生 物 学 通 报2008年第43卷第5期
系统分析与模型建构
——“生态系统的结构”教学设计与案例*
陈 维1 汪 忠2
(1连云港市新海高级十学东方分校 江苏连云港 222042 2江苏省南京师范大学生命科学学院 江苏南京 210097)
摘要 从“注意初、高中课程的衔接，合理选择教学内容；解读课程标准，确定教学目标，形成教学设计思路；简述‘系统论(分析)’的基本观点和方法，建立新知识学习的‘同化点’；引导学生运用系统分析的基本方法，尝试建构不同层次生命系统的‘思想模型’；分组讨论‘生态瓶’的制作方法，尝试设计生态系统的‘物质模型”’等几个方面探讨了通过“生态系统结构”的教学培养学生“系统分析”与“模型建构”能力的教学过程；
关键词 系统分析 模型建构 教学设计
中国图书分类号：G633．91 文献标识码：A
“系统分析”与“模型建构”是2种重要的科学方法，也是高中生物学新课程中首次提出要求重视的2种能力。《美国国家科学教育标准》中也要求学生“学会从系统的角度思考和分析问题”，把“运用逻辑和证据来构造和修改科学解释和科学模型”，“承认并分析其他解释模型”作为进行科学探究所需要的基本能力(9～12年级)。我国的高中课标编制者在选择高中生物学课程的核心内容时，就充分考虑到了这一点，例如：“稳态与环境”模块的教育价值就在于“有助于学生领悟系统分析、建立数学模型等科学方法及其在科学研究中的应用”。笔者在教授陔模块“生态系统的结构”这部分内容时，对如何培养学生这2种能力(方法)进行了积极的尝试、
1 注意初、高中课程的衔接，合理选择教学内容 做好初、高中课程教学的衔接不仅可以建立起新旧知识的联系，促进新知识的学习，更能够使教师在课堂教学中做到有的放矢，详略得当，实现有效教学。分析表1，从初、高中课程标准对该部分内容的要求上看，初中教学要更侧重于基础知识，而高中教学则需着眼于探究能力的培养。分析表2，从初、高中教材教学内容的安排上看，主干知识的组成基本相同，但是高中阶段的教学内容，明显是在初中学习基础上的综合、概括和提高。从探究活动的安排上看，高中教学重视培养学生的系统分析与模型建构等高层次的探究能力。
表1 初、高中《课程标准》针对“生态系统的结构” 的内容标准与活动建议 全¨制义务教育生物课程标准(实验稿) 内柞标准
概述生态系统的组成列举小问的生态系统描述生态系统，㈡的食物链和食物网
活动建议收集和交流不问生态系统的资料
普通高巾生物课程标准(实验) 内容标准讨沦某一土态
系统的结构
活动建议设计并制作生态瓶
表2 人教版初、高中教材在“生态系统的结构”中安排的教学内容 初中《生物学》(7年级上册)教学内容
探究活动
高小“稳态与环境”模块 教学内存
探究活动
1)生态系统的概念2)生态系统的组成3)食物链和食物网
1)观察某一生态系统图，用箭头连接其巾存在的食物链，并讨论某一生物门口：蛇)的变化对其他生物的影响
1)探究人类白身在食物网中所处的位置1)生态系统的范围
2)生态系统具有一定的结构3)生态系统的组成成分
4)食物链和食物网挑选某一熟悉的生态系统，列㈩其牛物名称，并归类、分析食物关系，，回小食物链(网)，讨沦其获取物质和能量的途径：构建生态系统的结构模型
通过以上的比较和分析，我们认为，高中阶段针对该部分内容的教学，教师应该避免过多地讲述那些初中阶段学生就已经掌握的内容，知识教学的重点应该放在对主干内容的“深化”上，培养学生的“系统分析和模型建构”能力应该成为课堂教学的核心内容。针对初中阶段的基本知识，可以课前布置学生复习相关内容，课堂上也可以幻灯图片的形式，快速引导学生回忆。在探究活动上，除了安排学生讨论分析某一生态系统的结构外，还可以将“设计并制作生态瓶”这一活动中的“设计”部分，安排到本节课中，增加学生自主探究的时间，实现从“系统分析一思想模型一物质模型”的连续跨越。2 解读课程标准，确定教学目标，形成教学设计思路
