讨阶段的教学组织与实施过程。

问题1 生态系统的结构为什么一定要包括食物链和食物网？

学生的常见的思维误区： 错误认为生态系统的结构就是指生产者、消费者、分解者和非生物的物质和能量四种成分。

剖析： 生态系统是生物群落和无机环境相互作用的统一整体，各种成分之间具有复杂的关系，其中食物链和食物网就是生产者和消费者之间重要关系的体现。如果只是四种成分的简单拼凑，并不足以构成稳定的生态系统。

联系学生研究提出现实问题： 在设计生态缸时，一定要考虑构建怎样的关系？为什么不同小组放养的乌龟有的活了，有的死了？有没有考虑所放养的龟的食性？有小组把蕨类种植在生态缸中为什么未能成活？有人把芦荟养在水里可行吗？

列举某小组汇报总结： 生态缸的土质、植物、动物等的选择基本模拟了各自原有生存状态(阴生、阳生、水生、陆生等)和食物关系，考虑到了物种的多样性，生态缸的环境也趋于稳定。

列举某小组汇报结论： 生态缸中添加成分齐全，生物种类多；添加的各种生物与其自然生态相吻合，所以经过一段时间的自我调节后很快实现了稳定。

综合分析，解决问题： 学生选择引用不同小组的课题研究报告回答问题，使思维有据可依，在相互学习中实现思维碰撞，体悟到生命的规律： 自然生态系统中生物与生物之间、生物与环境之间的各种关系是经过若干万年的共同进化和长期的自然演替而形成的，人类不可能随意去改变。所以在设计生态缸、构建种间关系等各种关系时只能尊重自然，只能是对自然生态系统的原有关系的模拟。

问题2 为了实现生态缸能量流动和物质循环的正常进行，放置不同生物时要考虑哪些因素？

引用某小组失败原因分析： 尽管本小组设计的生态缸想要尽量保持原生态，但准备的时间与条件不够充裕；生产者种类和数量太少，消费者数量又太多，保证不了生物物质和能量需求，能量流动无法正常进行；气温较低，水草籽活性不强，难成活；土质与水质不适合生产者的生存环境，没有成功模拟其原有的生存环境；消费者品种单一，无法构成完整的食物链[2]。

列举某小组的研究结论： 由于生态缸内成分齐全，有完善的食物链结构，各种生物与生态缸环境相适应，能量流动和物质循环可以正常进行，生态缸保持基本稳定。

学生通过正反两方面的比较，形成共识： 不同营养级生物的数量和比例关系要合适，合适的比例关系与自然生态系统是一致的，特别是生产者——植物数量能否维持整个生态缸的物质和能量需求。

问题3 结合生活体验和各自课题研究列举事实说明生态系统如何进行自我调节？

学生举例1： 本小组在观察中发现水质的变化——浑浊、发黄变为清澈，这是水体在发生自我净化，是自我调节能力的体现。

学生举例2： 无锡长广溪湿地的雨水净化系统——长广溪湿地公园通过合理运用了物理沉降、化学分解、微生物分解等过滤系统，减轻了城市降雨径流引起的非点源污染，充分体现了湿地生态系统的净化过滤功能，是抵抗环境污染的有效途径。

学生举例3： 本小组对养殖的金鱼死亡原因分析如下： ①此种鱼不适应该生态缸环境；②水草还未全部成活，光合作用不足，鱼的数量偏多，无法满足氧气供应；③该生态缸无可供该种鱼捕食的食物或食物数量不足。

这些鲜活的实例，足以让学生认识到： 生物种类和数量在发生变化是生态系统自我调节的重要体现(最直观的是学生举例3中鱼的数量变化，鱼放养多了就会有死亡)。自然生态系统的自我调节更为复杂，往往通过食物关系进行调控。

问题4 请根据不同小组生态缸达到稳定的时间的不同，比较抵抗力稳定性强弱与哪些因素有关？

教师引导： 同学们在对生态缸的观察和管理中，添加不同植物(藻类、蕨类、挺水植物、苔藓、浮萍)，不同的鱼等，目的是什么？

学生分析： 增加生物种类，提高抵抗力稳定性。(教师引用某小组课题观点并补充： 生态系统组分越多，食物网越复杂，自我调节能力就越强，抵抗力稳定性就越强。)

教师列举某小组课题研究阶段性报告内容： ①阶段性结论： 水质泛绿，水体可能富营养化，导致水体缺氧；②人工干预： 考虑放入金鱼，并加入少量浮萍，以控制藻类繁殖。

教师提问： 为什么有的人工干预是成功的，有的干预是失败的？(如某小组添加的蕨类未成活、苔藓成活了。)

学生思考、讨论，得到如下启示： 人工干预是否合适，还是要看是否符合自然生态系统原有的种间关系，是否与其原有生态环境相适应，否则抵抗力稳定性反而会降低。

问题5 如何提高生态系统自身的稳定性？

教师引导： 好几个小组对生态缸都进行了人工干预，如加入物质(饵料、土质)、植物等，目的是什么？

学生思考： 通过增加生物种类，增加物质和能量的投入，增强抵抗力稳定性。

教师总结： 我们已经讨论过人工对自然的干预不是随意的，人类可以在遵循自然规律的基础上利用和改造环境，如适量砍伐森林、合理放牧，利用生态工程建设改善环境等，增强生态系统的自动调节能力，维护好生态系统自身的稳定性。但我们必须强调，生态系统的自我调节能力总有一定限度，人类对自然资源利用一旦超过这个限度，自我调节能力就会迅速丧失。太湖蓝藻的暴发就是身边的典型实例，抵抗力稳定性破坏后恢复很困难。

问题6 能否模拟自然生态系统再造一个长期稳定的生态系统？

各小组通过制作生态缸并进行了2个月的连续观察，写出了研究报告，报告内容中不可避免会出现不完整的、片面的甚至是错误的分析，教师必须要作出正面回应与引导，并加以提升。例如，学生对生态缸稳定性的分析就出现2个错误，教师的处理如图3：

进一步提出问题： 能否模拟自然生态系统再造一个长期稳定的生态系统？

图3 学生对生态缸稳定性分析及教师的回应

4 教学反思

围绕解决真实问题的学习活动设计，以问题为导向确立学习目标，设计学习活动。从教学实践中提炼并细化真实学习问题，在问题探讨中，以实践体验架设思维桥梁，开展深度讨论，应用知识，解决问题。通过对上述6个问题的深度探讨，学生醒悟： 在目前技术条件下人工创建一个稳定的生态系统几乎是不可能的，而生物圈是若干万年的自然进化的产物，必须得到尊重，只有尊重自然、保护自然才能持久地享受自然的馈赠。保护地球环境、保护生物圈、维持生物圈的自我稳定是人类唯一的选择。

因此，这种围绕解决真实问题的学习活动，不仅较好地培养了学生观察能力、分析能力、科学探究能力，更是让学生从内心深处认同保护地球环境自我稳定性的必要性，自发形成生态意识和自觉参与环境保护的社会责任感。