基于概念模型建构的“生态系统的物质循环”教学设计_周婷.pdf

基于概念模型建构的“生态系统的物质循环”教学设计周婷(江苏省震泽中学苏州215200)摘要本文以“生态系统的物质循环”为例，介绍了通过建构模型生成概念的教学设计。以“创设情境，提出问题”“分析问题，初构模型”“应用模型，解决问题”“优化模型，形成概念”“回顾前情，深化概念”的过程实现对“生态系统中的物质在生物群落与无机环境之间不断循环”这一概念的教学。关键词生态系统物质循环模型建构概念教学高中生物学1教材分析及设计思路本节教学内容选自人教版高中生物学教材(2019版)选择性必修 2 第 3 章第 3 节“生态系统的物质循环”。本节内容是建立在学生初中学习了关于种群、群落及生态系统基本概念之上，深入讨论生物群落与无机环境的关系;也是在学习本章生态系统结构、能量流动的前提下，从物质角度进一步讨论生态系统的功能;还是后续学习生态系统稳定性及生态修复所依据的基本原理之一。因此，本节内容在生态学知识中起着承前启后的作用。本节的教学设计中，运用垃圾分类的情境启发教学，并将情境贯穿于教学始终，实现沉浸式教学。根据教材碳循环示意图，提出厨余垃圾问题，根据小组讨论结论，初步建构碳循环概念模型。通过对“温室效应”“碳达峰”“碳中和”问题的探讨，优化所构模型，实现碳循环概念模型的再构。以“DDT”“福岛核泄漏”为引子，探讨生物富集现象，归纳建构物质循环概念模型。通过建构模型逐渐形成“物质循环”的概念，发展科学思维。此过程紧密联系垃圾分类的背景，关注可回收垃圾和有害垃圾的处理问题，从社会层面和个人角度提出践行绿色发展理念的措施，渗透人与自然和谐发展的生态理念，提升学生的社会责任意识。2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，制订了如下教学目标:(1)通过概述碳元素在生物群落和无机环境之间的主要存在形式，及其在两者之间循环的方式，建构碳循环概念模型，培养合作交流、归纳概括等能力，发展科学思维。(2)通过模型分析温室效应、生物富集等环境问题，建构物质循环模型，培养分析和解决问题的能力，提升思维的品质和社会责任意识。(3)通过对环境问题的探讨，提出相关主张，渗透人与自然和谐相处的生态理念，倡导绿色健康生活。(4)通过讨论能量流动与物质循环之间的相互关系，逐渐形成物质与能量观。3教学过程3 1创设情境，提出问题以“参与垃圾分类，把青山绿水留给家乡”的公益广告视频导入课堂，提出问题:政府为什么要推行垃圾分类?学生根据储备知识提出一些关于垃圾分类的益处。教师不对学生的回答作是或否的评价，而是鼓励他们关注社会问题，参与劳动，并大胆提出自己的观点。引出“生态系统物质循环”的话题，导入新课。设计意图:以视频联系课堂与社会生活，激发学生的学习兴趣，鼓励学生关注社会生活，积极参与社会性事务，多思多想。为本节探索物质循环的规律铺设整体学习背景。3 2分析问题，初构模型提问:如果不对厨余垃圾进行处理，垃圾中的物质和能量会去哪里?基于对生态系统结构和能量流动的认知，学生会考虑到分解者的分解作用。在此基础上，要求学生用语言描述教材第 62 页“图 310 碳循环示意图”的模型中关于碳元素在生物群落与无机环境之间的往复过程。明确大气中 CO2的来源与去路、生态系统成分之间碳元素的流动形式和彼此关系，结合生态系统的结构尝试构建碳循环概念模型 1(图 1)。图 1学生建构的碳循环概念模型 1设计意图:顺应学生的认知规律，通过对生活中最常见的垃圾之一 厨余垃圾的去路分析，使学生学会运用质量守恒定律、能量守恒定律等物理学、化学原理分析问题。这也是对本章第 1 节和第 2 节知识的回顾与应用。尝试用语言描述“碳循环示意图”的目的是发展学生的读图能力和语言表达能力，并在此基础上将植物、动物、微生物等具体对象归类为生态系统的14生物学教学2023 年(第 48 卷)第 5 期成分(生产者、消费者、分解者)，建构概念模型，发展学生的抽象、概括与归纳能力。