2．1 知识目标 简述与系统分析与模型建构有关的基础知识；举例说明生态系统的成分，阐明各成分之间的相互关系；概述生态系统的概念；举例说出生态系统的范围和类型；举例说明生态系统的食物链、食物网，分析其中的营养级；分析食物网巾种群数量变化的连锁反应；举例说明生态系统的营养结构。
2．2 能力目标 初步运用系统分析的方法分析某一生命系统；尝试构建生态系统的结构模型；讨论并设汁生态瓶的制作方法
2，3 情感态度与价值观 认同生态系统的整体性和各种牛物的生态价值，确定种间平等的思想；认同生物与环境是一个统—的整体、 知识目标相对较多，但它多是对初中所学知识的引中和拓展。教学难度不会太大；为了全面达成这些目标．本节课的教学思路叮以设计如下：
3 简述“系统论(分析)”的基本观点和方法，建立新知识学习的“同化点”
认知心理学重视研究学习者内部的心理机制，其“同化沦”的核心是相互作川观，它强调有潜在意义的新观念必须在学习者的认知结构中找到适当的“同化点”虽然学生在
“分子与细胞”模块中初步认识了生命系统的结构层次，但是“系统沦(分析)的基本原理与方法”这部分知识，在学生头脑中几乎是空白。没有这一个起“固定”作用的“同化点”，学生难以完成对牛命系统的系统分析过札，更无法构建所渭的“模型”，也即“下位学习”没有“上位的观念”，因此，教学之初应该帮助学生建立新知识学习的“问化点”。限于高中学生的发展水平和需要，开：不能要求学生掌握完整的系统分析方法，而是重在领悟系统方法的思想，初步学会从系统的格体出发，分析整体与局部、部分与部分、整体与外部环境之间的相互关系；；对于“模型”知识，学生在“分子与细胞”、“遗传与进化”2个模块中已经有所了解，并且已经尝试建构厂多种模型，例如：真核细胞三维结构模型的制作、DNA双螺旋结构模型的制作等等，但是，学生了解较多的是实物模型或具象模型，对思想模型的了解则偏少，闲此，教学中应该让学生在了解模型分类的基础上，重点认识思想模型及其构建的基本步骤；：“系统分析”与“模型建构”并不是2种孤立的科学方法，对某一系统的要素、结构、边界、性能等方面的分析，是合理建构模型的基础，而建构的模型又可以从另—角度检验系统分析的正确性和完整性；、教学中可以向学生呈现并：讲述一些经过教师筛选和简化过的阅读资料，如：系统和系统论简介、系统分析的基本思路、 一般系统的结构模型及其说明等等(内容略)，以帮助学生了解系统论(分析)和模型建构的基本原理与方法。
4 引导学生运用系统分析的基本方法，尝试建构不同层次生命系统的“思想模型”
上述关于系统分析与模型建构等方向的知识是抽象的、概括的，甚至是枯燥的、无味的，有读者可能会认为这种教学方式是机械的、填鸭式的。其实不然资料中的内容应该是对教材内容(人教版)的补充。不给学生一些文字上的铺垫和说明，仪让学生根据教材上的“一般系统结构图”来画出生态系统的结构模型，是突兀的，学生会觉得难以操作。正如上文所述，建立起“固定”作用的“同化点”，对于新知识的学习是必需的。当然，尽管教师讲述了这些知识也并不等寸：学生已经理解了，事实上，学生的脑海中还只是一些模模糊糊的概念，要想让学生“清晰”起来，“运用”起来，教师还必须向学生提供范例分析。这个范例从哪来呢?通过范例又怎么样引导学生分析呢?
