“生命之网稳定的维系——生态系统的功能”单元设计

姚亭秀 白建秀 陈 侠

(1 北京市第八十中学 北京 100102； 2 北京市朝阳区教育研究中心 北京 100028； 3 北京教育学院朝阳分院 北京 100026)

1 单元教学内容分析

生态系统中的各种成分相互影响，形成多样化的生态系统，完成生态系统的功能——能量流动、物质循环和信息传递。其中，能量在生物群落中单向并逐级递减的流动是生命活动持续运转的动力机制；同时生物群落与无机环境之间不断进行的物质循环，既是维持生命活动的物质基础，又是能量的载体；物理、化学和行为信息在生态系统中不断传递，对生命活动的正常进行、生物种群的繁衍和种间关系的调节起重要作用，是生态系统调控的基础。三者在生态系统中紧密联系，不可分割。生态系统正是在一定的时间和相对稳定的条件下，通过多种功能流(能量流、物质流、信息流等)对组成生态系统的结构要素进行调控，进而维持整个生命之网的稳定(图1)，因此，将本单元设计命名为“生命之网稳定的维系——生态系统的功能”。

同时，生态系统的能量流动、物质循环、信息传递均属于生态学的研究范畴，在研究方法上具有一致性。不同于“传统的科学实验”(实验者在相关理论的指导下，运用一定的实验仪器，对实验对象进行干涉，从而获得相应的实验现象)，“生态学研究”是在不干涉或少干涉实验对象，以致于在没有破坏“自然发生”的条件下，获得对生物与环境之间关系的认识[1]。因此，生态学具有独特的研究方法论： ①模型建构是生态学研究的必需方法；②对生态学问题的研究要具有层次性的理念；③生态学只有按照进化论才可以解释[2]。

图1 单元知识结构

另外，生态学是自然科学和社会科学的桥梁，被广泛用于解决社会中的实际问题[3]。只有加强对生态系统自我调控阈值的研究，才能掌握调控和维持生态系统正常运行的机制，才能科学解决全球所面临的资源与环境方面的问题。因此，引导学生掌握基础生态学知识、体会生态学研究方法，深刻认识环境污染产生的本质所在，利于学生科学处理人与自然的关系，树立和践行“绿水青山就是金山银山”理念，形成生态意识，参与环境保护实践。

2 单元教学设计思路

2.1 设计策略 通过问题情境的解决，使学生在主动参与实践活动的过程中，深刻理解、构建和应用重要的生物学概念，并利用多元的评价策略，培养学生用能量观、物质观、信息观分析生态系统的意识，促成并发展学生的生物学学科核心素养。

2.2 单元任务分解 课题顺序上，正如教材所述“一切生命活动都伴随着能量的变化。没有能量的输入，也就没有生命和生态系统”，可见能量流动的重要性，同时必修1“分子与细胞”模块中，呼吸作用、光合作用是宏观生态系统层次能量流动的细胞学基础。因此，将能量流动安排为第一课题，突出知识的生物学意义，符合学生的认知规律；同时，能量流动以物质为载体，物质周而复始的循环，是一切生命活动的齿轮，是人类社会发展与进化的基本原动力和基本载体，物质循环与能量流动同时进行、不可分割。因此，物质循环安排为第二课题，体现知识的连贯性、关联性。信息传递安排为第三课题，因为信息传递作为生态系统的又一大功能既存在于能量流动、物质循环过程中，又把各个组分连成一个整体，随时对系统进行控制和调节，对稳态的维持意义重大(图2)。

图2 单元任务分解

3 单元教学目标

基于课程标准的内容要求、学业要求和学业质量标准，并围绕培养学生核心素养的要求，制订了如下单元教学目标：

(1) 能从“物质与能量观”、“稳态与平衡观”，说出生态系统的物质循环与能量流动的关系，以及信息传递对维持生态系统的稳定所起到的重要作用。

(2) 尝试建立模型并运用比较、分析与综合、定性与定量、批判性思维等科学思维的方法，说明生态系统中能量流动、物质循环和信息传递的过程、特征及其在生态系统中的作用；

(3) 尝试提出关于生态系统能量流动量化研究、生态系统信息源类型探究实验的实验方案；

(4) 能够对相关生态学现象作出合理的分析和判断，为生态资源的合理利用及维持其可持续发展提出有价值的建议。

4 主要单元教学过程

4.1 “生态系统的能量流动——动力机制”课题 共分为四个教学环节。

环节一： 力争以已有学习知识为铺垫(图3a、 b)，建立有关“能量”知识间的联系，体会生态学研究的层次性、系统性，使学生从低级层级的能量流动路径中得到对高级层次宏观现象及其规律的深入理解，也以高级层次为背景，更清晰地厘清低层次的能量流动路径；并引发学生对生态系统水平能量流动特殊路径(即“传递”)的思考，体会生态系统能量流动研究的重要意义；此外，定性模式图的绘制为环节二中定量模式图的建构奠定基础。

环节二： 提供具体的生态研究区域，引导学生讨论“进行该生态区能量流动量化研究的大体流程”，并提供该区生态系统能量流动测算数据(图3c)[4]，组织学生通过对数据的整理、分析，建构山东俚岛鱼礁生态系统能量流动定量模式图(图3d)，体验生态学重要的研究方法——模型建构法，由知识技能转入对学生学科思想方法的培养，实现学生思维与行为训练的相统一。

环节三、四： 借助塞达博格湖、银泉、俚岛鱼礁能量流动图解，引导学生讨论能量在生态系统中转化、流动的特点、规律，让学生树立能量观，参与讨论提高能量利用率的途径和方法，提升知识的实践价值。

(a)

(b)

4.2 “生态系统的物质循环——基本载体”课题 该课题的知识难度不大，因此侧重对学生科学思维和社会责任意识的培养和训练。如环节二，借研究数据(图4)引导学生分析“全球气温升高是否只与温室气体的排放有关？”训练学生的批判性思维。再如环节四，选择贴近学生生活的社会热点问题进行研讨，切实落实对学生社会责任意识的培养。

图4 全球气温变化统计[5]

4.3 “生态系统的信息传递——调控基础”课题 通过对学术研究成果的分析，训练学生的科学探究能力，并为后续“稳态与平衡观”的形成奠定基础。同时，引导学生体会信息传递意义的同时，尝试使学生体会信息传递在生物进化中的作用，不断渗透进化观，使其成为学生在生态学研究方法到结果解释全过程的指导原则[6]。

4.4 关联知识 体悟价值 最后，引导学生构建生态系统能量流动、物质循环、信息传递之间的关系(图5)，总结单元题目“维系生命之网的稳定——生态系统的功能”，并思考生态学研究方法的独特性及研究价值(图5)。

图5 单元教学效果反馈

5 单元教学反思

5.1 借用生态学研究方法，建构生态学概念 本单元设计贯穿了模型建构法的方法，突破了三部分知识间的独立性，有效帮助学生厘清复杂生态系统中能量流动、物质循环、信息传递在研究方法上的一致性。

5.2 利用科研素材和真实事件，搭建学生学习能力展现的舞台 精心选用与教材内容密切相关的真实、丰富的科研素材，并与教材内容合理整合，使学生在真实且开放的情境中习得知识，提升能力。

5.3 巧用问题激发社会责任意识，倡导学生学以致用 以学生熟悉的社会热点问题为切入口，在对大气中CO2含量的变化、有害物质富集、秸秆焚烧、沼气利用等问题的探讨中培养学生的社会责任意识，真正实现为生态文明培养传播者、为美丽中国培养建设者。