基于学科核心素养中科学思维培养的情境创设教学的应用——以“生态系统的能量流动第1课时”为例

内蒙古 冰 洁 薛井杰

《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》中提到，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，其中科学思维的形成，要求学生能够运用已有的生物学知识、证据和逻辑对生物学议题进行思考或展开论证；掌握科学探究的思路和方法，形成合作精神，善于从实践的层面探讨或尝试解决现实生活中的问题；具有开展生物学实践活动的意愿和社会责任感，在面对现实世界的挑战时，能充分利用生物学知识主动宣传引导，愿意承担抵制毒品和不良生活习惯等社会责任，为继续学习和走向社会打下认识和实践的基础。

因此在教学中，教师需要向学生提供各种丰富的、有代表性的事实来为其概念的形成提供支撑，同时教师安排的活动不应仅停留在让学生记住一些零散的生物学事实的层面上，而是要通过对事实的抽象和概括，帮助学生建立生物学概念，并以此来构建合理的知识框架，为学生能够在新情境下解决相关问题奠定基础。科学思维是人们在科学认识和科学实验的活动中进行的一种思维活动；是以探索真理为目的的思维活动；是反映客观事物本质与规律、以“理论”掌握世界的方式进行的思维活动。而高中生解决现实生活中的实际问题的机会较少，因此，在高中生物教学中，运用情境创设教学的策略，对培养学生的学科核心素养，尤其是对科学思维的培养来说是一种常用的、有效的策略。

本文以“生态系统的能量流动第1课时”为例，探讨创设情境教学充分体现学科核心素养的应用。

一、教材分析

人教版生物学教材必修3第5章“生态系统及其稳定性”第2节“生态系统的能量流动”第1课时的内容包括：能量流动的概念、能量流动的过程和特点，它与必修1中“细胞代谢”的知识联系密切，又直接关系到本章第3、4、5节“生态系统的物质循环”“生态系统的信息传递”和“生态系统稳定性”的学习，教学重难点是运用分析和构建概念模型的方法理解能量流动的过程。本节内容综合性强，理论联系实际紧密，需要提高灵活运用知识、分析解决问题和识图解图能力。

通过本节内容的学习，学生需要理解只有生态系统的能量流动及其他两个功能正常进行，生态系统才能维持稳态。

二、学情分析

高二年级的学生已掌握了能量传递、转化和能量守恒等基本概念，也熟悉了能源物质、光合作用与细胞呼吸中能量的固定、转化、散失的相关知识，此阶段部分学生逻辑思维发展较好、已具备一定的学科核心素养，尤其是归纳、概括、建模的科学思维能力较强。

三、教学目标

1.完成三级概念构建

一级概念：生态系统中的各种成分相互影响，共同实现系统的物质循环、能量流动和信息传递，生态系统通过自我调节保持相对稳定的状态。

二级概念：生物群落与非生物的环境因素相互作用形成多样化的生态系统，完成物质循环、能量流动和信息传递。

三级概念：举例说明利用物质循环和能量流动规律，人们能够更加科学、有效地利用生态系统中的资源；解释生态金字塔表征了食物网各营养级之间在个体数量、生物量和能量方面的关系。

根据以上内容，笔者将本节内容分为2个课时讲授，第1课时内容包括能量流动的概念、过程、特点、能量金字塔，第2课时内容包括生态金字塔、能量流动的计算和意义。

2.目标分解

(1)以问题情境为例，从个体→种群→某一营养级→生物群落的层次，通过讨论、小组间交流、构建能量流动概念图的活动，依次分析能量流动的过程，形成局部与整体观、物质与能量观的生命观念，运用演绎与推理、模型与建模的方法培养科学思维；

(2)在能量守恒的前提下，学生通过自己归纳、总结各营养级能量的来源和去路的恒定，得出4个关于“同化量”的关系式，分清能量流动的两种研究方法，培养归纳与概括的科学思维，了解研究能量流动的基本思路和方法，提升科学探究能力；

