在“生态系统能量流动”教学中渗透建模思维及生态保护理念

王美霞 侯妹仿

（北京市密云区第二中学 北京 101500）

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》明确提出生物学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任［1］。教师要在课程标准的指导下在教学实践中促进学生发展这4 个维度的核心素养。模型与建模是一种重要的科学思维，在教学过程中鼓励学生基于生物学事实和证据，运用建模的思维方法阐释生命现象及规律［2］，利用建立的模型解释和预测相似的生物学问题和现象。“生态系统能量流动”一节需要学生建立能量流动模型，总结能量流动规律，并应用解决实际问题，是培养学生模型与建模等科学思维的典型案例。

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》在本部分的教学建议中提出可调查或探讨当地某个生态系统的物质循环、能量流动，使用图示等方式表征和说明生态系统的物质循环、能量流动和信息传递，并对相关的生态学实践应用作出合理的分析判断，提高环境保护意识［1］。作为北京市密云区的学生，密云水库与其生活联系密切，很多学生就生活在水库周边，对密云水库的保护措施比较熟悉，但并不了解措施背后的生态学原理。

基于以上分析，在教学中组织学生借助中国知网等完成与密云水库相关的4 个调查报告并在课堂上进行交流，让学生对密云水库生态环境和经济发展有更全面的了解。然后教师对相关资料进行整理，汇编为课堂使用的导学案，创设真实教学情境，指导学生建立能量流动概念模型和数学模型，并分析模型总结规律，应用规律分析密云水库生态保护措施的合理性，更加了解和热爱自己的家乡，树立和践行绿水青山就是金山银山的生态保护理念。

1 建立生态系统能量流动模型，渗透建模思维

1.1 初步建立能量流动概念模型和数学模型在生态系统结构教学中，指导学生建立密云水库生态系统结构图（图1），明确水库中主要生物类群及生物与环境之间的关系，初步建立物质与能量观。在学习物质循环之后提出问题：能量在水库生态系统中是如何流动的？明确建立模型的目的是研究能量流动的规律。

图1 密云水库生态系统结构简图

细胞和个体水平的物质能量变化是群体水平物质能量变化的基础，所以课前让学生复习光合作用和呼吸作用，明确自然界中有光能、储存在有机物中的化学能、热能等能量形式，理解在细胞水平上不同能量之间的转化。

1.1.1 建立概念模型 在教学中引导学生分析密云水库一条食物链上每个营养级能量的来源和去向，并比较输入每个营养级能量的大小，思考每条食物链能量流动过程是否都一样。学生发现由于每条食物链的组成成分相同，所以能量流动过程都一样，可将食物链上的具体生物换为组成成分，据此提出一个能量流动模型以反映能量流动规律。在建立模型时要求学生用箭头的粗细表示输入某营养级能量的多少，用长方形面积的大小表示某个营养级同化能量的多少（图2）。学生经历了从特殊到一般的思维过程，在构建概念模型中发现营养级越高同化的能量越少，初步发现了能量流动逐级递减的规律。

1.1.2 建立数学模型 在学生建立概念模型的基础上，将模型中每一营养级同化的能量、呼吸作用散失的热能、分解者利用的能量分别用字母A、R、V 表示，用n 表示营养级。引导学生用语言表述A、R、V 的含义，并寻找A1、A2、A3、R1、R2、R3、V1、V2、V3 之间的数学关系（图2），在此基础上归纳出数学公式An=An+1+Rn+Vn，用数学模型反应能量流动的规律。

图2 生态系统能量流动模型

1.2 检验和修正能量流动模型 模型是否准确需要实践检验，需要进行定量研究调查公式中的各个能量值，引导学生用林德曼的赛达伯格湖研究结果检验前面建立的能量流动模型。

通过比较，学生将未利用的能量（用字母F 表示）添加到概念模型上，并将数学模型修正为An=An+1+Rn+Vn+Fn。接着让学生用赛达伯格湖的具体数据验证数学模型的正确性。学生在验证中就会发现，如果n 不是最高营养级，会被天敌捕食从而使部分同化的能量流动到下一个营养级，则：An=An+1+Rn+Vn+Fn；如果n 是最高营养级，不被捕食，同化的能量不能流动到下一个营养级，则：An=Rn+Vn+Fn。至此，学生通过活动不但建立了生态系统能量流动的概念模型和数学模型（图2），还很好地渗透了建模的思想方法。