4．1 分析“细胞”这一基本的生命系统，为学生提供“系统分析”与“模型建构”的范例
教师要求学生回忆“生命系统有哪些结构层次?”最基本的生命系统是什么?……并以问题引导：细胞有边界吗?它是什么?细胞的主要结构有哪些?它们之间是孤立的吗?如果不是孤立的，那它们之间有什么样的关系?细胞与外界环境之间有联系吗？如果有联系，那会是什么样的联系呢?说说细胞具有的功能(梳理旧知识的同时，逐渐开展“系统分析”)。 学生：思考、讨论、回答(内容略)；：
教师提出可否尝试用资料中系统分析的方法，参照教材中的一般系统的结构模型图，画出个动物细胞的结构模型呢?(问题激起了学生的探究动机，此时教师可以根据学生的回答，在黑板上现场作出简图2，以提供系统分析与模型建构的范例)并要求学生评价黑板上模型图与资料中模型图的相同点与不同点；
同时提㈩问题：①动物园里饲养着各种动物，也栽培了多种植物。一个动物同中的全部动物是一个系统吗?全部的动物和植物是———个系统吗?②假如我们能够单独“制造”出细胞膜、细胞质、细胞核等结构，把它们放在一个有边界的“容器”里，是不是就等于制造小了一个最基本的生命系统了?(引导学生进一步认识“系统”的本质属性)学生思考、讨论、回答(内容略)：，
上述教学过程，建立了新、旧知识的联系，激活了学生的认知结构，教师对“细胞”这一基本的生命系统的分析与模型建构的示范，深化了学生对“系统”的认识，对资料中所述的系统分析与模型建构的基本步骤有了进一步的认识。此时，就可以让学生尝试分析生态系统了。
4．2 分析“生态系统”这一宏观的生命系统，培养学生自主分析与建构模型的能力
· 教师展现某一池塘生态系统的视频资料和典型图形(注意：图形中要标出该生态系统中各种生物的名称，隐去“生产者、消费者、分解者和非生物的物质和能量”等分类文字，如图3)，并提问：这个生态系统有范围吗?它的边界是什么?
学生思考、回答(内容略)。
教师强调生态系统的空间范围有大有小，它的边界是一个模糊的概念，根据研究的需要划定，并以问题引导：①这个生态系统中有哪些生物?说出它们的名称。②这些生物构成了哪些种群和群落?③除了生物种群(群落)外，这个生态系统还有哪些成分?它们对这个生态系统是不可缺少的吗?为什么?④联系初中的相关知识，试着对这个生态系统中的所有成分进行分类。
学生分组思考、讨论、回答(内容略)。
教师总结并讲述生态系统的组成成分(讲清每一种成分的本质属性，并让学生思考其他的生态系统是否也有相同的组成?)，并提出问题：①生产者、消费者和分解者之间有什么样的关系呢?可否举例说明?②将三者中任一种成分去除．会出现什么样的后果呢? 学生联系初中所学知识和生活经验思考、回答三者之间相互依存的关系。 教师着重讲解每一种生物成分的生态价值，渗透种间平等的思想。 生物种类 A B C D E
鱼(甲) 河蚌 小球藻 鱼(乙) 水蚤
消化道内食物组成 鱼(乙) 水蚤、小球藻 ／ 水蚤 小球藻
提出：假如图3生态系统中的有些生物(A、B、C、D、E)消化道内的食物组成分析如
上表所示，可否用食物链(网)的形式表示5种生物之间的营养关系?
