3.2生态系统的能量流动教学设计2022-2023学年高二上学期生物人教版（2019）选择性必修2

“生态系统的能量流动”教学设计
1.教材分析
《普通高中生物学课程标准(2017年版)》(以下简称《课程标准》)中对本节内容的要求主要有3个方面，对应3个次位概念，它们与重要概念和核心概念的关系如图1所示。
以上三个次位概念即是本节的将要引导学生完成的目标。
2.学情分析
结合人教版选择性必修二教材，学生已经有了生态系统各组成成分的认识，又有了必修1中光合作用和呼吸作用的知识铺垫，学生能从种间关系的角度简单分析能量的去向和转化形式。教师如果能从学生的生活经验出发，步步引导学生进行分析归纳，促进学生逐步建立生态系统中能量流动的模型。能量流动的规律是林德曼经过多年研究发现的，学生可能难以在一节课的时间中自己建立这个新知识，教师可以结合生活实际，引导学生试着利用该规律解决问题，从而使学生体会合理利用生态系统中的资源有多种手段。对于最后一个目标，在学生达成了前两个目标的基础上，教师可以设置一个课后思考题，将能量金字塔的内容与能量流动的规律和研究意义相结合，对学生进行综合考查。
3.教学目标
①通过反复模型建构，逐步归纳概括出能量流经某一营养级的过程；②通过对不同营养级能量流动模型的分析，建构生态系统中能量流动的概念；
③能运用结构与功能相适应的原理解释能量流动的特点；
④关注粮食危机问题，能运用所学内容举例说出提高能量利用率的具体措施。
4.教学重难点
教学重点: 生态系统能量流动的过程和特点
教学难点: 生态系统能量流动的过程和特点及相关计算
5.教学过程
5．1环节一：展示真实情境，角色扮演进行深度体验
教师创设情境，提出问题：
①如果你是一个生态学家，你会选择一片玉米田，还是西双版纳作为能量流动的调查对象 试说明理由。
②能量是看不见、摸不着的，如果你是生态学家，你会从什么角度对能量进行调查分析
随后，教师展示书本上的真实情境：1926年，美国一位生态学家研究了一块玉米田的能量流动情况，得到如下数据：这块田共收割玉米约10 000株，质量为6 000 kg。通过对化学成分进行分析，计算出其中共含葡萄糖6 687．5 kg。据他估算，这些玉米在整个生长过程中通过细胞呼吸消耗的葡萄糖共2 045 kg。1 kg葡萄糖储存1．6×104kJ能量。
设计意图：学生通过角色扮演的方式解决这两个问题，激发了学习兴趣。另外，“生态学家”的责任感和自豪感使学生有了认真思考、仔细分析的欲望，为后面的教学打下了铺垫。
5．2环节二：反复模型建构，问题串激发深度探究
5．2．1模型建构一：
能量流经玉米种群的模型建构展示真实情境后，教师设置一系列问题串：①根据以上数据，你能算出哪些生命活动的相关能量数值 它们分别是多少 ②这位生态学家还发现，整个生长季节中，入射到这块玉米田的太阳能总量为8．5x109KJ。这让你有什么发现 ③你能根据计算结果，画出能量流经该玉米种群的图解吗 在这三个问题呈现之后，教师请学生用箭头和文字表示以上过程和数据，就得到了图2所示的简单模型。
该模型建构之后，教师继续设置问题串：①“储存”的能量可以用于玉米的哪些生命活动 ②到了收获季，人们收获了玉米子粒，而玉米秸秆可以打碎后作为动物的饲料。有些枯枝败叶和玉米的根部则留在了田中。你认为玉米储存的能量可能有哪些流向 尝试在图3中进行补充。这两个问题抛出后，学生通过思考与讨论，在原模型的基础上进行补充修正(图3)。
设计意图：该真实情境选自教材中给出的“技能训练”小版块。原内容数据有些复杂，教师略做简化之后，既没有改变这个真实情境的内容，又给了一个学生可以“够得到”的新知识，从而让学生有了探究的欲望，提高了课堂中的参与度。教师在抛给学生一系列问题串的同时，也是在引导学生经历了与生态学家一样的研究历程，从而使学生在获取新知识的同时，也拥有了成就感。
5．2．2模型建构二：能量流经第二营养级的模型建构
在上一个模型建构的基础上，教师继续抛出问题：①人和动物摄入玉米后并不能获得其中所有的能量，你知道这是为什么吗 ②若将上述玉米换成家禽、家畜(以猪为例)，上图中会有哪些变化 相同之
处又有哪些 有了上一个模型为基础，学生在了解了同化与粪便的关系之后，不难建构出能量流经第二营养级的模型(图4)。
此时，教师再展示教材中呈现出的能量流经第二营养级的示意图，引导学生分析两幅图的区别。
