高考生物二輪復(fù)習(xí)：生物學(xué)高考微專題：能量

1、生物學(xué)高考微專題：能量1.專題框架 以“能量的四個特點”為框架，涵蓋“分子、生物個體、生態(tài)系統(tǒng)”三個層面。能量的四個特點: 能量的來源包括多種不同的形式;能量可以從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，也可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式;能量在物體間進(jìn)行轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的過程中會有部分損失;不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化，但能量的總量都是守恒的。對能量特點的科學(xué)理解是發(fā)展學(xué)生對跨學(xué)科概念能量深度學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。四個特點可以概括為: 能量的來源和形式、能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移、能量的耗散、能量的守恒。研究發(fā)現(xiàn)，上述四個特點之間存在一定的水平差異。通常，學(xué)生最容易掌握能量的第一個特點能量的來源和形式。其次是能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移，它是各種

2、能量體系之間的橋梁;最高難度是能量的耗散和能量守恒，它普遍適用于解決不同學(xué)習(xí)情境中的研究體系，但學(xué)生幾乎不會主動應(yīng)用它去分析學(xué)習(xí)情境中的具體問題或解釋隱含于復(fù)雜溫度體系變化的能量問題。因此，學(xué)生對這些概念的認(rèn)識是逐步完善的。針對不同的研究視角對能量的跨學(xué)科研究側(cè)重點不同，以能量的來源和形式這一特點為例，在物理運動情境中，主要是由位置變動引發(fā)的重力勢能、因速度的改變而引發(fā)的動能以及由物體產(chǎn)生彈性形變產(chǎn)生的彈性勢能等能量的變化;在化學(xué)反應(yīng)情境中，主要是化學(xué)鍵的合成和斷裂引發(fā)的化學(xué)能的變化;在生物生長情境中，由 ATP 提供能量流通的“貨幣”。而針對能量在生物學(xué)學(xué)科的表現(xiàn)，根據(jù)跨學(xué)科要素能量與生物學(xué)

3、關(guān)聯(lián)的表現(xiàn)為分子水平、生物個體水平和生態(tài)系統(tǒng)水平三個層次。為深入剖析跨學(xué)科概念“能量”，系統(tǒng)制訂教學(xué)單元，本文將從分子水平、個體水平、系統(tǒng)水平三個層次與物理、化學(xué)科目進(jìn)行課程內(nèi)容對應(yīng)分析，選出代表性的教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)“能量”的三個層次。為了將能量概念分層次融入到高中不同學(xué)科課程中，需要論證能量概念與高中不同學(xué)科課程具體內(nèi)容的關(guān)聯(lián)，研究結(jié)果可作為單元教學(xué)設(shè)計的參考依據(jù)。研究以普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017 年版 2020 年修訂)為準(zhǔn)，探析不同學(xué)科學(xué)習(xí)內(nèi)容在分子、個體、系統(tǒng)三個水平層次與能量概念各要素的吻合、支撐的關(guān)系。經(jīng)分析，生物學(xué)、化學(xué)、物理三個科目的課程標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容與能量的四個特點具有密切的關(guān)聯(lián)

4、，其中物理、化學(xué)學(xué)科著重闡述了能量守恒、能量的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)換、能量的來源和形式三個方面，生物學(xué)則對能量的四個特點都有具體的課程內(nèi)容要求。基于此，進(jìn)一步探索具體能量概念在分子、個體、系統(tǒng)三個層次的對應(yīng)關(guān)系。關(guān)于對應(yīng)關(guān)系的記錄方式如下: 重要的對應(yīng)關(guān)系標(biāo)注，數(shù)量限定為 1 項;有一定關(guān)聯(lián)的記做，不限數(shù)量。例如，能量的來源和形式部分涉及分子層面的概念有: ATP 是驅(qū)動細(xì)胞生命活動的直接能源物質(zhì)、化學(xué)鍵的斷裂和形成是化學(xué)反應(yīng)中的物質(zhì)變化的實質(zhì)及能量變化的主要原因等學(xué)習(xí)內(nèi)容，因此標(biāo)注為。涉及的系統(tǒng)層面的概念有: 了解再生能源和不可再生能源的開發(fā)與利用，因此標(biāo)注為。具體對應(yīng)關(guān)系如表 1 所示。2.借助概念圖