学生根据初中所学的食物链(网)的知识，尝试画出其中的上述5种生物之间的营养关系。
教师以其中存在的某一条食物链为例，讲述“消费级”和“营养级”等概念，并且提出问题让学生进一步思考：①下图是根据表中数据绘制的食物链(网)，其中有几条?有几个消费级和营养级?说出每个营养级所包含的生物。②分析每一种生物获得营养物质的渠道，讨论生物C、E的消失可能导致的结果。
学生分组思考、讨论(内容略)。
教师强调：①图中所示的捕食链只是食物链的一种，其他还有腐食食物链和寄生食物链(有兴趣的学生课后可查阅资料)。②食物链(网)的存在使生产者、消费者和分解者形成了一个相互依存的整体，它构成了生态系统的营养结构。③食物链(网)与生态平衡的关系。并提出问题：①在一个生态系统中除了生产者、消费者和分解者存在的各种关系之外，还有其他的关系吗?②举例说明非生物的物质和能量在生态系统中的作用，讨论外部环境条件对生态系统的影响。③联系初中所学的知识说说生态系统有哪些功能?(为后续学习做好铺垫)
学生思考、讨论、总结(重点表述J5日光、水分、无柳盐等非生物成分在生态系统中的作用)。
教师提出问题：参照一般系统的结构模型图和“细胞”这一基本的生命系统模型图，构建生态系统的结构(思想)模型(此时，教师应给学生充分的自主探究的空间，放手让学生去讨论、建构)。
学生分组讨论、在纸上画出生态系统的结构模型匣(如图4)。①分组展示各组构建的模型，并加以简要该明。②组间开展相互评价，评价每个模型的优点和缺点“取长补短”，完善模型方案。③对照教材中的“生态系统的结构模型”加以体验、补充和进一步的完善。
教师总结与评价。
5 分组讨论“生态瓶”的制作方法，尝试设计生态系统的“物质模型” 将抽象的“思想模型”转变成具体的“物质模型”，不仅可以进一步激发学生的学习动机，更能够让学生深化对生态系统相关知识的理解，认同“生态系统的，整体性和生物与环境是一个统一的整体”等观点。考虑到课时的因素，课堂上可以组织学生完成“生态瓶”的设计过程，课后可以以研究性学习小组的形式完成具体的制作与观察过程。设计“生态瓶”的过程要充分发挥学生的自主性，教学中也可以作一些变化。例如：教师可以这样引导学生，提出问题：如何设计一个实验来探究生态系统的组成成分有哪些呢?通过前边知识的学习，学生已经知道了生态系统的成分包括非生物的物质和能量、生产者、消费者和分
解者4部分，其中生产者(主要指绿色植物)、分解者(主要指腐生微生物)和非生物能量(主要指太阳光能)在一个生态系统中占有非常重要的地位。教师可以从这些知识点出发引导学生做出假设，确定自变量与因变量，形成实验设计方案。对学生的设计方案，教师要及时地引导学生互评，并提供范例(如图5)让学生讨论，以完善实验方案。如果教学时间允许，在学生开展课后研究性学习(制作生态瓶)之前，还可以向学生展示一些模拟的实验数据，以培养学生分析数据得出结论的能力。当学生构建了生态系统的思想模型和物质模型之后，教师便可以自然地引导学生自主地归纳出生态系统的概念了，即“生态系统是生物群落与它的无机环境相互作用而形成的统一整体”。这一概念并不是学生对书本内容的复述，而是“水到渠成”，是在充分分析生态系统和构建模型基础上的概念生成!
为了全面提升学生的探究能力，课后可以研究性学习的形式，在学生间开展全程性探究。例如：可以组织学生调查和分析本地区的一个典型的生态系统，也可以组织学生制作并观察生态瓶的稳定性等等，这实际上也是对课堂所学知识的巩固和运用。需要指出的是，由于各地的学生在知识基础和认知水平上存在差异，有些地区的学生可能在一个课时内难以完成上述学习过程，针对此种情况教师可以有针对性地进行删减，例如：如果教学过程进展缓慢，教师可以将设计“生态瓶”这部分内容调整到后边的教学中进行。删减应该是适度的，它不能减弱“系统分析”和“模型建构”这2个教学核心内容。 主要参考文献 1 [美]国家研究理事会．美国国家科学教育标准．北京：科学技术文献出版社，1999：128—215．
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