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基于科学思维的概念教学设计

作者：丘城锋

来源：《中学生物学》2020年第05期

摘要：基于学生的认知动机、认知行为、认知方式和认知品质，运用分析与综合、模型与

建模和批判性思维等科学思维方法对“能量流动”的概念进行构建。

关键词：科学思维能量流动概念教学

中图分类号：G633.91文献标志码：B

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》的基本理念以发展学生的学科核心素养为宗

旨，课程的设计和实施追求“少而精”原则，内容聚焦大概念，精简容量、突出重点、明确学习

要求，让学生能够深刻理解和应用重要的生物学概念，发展生物学学科核心素养。“科学思维”

是生物学学科核心素养之一，是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的

思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。生物学概念建构的过程就是学生逐步发

展科学思维，基于生物学事实和证据去探索求知，获取新知识的过程。

教材1和学情分析

“生态系统的能量流动”是人教版高中生物教材《必修3·稳态与环境》中第五章第二节的内

容，是生态系统的三大功能之一。在学习该功能之前，学生己建立了物理学的能量、能量传

递、能量守恒等基本概念，己具备生物学中光合作用和呼吸作用的物质与能量转换观念，己进

行种群、群落、生态系统组成成分和营养结构的学习。教师通过上述知识铺垫，激发、培养、

发展和完善学生的科学思维，聚焦能量流动概念的内涵并拓展其外延（表1）。

教学2目标

①通过构建能量流动概念，理解生态系统的能量流动过程，形成物质与能量观。

②通过构建能量流动概念模型，发展分析与综合、模型与建模、批判性思维等科学思维能

力。

③通过数学方法分析赛达伯格湖的能量流动图解，运用同位素示踪法演绎推理能量流动过

程，提升科学分析的能力。

④通过用能量流动规律解释研究能量流动的意义，形成人与自然和谐发展以及可持续发展

的观念。

教学设计思路3

科学思维是人类对自然界中客观事物的一种认知动机、认知行为、认知方式和认知品质的

反映。本节课的教学思路是对能量流动的概念进行提炼和升华：提炼过程要营造事实情境、尊

重科学证据、运用科学思维加工和形成概念;升华过程包括提出观点去解释生活现象，运用方

法去解决生活问题，进而提升对概念的认知品质（图1）。

教学过程4

营造事实情境，4.1激发认知动机

教师组织学生调查广州白云山森林生态系统的能量流动情况。为使调查更具有科学性和目

的性，调查前，教师提出以下问题：科学家是如何研究生态系统的能量流动？能量是怎样输入

生态系统？不同营养级的生物是如何获取能量？能量在不同营养级之间流动的渠道是什么？这

些问题直指调查的方法和目的，明确学生的调查任务。

学生搜集资料，发现科学家研究能量流动的常用方法有直接观察法、肠胃分析法和同位素

示踪法，学生比较3种方法后，结合调查的实际情况，采用直接观察法调查白云山森林生态系

统的组成成分，分析各种成分之间的结构联系，并初步探讨该生态系统的能量流动途径和过

程。最后，教师引导学生将各自列举的食物链（网）进行综合归纳，构建白云山森林生态系统

最基本的能量流动模型：太阳光一生产者一初级消费者一次级消费者。教师依此事实情境，激

发学生“崇尚真知，追求科学知识”的认知动机。

依4.2据科学证据，引发认知行为

激发学生的认知动机后，教师可将教材中林德曼的研究资料作为科学证据，指导学生分析

赛达伯格湖的能量流动图解中的数据并以表格的形式呈现（表2）。设置表格时，需引导学生

明确表格的表题、行标和列标。学生对数据进行处理和分析后，设置下列问题：不同营养级的

生物能量流动的具体过程有哪些？每一营养级“流入”的能量和“流出”的能量是否平衡？流经上

一营养级的能量为什么不能100%传递给下一个营养级？教师依据林德曼的科学证据，引发学

生探析生态系统能量流动过程的认知行为，使学生初步得出能量流动的过程和能量在食物链中

单向流动、逐级递减的特点。

运用科学思维4.3.发展认知方式

科学的思维方法包括分析与综合、模型与建模和批判性思维等，是形成概念的重要方法。

结合科学事实与证据，教师引导学生运用多种科学思维的方法去理解能量流动的本质和构建

“能量流动”的概念模型，进而发展学生的认知方式。

4.3.1分析与综合

分析是把研究对象的整体分解为各个组成部分，分别进行研究的思维方