3 3应用模型，解决问题提出问题:如果 CO2的来源与去路不平衡会对环境产生什么影响?引导学生根据模型中大气中 CO2的来源与去路，讨论问题 1 和 2。问题 1:关于温室效应。根据模型分析资料 1:最近一个世纪以来，大气中 CO2的浓度提高了近 100ppm，地球表面温度提高了约 0 78(图 2);2020 年我国正式提出 2030 年前碳达峰、2060 年前碳中和的战略目标。引导学生讨论:全球气温升高的原因;气温升高对全球生态系统的影响;如何减少碳排放?根据以上问题的讨论，优化碳循环概念模型。教师组织学生对模型进行分析，小组合作讨论并阐述观点。学生经过讨论获得结论:人类活动导致 CO2等温室气体的过量排放使得全球气温持续升高，进而导致冰川融化，海平面上升，无数生物将失去其生存空间;从政府和社会角度，可通过增大植被面积以增加 CO2的吸收量，减少化石燃料的燃烧以减少 CO2的排放量，实现碳达峰、碳中和的目标;从个人角度，要积极践行垃圾分类，实现可回收垃圾的循环利用。例如:减少一次性用品的使用，易拉罐回收再利用，减少冶炼钢铁等工业生产中的碳排放;节约纸张，双面打印，倡导办公无纸化;乘坐地铁、使用共享单车等公共交通工具最后，将碳循环模型中的生产者、消费者、分解者，概括为生物群落，得到碳循环概念模型 2(图 3)。图 2地球表面温度与大气中 CO2浓度的年变化图 3学生建构的碳循环概念模型 2设计意图:结合相关地理知识，根据地球表面温度与大气中 CO2浓度的年变化规律，分析碳循环概念模型得到温室效应产生的原因，培养学生的归因能力。通过全球气温的变化理解生态系统物质循环的范围涵盖整个生物圈，概括出物质循环具有全球性与循环性的特点。抽象并发展碳循环概念模型，实现思维的发展。关联教室中常见的如易拉罐、废纸等可回收垃圾的处理办法，讨论节能减排的具体措施，倡导低碳生活，提升学生的社会责任意识。问题 2:关于生物富集现象。资料 2(该资料较长，可以拓展材料形式印发，方便学生课后研读):DDT是一种人工合成的有机氯杀虫剂，几乎对所有昆虫有效。二战期间，DDT 使用范围迅速扩大，甚至用于治疗疟疾、痢疾等疾病。1962 年，美国蕾切尔卡逊在其科普著作 寂静的春天 中认为，DDT 进入食物链后在动物体内富集，是导致部分动物接近灭绝的主因。研究发现，DDT 在环境中难降解，可蓄积在动物脂肪内，并会随着洋流和气流在全球从低纬度向高纬度迁移。目前，南极动物的血液中已检测出 DDT，且体内含量明显高于环境中。因此，从上世纪 70 年代后 DDT逐渐被世界各国明令禁止生产和使用。资料 3:2011年 3 月，日本福岛县发生里氏 9 0 级地震，导致该县核电站核蒸汽泄漏。核辐射物质通过风传播到周边地区。2019 年 10 月，台风海贝思引发洪水冲走了福岛地区存放核泄漏事故中装污染物(高浓度的碘131)的部分垃圾袋。据分析，这些辐射物很有可能已经顺着日本的河流进入大海，并对整个太平洋的生态环境带来影响。引导学生根据资料 2、3 讨论:DDT 在动物体内的浓度为什么会高于环境浓度?高浓度的碘131 会不会进入人体?通过什么途径进入人体?其在人体内的浓度会怎样变化?你认为含汞的电池、过期药物、农药瓶、油漆桶等垃圾应该如何处理?通过分析，学生得出 DDT 通过食物在企鹅体内积累，使其在机体内的浓度超过环境浓度。同理，碘 131 很有可能也会通过食物链进入生物体，并在人体或其他生物体内富集。学生通过分析理解了生物富集现象的本质，24生物学教学2023 年(第 48 卷)第 5 期翻转课堂模式下“群落的结构”教学设计李猛王福玲(山东省昌乐第一中学潍坊262400)摘要本节课是在翻转课堂模式下，以课前调查校园物种组成并构建物理模型为情境基础，通过提供丰富的课程资源，利用“创设情境问题驱动”，激发学生学习兴趣;基于学生的实际观察和结果分析，引导学生进一步展开小组合作探究，建构概念，使学生通过本节课的学习能够进一步理解生命活动的本质，提高学生对生命系统与环境关系的认识，形成生命观念，发展科学思维，掌握科学探究的思路和方法，提高实践能力。