深度学习的理念下层进式分步建构生态系统能量流动概念的模型

危宝华

摘要 叙述了学生通过实例、讨论、体验、理解、分析、总结的层进式分步自我构建“能量流经第一个营养级”的概念模型、“能量流经第二个营养级”的概念模型、“能量流经整个生态系统”的概念模型，总结出能量传递率的数学模型，最终建立完整的“能量流动”的整体概念模型，通过模型来理解能量流动的去向和特点。

关键词 层进 模型 概念模型 数学模型

中图分类号 G633.91

文献标志码 B

文件编号：1003-7586（2020）08-0023-03

模型作为一种现代科学认识手段和思维方法，《普通高中生物学课程标准（2017年版）》将之归于科学思维的行列。模型建构是一个思维和行为相统一的过程，通过科学的模型构建来研究推动教学，有利于学生借助模型来获取、拓展、深化对知识认识和掌握。

课堂教学建模是一种重要的科学操作与科学思维的方法。模型构建是一个思维和行为相统一的过程，它是为解决特定的问题在一定的抽象、简化、假设的条件下，再现原型客体的某种本质特征。

在课程教学中，深度学习是提高学生综合能力、实现核心素养的有效途径。“层进式”教学模式是指在一定的学习范围内，以某一问题或某一主题为中心，设计的具有一定逻辑结构的问题，让学生身临其境，激发学生学习兴趣，形成一个会发现问题、构建一定结构、分析问题、解决问题的逻辑思维的过程。

高中生物人教版《必修3·稳态与环境》中“生态系统的能量流动”这一节，重点在要分析能量流动的过程和特点，教师可以通过实例、讨论、体验、理解、分析、总结的层进式分步建立概念模型，让学生通过建模过程的探究活动，使学生更好地理解能量流动在一定范围内的局部共性，实现“应用、分析、评价、创造”的高层次认知对概念的深度学习，将抽象的思维系统化和整体化，帮助学生建立完整的能量流动的实体概念。

1通过实例，构建能量流动的基本环节的概念模型

概念模型是对真实世界中问题域内的事物的描述。能量流动是生态系统的三大功能之一，教科书对概念定义是通过“输入、传递、转化、散失”几个关键词来概括出来的，表述比较抽象。学生对概念的理解要有“直奔主体”的效应。如果教师能在文字的基础上构建一个框架模型，更有利于学生的初始形象的概念模式，以便于概念的深度理解。

教师在教学中可以借助能量流进一个种群的实例图（图1），促进学生建立一个概念的模型出来（图2）。学生通过思考总结构建的能量流动的概念图，能更清楚地懂得能量流动的几个基本环节。

2通过讨论，构建能量流经第一个营养级的概念模型

为了进一步完善能量流动的概念模型，学生需要理解从能量流经生态系统中的每一个营养级的去向。教师可以借助某一食物链，让学生分析、讨论能量流动的过程。从能量的源头——阳光开始，教师先引导学生讨论流经生产者，即第一个营养级的能量去向，从而构建相应的概念模型（图3）。

学生构建的流经第一营养级的概念模型，可以帮助理解生产者通过光合作用（或化能合成作用）将太阳能合成能储存能量的有机物，这是生产者固定的总能量。这部分能量通过呼吸作用散失一部分，其他能量用于生长发育和繁殖，属于净产量。这一部分净产量中，枯枝落叶流进分解者，一部分被初级消费者摄入，有一部分没有被摄入的能量，就是未利用的，但随着积累，还是流入分解者。同时，教师引导学生构建生产者同化的能量的概念模型（图4），用于生长发育和繁殖的概念模型（图5），更好地帮助学生理解总产量、诤产量及能量的去向。

3通过体验，构建能量流经第二个营养级的概念模型

有了构建能量流经第一营养级的概念模型的体验，教师可以通过学生自我体验，尝试让学生动手来构建能量流经第二营养级的概念模型。

学生的体验可以在实体事物参与中进行，如养蚕，蚕吃桑叶，有粪便有蚕本身的遗体等。教师促进学生体验能量的去向，促进学生构建流经第二营养级的概念模型（图6）来帮助理解能量去向。

构建的流经第二营养级的能量概念模型可以使学生理解初级消费者的粪便是初级消费者没同化的能量。教师要促进学生通过模型整理得出：初级消费者同化的能量=初级消费者摄入的能量-粪便=呼吸消耗的能量+生长发育繁殖的能量;生长发育繁殖的能量=分解者的能量+流入下一营养级能量+未利用的能量。同时，教师引导学生思考：未利用的能量是什么？次级消费者的粪便的能量是哪里的？学生搭建初级消费者摄入能量的概念模型（图7），借助图5生长发育繁殖的能量构建流经该营养级的总模型图（图7、图8）。

4借助理解，构建流经生态系统能量总的概念模型

通过有序地逐步構建能量流经第一和第二营养级的概念模型，学生理解了流经每一个营养级的能量有四个去向：呼吸消耗的能量、流经下一个营养级的能量、未利用能量、流进分解者的能量。但未利用的能量实质是经过时间积累，还是流向分解者了。这样就可以让学生构建出能量流进整个生态系统总的概念模型（图9）。

教师借助教科书能量流进生态系统的总模型图，让学生对概念模型做出定性分析：

（1）能量流动的起点是阳光。能量流动是从生产者固定太阳能开始。能量流进生态系统的总能量是生产者固定的总能量。

（2）能量流动的渠道是食物链或食物网。

（3）能量流动的特点是：单向流动，逐级递减。

5定量分析，构建能量传递率的数学模型

数学模型是指用数学的形式对事物的本质进行系统的说明，包括公式、表格、曲线等。教师可以引用赛达伯格湖的能量流动图，让学生完成表1对数据进行定量分析。

学生利用表1，计算出第一营养同化的能量流向第二营养级的能量的百分比，归纳出计算能量传递率的数学模型：能量传递率=下一营养级同化的能量/上一营养级同化的能量×100%。学生通过计算，可以发现能量的传递率在10%～20%，从而从定量分析的角度理解能量流动的去向。学生通过数学模型可以更精准地理解能量流动的特点为逐级递减的原因。

6总结归纳，构建和能量流动的总概念模型

通过层进式构建能量流经每个营养级的概念模型，教师引导学生总结归纳并修正能量流动的概念模型，重建一个完整的概念模型（图10）。

生态系统的能量流动是生命与物质观教学中的一个重要环节，能量是万物之源，其流动的过程和方式比较抽象。该案例中，教师通过学生实例渲染、讨论建模、体验生成、理解思维、定量分析、归纳总结，符合学生思维的层进式问题设计，让学生自我在头脑风暴中分步完成能量流动的概念模型，综合总结对整体能量流动的概念模型进行搭建，使抽象的知识可以通过模型直观的加以理解。

通过构建模型来呈现体验式教学，让学生在“做中学”过程中不断修正自己对能量流动概念的认识，最终形成完善的能量流动的科学概念。这样不仅能丰富学生的学科知识、开阔其视野，更能培养学生创新应用的高阶思维能力，实现深度学习，最终达到培养学生生物学学科核心素养的目的。