2 研究模型，归纳能量流动概念和规律

根据模型，引导学生思考在生物群落和无机环境之间，以及在生物群落内部能量是怎样流动的。经过逐步建立模型，学生可很好地理解通过生产者的光合作用光能从无机环境输入到生物群落，转化为化学能沿着营养级逐级传递，最后通过生物的呼吸作用转化为热能散失到无机环境，不能再利用。进而总结得出能量流动是指生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程，同时发现能量单向流动不可循环的规律。

引导学生对数学模型进一步推理An+1=An-Rn-Vn-Fn，得出An+1＜An，并解释原因，真正理解能量流动逐级递减的规律。利用赛达伯格湖的能量流动图，计算能量在2 个营养级之间的传递效率An+1／An，发现相邻2 个营养级之间的传递效率是10%～20%，并建立能量金字塔。

最后启发学生思考赛达伯格湖输入的总能量、输出的总能量，以及该湖泊所处的演替阶段，从系统分析的角度理解一个湖泊的能量流动状态决定了湖泊的发展阶段。

3 应用能量流动规律解决实际问题，渗透生态环保理念

结合密云水库保护的实际情况，向学生出示以下资料。

资料1：2016—2018年密云水库蓄水量从10 亿m3涨到22 亿m3，目前水深146 m，水面131 km2。水量增加为水质安全带来挑战，水库管理中心设立46 个监测站［3］，每周检测水库中浮游植物、浮游动物、底栖动物的生物量（单位面积内生物的总重量），以反映密云水库水质的富营养化程度，防止水华的爆发。

资料2：密云水库每年在4月1日—9月30日的休渔期投放鱼苗。2016年增殖放流鲢鱼4.21×105kg、鳙鱼1.29×105kg、鲂鱼2×104kg，共计放流净水鱼类5.72×105kg。2017年增殖放流鲢鱼5.36×105kg、鳙鱼2.26×105kg、鲂鱼2.1×104kg，共计放流净水鱼类7.83×105kg。2018年增殖放流情况与2017年相同。

资料3：水华的爆发主要是由于蓝藻等大量繁殖造成的，鲢鱼和鳙鱼是滤食性鱼，以浮游动植物为食，一条1 kg 左右的鲢鱼1 个月能吃掉2 kg 蓝藻，同样大小的一条鳙鱼，1 个月能消耗3.66 kg 蓝藻。

根据资料，让学生从生态保护和经济效益的角度思考以下3 个问题：1）为什么要投放滤食性鱼而不是肉食性鱼？2）从密云水库的营养结构分析，每年的最佳鱼苗增殖放流量是如何确定的？3）有人认为每年增殖放流鱼苗增加了经济成本，破坏了水库原有营养结构，应该停止投放鱼苗，在开渔期适量捕捞水库原有鱼类，你同意吗？请说明理由。

以上3 个问题来源于实践，也是学生在做调查报告时自己提出的。滤食性鱼捕食藻类，防止水华发生，净化水质。肉食性鱼类捕食滤食性鱼类，使藻类大量增殖，加重水库富营养化。肉食性鱼类营养级较高，获取的能量少，产量低。所以投放滤食性鱼是生态与经济并举的措施，既能防止水华的发生，还能获得最大经济效益。根据资料1 的信息和能量传递规律，每年的增殖放流量是根据上一营养级即浮游植物的生物量计算得出的。通过定期的适量投放和捕捞鱼类，调整了水库营养结构和能量流动关系，使第一营养级中蓝藻的能量通过滤食性鱼类离开水库，既保护水库水质，又使部分能量持续高效流向人类。如果不适当增加能量的输入，只一味地捕捞，可能会导致能量输出大于输入，破坏水库生态系统稳定性。

该教学环节不仅培养学生获取信息应用所学知识解决真实问题的能力，同时使学生更加了解自己的家乡，树立依自然规律参与生态保护实践的理念。学生还可利用自己的知识向身边人传播生态保护的理念，帮助百姓理解政府的各种水库保护措施，深刻体会绿水青山就是金山银山的生态保护理念。

4 教学反思

生物学核心素养是学生在解决真实情景中的实际问题时所表现出的价值观念、必备品格和关键能力［1］。教师在教学中围绕教学主题，借助当地生态资源，创设真实情境，提出真实问题，在活动中留充足的时间让学生真正解决问题。在逻辑严密的学习环节中渗透了模型与建模的科学思维和生态与经济并举的生态环保理念。不足之处是由于季节和安全原因，没有组织学生实地调查，在以后的教学中可根据实际情况组织学生到密云水库进行实地的调查研究。