关键词翻转课堂群落的结构教学设计高中生物学1教材分析及设计思路本节课属于人教版高中生物学教材(2019 版)选择性必修 2 生物与环境 第 2 章第 1 节的内容，是对必修 1 分子与细胞 第 1 章第 1 节生命系统的结构层次中种群和群落概念及其上下层关系的进一步深化。在 普通高中生物学课程标准(2017 年版 2020 年修订)中，本节课内容属于大概念 2“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”中的“2 1不同种群的生物在长期适应环境和彼此相互适应的过程中形成动态的生物群落”。本节课安排在选择性必修 2“种群及其动态”单元之后，“生态也自然认同了有害垃圾的回收处理方式。设计意图:通过对生物富集问题的分析，得出人类活动影响了某些物质如重金属、人工合成的有机化合物等物质在生态系统中的分布。联系有害垃圾的处理和回收，提升学生的环境意识、社会责任意识。3 4优化模型，形成概念通过对温室效应和生物富集现象的分析，使学生对碳循环和其他物质在生物群落与无机环境之间的循环有了更深层次的理解，引导学生在图 3 基础上思考组成细胞的其他重要元素(除C、O 外)以何种形式如何进出生物群落，并建构“生态系统物质循环”的概念模型(图 4)，形成“生态系统中的物质在生物群落与无机环境之间不断循环”的概念。图 4学生建构生态系统物质循环概念模型设计意图:通过不完全归纳法，运用碳循环模型对知识进行迁移，建构“生态系统物质循环”的概念模型，是一个具体问题抽象化的过程，也是一个个例普遍化的过程。此过程中的知识应用、思路跃迁、概念转变都有效提升了学生的科学思维品质。3 5回顾前情，深化概念组织学生讨论并陈述关于“垃圾分类的必要性”“各类垃圾的最优去处”的主张。学生在讨论过程中自然将物质循环与能量流动相关联。教师布置课后作业以碳循环概念模型 1(图 2)为例，用同一个概念模型表达能量流动与物质循环两个过程。设计意图:既回归情境，又联系了物质循环与能量流动关系，培养学生的物质与能量观。4教学反思科学思维是智力发展的最终目标1，也是生物学核心素养之一。模型与建模是发展科学思维的一种方法。概念是思维的基本形式之一，同时也是思维的产物和工具2。建构模型不仅要做，而且要在做中实现概念的形成和理解，更要在做中体验、思维和创造，也就是说，要建构，更要在建构中实现行为和思维的统一3。本节教学通过对教材内容的解析与组织，创设适当的情境，为学生布置可操作的任务，激发学生的学习兴趣和求知欲望。通过真实情境中问题的分析与讨论，逐步建构模型。通过对模型的分析和应用实现了生物学概念的建构。可以说，以建构模型为手段进行概念教学，是一种将脑中反映通过模型表达的过程，是有效实现深度学习的方式之一。教师在实践过程中，一定要研究教材，精心设计活动，避免两个现象:一是拘泥于无足轻重的细节，背离了模型方法简化、抽象出本质的要旨;二是弱化活动中必要的思维过程，以形成一个具体化的模型为唯一的目的追求3。(基金项目:江苏省教育科学“十三五”规划 2020年度重点资助课题“高中生物模型建构 教学的实践研究”，No Ca/2020/02/11)主要参考文献1 KUHN DScience as argument:Implications for teaching andlearning scientific thinking J Science Education，1993，77(3):3193372 赵占良 生物学概念教学论M 南宁:广西教育出版社，2021:893 谭永平 高中生物学新课程中的模型、模型方法及模型建构J 生物学教学，2009，34(1):1012 34生物学教学2023 年(第 48 卷)第 5 期