5、設(shè)計教學(xué)單元跨概念圖是一種用來幫助學(xué)習(xí)者利用長時記憶系統(tǒng)中的相關(guān)知識，從不同學(xué)科的視角就某一復(fù)雜主題，進(jìn)行外顯表征和建構(gòu)的心理工具。此工具可從不同學(xué)科視角圍繞主題相關(guān)跨學(xué)科知識進(jìn)行建構(gòu)，從而能夠促進(jìn)跨學(xué)科知識的整合。根據(jù)能量概念與不同層次內(nèi)容的相關(guān)性分析，借助跨學(xué)科概念圖，尋找主題概念的相關(guān)性，構(gòu)建跨學(xué)科概念圖。把“能量的來源和形式、能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移、能量的耗散、能量的守恒”四個能量的特點作為重要概念融入能量的分子、個體和系統(tǒng)三個層面，以此來構(gòu)建跨學(xué)科概念圖，通過實物教具、科學(xué)實驗、動畫視頻等課程資源，整合跨學(xué)科教學(xué)資源。2. 1微觀分子層面以如下教學(xué)內(nèi)容為例進(jìn)行設(shè)計:2. 1. 1能量變化的

6、本質(zhì)及細(xì)胞的直接供能方式教學(xué)活動 1: 應(yīng)用“自熱小火鍋”做教具，讓學(xué)生按照食用步驟進(jìn)行操作，體驗溫度的變化，從而引發(fā)思考: 為什么“自熱小火鍋”能夠自己加熱呢? “自熱小火鍋”中的發(fā)熱包里裝的是什么物質(zhì)呢? “自熱小火鍋”的溫度發(fā)生變化的原因是什么呢? 學(xué)生分組進(jìn)行討論、交流，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出釋放熱量的化學(xué)反應(yīng)為放能反應(yīng)，吸收熱量的化學(xué)反應(yīng)成為吸能反應(yīng)。通過多媒體課件演示，學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)鍵的斷裂和形成是化學(xué)反應(yīng)中能量變化的主要原因。教學(xué)活動 2: 教師播放課前生物小組完成的“青蛙腓腸肌在不同能源物質(zhì)處理下的收縮情況”實驗視頻，引導(dǎo)學(xué)生思考: 為什么要不斷刺激肌肉，直到不能收縮為止? 用不同的

7、能源物質(zhì)處理蛙的腓腸肌后，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象? 教師總結(jié) ATP 是細(xì)胞的直接能源物質(zhì)。隨后引導(dǎo)學(xué)生建立 ATP 結(jié)構(gòu)模型，分析得出高能磷酸鍵能夠釋放大量能量的特點。教學(xué)活動 3: 為學(xué)生設(shè)置認(rèn)知沖突問題，幫助學(xué)生更深入建構(gòu)跨學(xué)科概念。在以上認(rèn)知水平的分析上，分析為什么化學(xué)鍵斷裂會吸熱，但是 ATP 的高能磷酸鍵斷裂會釋放大量的能量? 教師基于以上分析，構(gòu)建跨學(xué)科概念圖(圖 1)。2. 1. 2光合作用中的能量變化教學(xué)活動 1: 學(xué)習(xí)“捕獲光能的色素和結(jié)構(gòu)”，學(xué)生在教師指導(dǎo)下完成“綠葉中色素的提取和分離”實驗，得出葉綠素中包含的四種色素及其表征，并探索其與物理學(xué)之間的關(guān)聯(lián)性。例如，啟發(fā)學(xué)生思考:

8、不同顏色的光照對于植物的光合作用會產(chǎn)生什么不同的影響? 為何蔬菜大棚中經(jīng)常會懸掛紅色或藍(lán)紫色的燈管而不使用綠色的燈管?并且在白天也開燈? 隨后，教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合光合作用利用的是波長范圍是 390760 nm 的可見光，分析不同顏色的燈光對植物的光合作用會產(chǎn)生怎樣的影響。教學(xué)活動 2: 教師對人教版高中生物學(xué)教科書必修 1分子與細(xì)胞“光合作用的原理與應(yīng)用”中光合作用的探究歷程依次梳理，并結(jié)合物理、化學(xué)知識來分析光合作用完整的探究歷史;進(jìn)一步聯(lián)想到空氣組成成分、能量守恒定律、可見光的波長范圍等概念，整合成為跨學(xué)科概念圖(圖 2)。2. 2中觀個體層面例如，以血糖調(diào)節(jié)模型表征個體水平的能量變化，設(shè)計

9、教學(xué)活動: 播放視頻糖尿病的十大早期癥狀，學(xué)習(xí)糖尿病的主要癥狀，引發(fā)學(xué)生思考糖尿病的形成原因，及其與哪些激素有關(guān)，并參照教材理解胰島素和胰高血糖素的功能。結(jié)合化學(xué)選擇性必修 3“糖類”一章，學(xué)習(xí)葡萄糖是經(jīng)酶的催化發(fā)生氧化反應(yīng)放出熱量，提供了維持生命活動所需要的能量，解釋為何低血糖的患者可利用靜脈注射葡萄糖的方式來迅速補(bǔ)充能量。基于此，教師總結(jié)血糖調(diào)節(jié)的跨學(xué)科概念圖(圖 3)。2. 3宏觀系統(tǒng)層面以如下教學(xué)內(nèi)容為例進(jìn)行設(shè)計:2. 3. 1科學(xué)史閱讀探索生態(tài)系統(tǒng)能量流動閱讀林德曼關(guān)于賽達(dá)伯格湖系列的研究，發(fā)現(xiàn)賽達(dá)伯格湖生態(tài)系統(tǒng)的各要素及要素間的相互關(guān)系。學(xué)生小組合作討論，用箭頭和文字示意各營養(yǎng)級能

10、量的來源和去向，并思考回答以下問題: 生態(tài)系統(tǒng)的能量輸入和輸出群落的過程和形式是怎樣的? 傳遞方向如何? 生態(tài)能量流動的特點是什么? 教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出生態(tài)系統(tǒng)能量是單向流動且逐級遞減的，生態(tài)系統(tǒng)中的能量以太陽能輸入系統(tǒng)，以化學(xué)能進(jìn)行能量傳遞。2. 3. 2通過熱力學(xué)第二定律剖析能量守恒定律通過“自由落體”運動實驗，得出機(jī)械能守恒定律，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生習(xí)得能量不會憑空消失，只是從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，能量在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中是具有方向性的，且能量的總量保持不變(即能量守恒定律)。并舉例說明能源分為不可再生能源和可再生能源。整合生態(tài)系統(tǒng)能量流動的過程和特點，得出系統(tǒng)

11、能量流動的跨學(xué)科概念圖(圖 4)。教學(xué)反思:學(xué)習(xí)能量的變動、循環(huán)和守恒可以更好地理解自然界中事物運動的本質(zhì)。學(xué)生在課上和課外的學(xué)習(xí)經(jīng)驗中已經(jīng)有過與能量相關(guān)的前概念，但是不夠清晰和明確。所以教師要在學(xué)生對“能量”有初步認(rèn)知的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行明確歸納、界定和強(qiáng)調(diào)，促進(jìn)學(xué)生將頭腦中已有的能量概念與其他學(xué)科知識聯(lián)系起來。能量概念與“跨學(xué)科概念圖”的融合使用，以一種可視化的圖示讓學(xué)生直觀地認(rèn)識不同學(xué)科之間的聯(lián)系，同時為教師將跨學(xué)科概念“能量”融入學(xué)科教學(xué)中提供一種教學(xué)方法，最終促進(jìn)學(xué)生將能量作為跨學(xué)科概念有進(jìn)一步的認(rèn)識。此外，由于不同知識基礎(chǔ)與能力水平的學(xué)生創(chuàng)作的跨學(xué)科概念圖有效性不同，可以此來評估學(xué)生跨學(xué)科學(xué)業(yè)成就。在使用跨學(xué)科概念圖時，首先應(yīng)注意探索能量概念與不