设计意图：能量流经第二营养级的示意图是本节的一个难点。教师通过直接问出“摄入”不等于“获得”，引发学生对粪便量的思考，同时也加深了学生对于“同化量”这个概念的理解。而在两图中，最明显的不同之处也在“粪便量”上，教材给出了粪便被分解者利用的箭头，但学生自己构建的模型中却没有。学生可能会特别关注这个问题，并发出“是自己错了吗”这种疑问。学生在分析讨论之后，会明白其实这个“粪便量”并不是第二营养级真正获得的能量。学生在对这个易错的知识点加深印象的同时，也收获了自信。
5．2．3模型建构三：能量流经生态系统的模型建构
在以上模型建构的基础上，教师进一步引导学生思考：若将玉米、猪、人三者对能量的吸收利用等情况反映到一张图上，试着完成该图。在学生进行模型建构的过程中，教师可引导学生将几种生物能量流动模型中的共同点标出来，将内容进一步简化，以得到以下模型(图5)。
设计意图:有了前面的模型,学生建构这个模型并不困难。这个问题的设置主要想达到两个目的:学生通过对各营养级的分析,归纳出能量流经各个营养级的共同点,使知识更加系统化;为总结出能量流动的概念打下铺垫。
5.3环节三:尝试归纳总结,任务学习驱动深度思考
5.3.1归纳总结一:能量流动的概念
在以上一系列的模型建构的基础上,教师适时对学生进行表扬,称赞他们成功完成了生态学家的工作。再请学生回忆自己的工作:当把生态系统作为个整体,你发现研究能量流动即是在研究能量的什么过程呢 教师可将上面的模型稍作变动(图6),以帮助学生学习。
如图6所示，将玉米、猪、人等具体化的生态系统成分再次抽象化，并将各组成成分用虚线框起来，作为一个整体，学生很容易想到这里涉及到能量的输入、传递、转化和散失。
设计意图：教师并没有直接呈现能量流动的概念，而是从建构好的模型中进行归纳式概念学习，有助于学生对知识的深入理解
5．3．2归纳总结二：能量流动的意义
教师再次展示图5，并继续设疑：人是该生态系统的最终受益者，你能想办法让人获得更多的能量吗 在学生分组讨论后，学生代表阐述本小组的想法和措施；教师不做评价，而是再展示林德曼关于赛达伯格湖的调查数据，引导学生思考林德曼以数据来说明能量流动的规律有什么重要的意义。此时，教师可以联系孟德尔将数学统计用于遗传规律的研究，二者有异曲同工之妙，并展示林德曼的研究结论：单向流动和逐级递减，即十分之一定律。教师再次引导学生思考刚才讨论的思路和措施是否可行；学生再次尝试提出可行的措施，领悟研究能量流动的意义。
设计意图：许多教学设计中，对这部分内容都是花了大量的时间请学生计算传递效率，然后归纳出能量流动的特点，至于研究能量流动的意义，在课堂上常一带而过。但是，林德曼做了大量的研究工作，并不是只有教材中的几个数字，仅凭这几个数字也无法得出能量流动总是具有逐级递减这一普遍的规律。
因此，这部分内容学习的重点不是去进行简单的计算，而是对林德曼这项耗时几年的工作进行充分的理解和应用。这项研究的创新之处何在 有什么重要的价值 在生产和生活中，人们可以利用前人的这项研究成果解决什么问题 学生在解决问题的过程中体会研究的意义，只有在充分理解的基础上，才能将理论研究更好地应用于指导生产和生活，这也是整节课的设计思想。
5．4环节四：联系生活实际，学以致用激发社会责任
教师展示：“疫情之下的粮食危机”短视频，简单向学生介绍近几个月蝗灾带来的危害，同时展示能量金字塔。学生课后查阅相关资料，以小组为单位完成作业：面对粮食危机，结合本节内容，你有哪些建议
设计意图：粮食危机是时下的热门话题，也是能增强学生社会责任感的一个问题。学生分小组合作，通过查阅资料完成，既对先前所学知识进行了巩固，也将课堂知识再次推到了应用层面，进一步尝试
解决生活实际问题，更能培养合作交流的意识和表达能力。
6.课后反思
真实情境可激发学生的深度思考。在本课中，学生始终围绕着一个生态学家的实验展开思考讨论，在不断的交流中获得了能量流动的概念、特点、意义等相关知识，这就是基于真实情境下的思考。好的真实情境不应该只是用来做个开篇，导入新课，而是应该贯穿课堂始终，让学生不断在“发现问题——解决问题——发现新问题——解决新问题”中步步深入思考。教师仅提供一些材料供学生在解决问题的过程中选用，也可提供一些问题引导学生思考的方向，使学生在解决问题的过程中不偏离课本内容。分享式的劣构问题有助于学生深度思考。在本课中，教师引导学生反复进行的模型建构、联系生产实际分析研究能量流动的意义等。这些问题没有标准答案，属于典型的劣构问题。学生通过调动自己已有的知识和生活经验去思考解决，在这个过程中可能还需要与其他同学分享自己的发现，通过交流来不断获得新的知识，从而解决问题。这些问题在引导学生进行深度思考的同时，也锻炼了学生的表达和交流能力。