(3)利用能量流动模型，构建能量流动的概念模型，树立稳态与平衡观的生命观念；

(4)通过计算赛达伯格湖相邻两个营养级能量传递效率，明确传递效率的计算方法，并总结、阐述能量流动单向流动、逐级递减的特点及其原因，学会用数学方法解决情境中的问题，并引导学生关注能量流动的意义，增强学生解决生产生活问题的担当和能力。

四、教学过程

1.创设情境——创建科学思维锻炼平台

设计意图：从学生必备知识和关键能力来看，科学思维是科学态度、科学世界观和价值观的基础，学生应具备分析和解决问题的能力，因此笔者选择了“尼斯湖水怪”情境，整节课以“探究‘水怪’是否真的存在”为主线，将能量流动知识贯穿其中，解决情境中的问题，激发学生的学习兴趣，同时锻炼其科学思维。

情境创设：传说，在英国苏格兰高原北部的大峡谷中，有一个面积为62.4 km2、平均水深为200 m的尼斯湖，这里有一只顶级消费者——重达40 t的“水怪”。

早在1 500多年前，就开始流传尼斯湖中有巨大怪兽常常出来吞食人畜的故事。古代一些人甚至宣称曾经目击过这种怪兽，有人说它长着大象的长鼻，浑身柔软光滑；有人说它长着长颈圆头；有人说它出现时泡沫层层，四处飞溅；有人说它口吐烟雾，使湖面有时雾气腾腾，你认为这会是真的吗？

2.在情境中主动建模、探究——锻炼严谨的科学思维

科学思维方法是指形成并运用科学认识活动的、人脑借助信息符号对感性材料进行加工处理的方式与途径。一般来说，科学思维方法比日常思维方法更具有严谨性与科学性。通过建模、归纳与概括、批判性思维等方法，培养学生科学思维习惯、落实科学思维发展，同时在观察、分析、讨论和交流的过程中也在锻炼其科学探究的能力，这两方面的学科核心素养也间接影响着另两个学科核心素养的达成。

(1)构建个体、种群水平的能量流动过程图，探究一个营养级能量的去路

设计意图：概念(包括模型)的形成主要依靠抽象和概括的方法，让学生根据已有知识，基于事实证据，构建个体及种群水平的能量来源和去路模型，运用了前概念的方法。教师讲解的过程是帮助学生逐渐明晰完整、科学的概念的过程。构建概念的过程中，学生明确了研究生态系统能量流动的基本原理是能量守恒定律，以群体作为整体进行研究是系统科学常用的研究方法，可以培养学生良好的思维习惯和思维方式。

活动一：以尼斯湖生态系统的一条食物链：水草→甲→乙→丙为例，以文字和箭头的形式，分小组构建水草、甲、丙在个体水平和种群水平上的能量来源和去路模型(如图)。

教师点评：大多数同学总结出的个体水平和种群水平的能量流动的来源和去路模型是基于能量守恒定律的，即能量可以由一种形式转化为另一种形式。并且同学们发现个体水平和种群水平上的能量来源和去路是一样的。

研究能量流动可以在个体水平上进行，也可以在群体水平上进行，一般将群体视为一个整体进行研究是系统科学常用的研究方法。下面笔者以食物链中的种群乙捕食种群甲为例，探究沿着食物链的两个种群间能量流动情况。

探究关系式1：展示种群乙捕食种群甲的过程图，给出“同化量”概念，强调研究生态系统能量流动应以同化量为单位。

关系式1：同化量=摄入量-粪便中的能量

探究关系式2：分析过程图，总结关系式，理解同化量的两个去路：同化量=呼吸散失量+用于生长、发育和繁殖的能量

关系式2：同化量=呼吸散失量+用于生长、发育和繁殖的能量

(2)构建各营养级能量流动示意图，探究定性、定量研究中能量流动过程

设计意图：思考、构建能量流动概念模型流程图；思考、总结、思维互动理解同化量的3个、4个去路；学生讨论后达成共识，上交一份纸质版结果；成果展示，初步达成本节课对生态系统能量流动过程分析的目标，培养学生自主学习、合作交流的能力，引导学生透彻理解相关概念。培养归纳与概括的科学思维，了解研究能量流动的基本思路和方法，提升科学探究能力。教师点评时提出问题，引导学生运用批判性思维进行思考和追问。

活动二：请同学们各自构建从生产者到最高营养级的同化量流动图解。学生上交后，利用投影仪展示各组流程图。

教师点评：①输入某生态系统的总能量主要是生产者固定的太阳能，少数生态系统可以以化学能为能量输入；②能量以有机物中化学能的形式沿着食物链、食物网的渠道传递。③呼吸作用以热能的形式散失能量。

探究关系式3：根据此图，请总结出有关同化量三条去路的关系式3。

总结方法：这是能量流动的定性分析方法，还有一种定量分析方法。

关系式3：同化量=呼吸散失的能量+流入下一级的能量+分解者利用的能量

探究关系式4：给出赛达伯格湖能量流动图解，引导学生分清这种定量研究方法中，同化量的去路又多了一条，请同学们自己总结。

关系式4：同化量=呼吸散失的能量+流入下一级的能量+分解者利用的能量+未利用的能量

教师点评：未利用的能量在下一个单位时间主要以三种形式存在：一是以活的植物体的形式存在、二是以枯枝败叶的形式存在、三是以初级消费者未被分解的粪便流到了下一年。

(3)提供数据，探究能量流动特点

设计意图：填表、计算，探究能量流动特点，学生学会运用数学方法，探究出能量流动的特点，并能够科学地解释原因。此环节的重点是培养学生实证意识、重证据、重逻辑的思维习惯和能力。

活动三:出示赛达伯格湖各营养级能量数据表，给出能量传递效率的计算方法，引导学生发现并阐述能量流动的两个特点和原因。

教师点评：在能量传递和转化过程中，除了一部分可以继续传递和做功的能量外，总有一部分能量以热能的形式散失，对生态系统某一营养级来说，一部分能量以热能的形式散失，一部分能量会被分解者利用，还有一部分能量在单位时间内未被利用，只有10%～20%的能量可以传递给下一营养级；能量主要以光能的形式进入无机环境后，就不能再以光的形式存在，而是以化学能或热能的形式存在，生物代谢产生的热能也不能再转化为生物体内的化学能，也就是说，无论是从环境到群落，还是在各营养级之间，能量都是单向流动的。

3.构建核心概念——训练逻辑思维能力

教师给出能量在生态系统、无机环境、生物群落中的输入、传递、转化和散失图，引导学生总结能量流动的概念以及能量流动的过程。

4.解决情境中的问题——运用科学概念、科学思维解决问题

设计意图：运用新的概念，通过讨论、发言解决问题，实现预设目标。通过难度较大的完整思维活动，训练逻辑思维的全面性、深刻性。

提问：请同学们利用本节课所学的能量流动知识，再次思考情境中“水怪”是否存在呢？

5.课堂小结——通过问题训练思维的灵活性

设计意图：厘清本节课所学知识的脉络、引出第2课时内容。教师提出的问题，不追求标准答案，训练学生思维的灵活性、变通性，培养学生的发散思维、求同思维、求异思维。

教师小结：通过了解能量流动的过程和特点，同学们能够说出最高营养级的“水怪”无法从生产者获得如此多的能量来维持它的生命活动，所以“水怪”并不存在，这与科学家提倡人类多吃素食是一样的道理，因为与吃肉相比，吃素时人类所处营养级较低，这样缩短了食物链，就减少了能量的损耗。笔者再为同学们布置一道思考题：已知该湖泊生产者的生物量是2 g/m2,该湖泊面积为62.4 km2，平均水深为200 m，按能量传递效率为20 %计算，这个湖泊中的生产者能不能养活这只“水怪”？

五、教学反思