種群數(shù)量的變化的教學(xué)設(shè)計(jì)

1、“種群數(shù)量的變化”的教學(xué)設(shè)計(jì) 鄒帥1 閆景娟2（北京師范大學(xué)大興附屬中學(xué) 北京 102600北京市大興區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校 北京 102600）1教學(xué)背景分析分析高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本節(jié)的要求是“嘗試建立數(shù)學(xué)模型解釋種群的數(shù)量變動(dòng)”，屬于能力層面的“模仿”水平和知識(shí)層面的“理解”水平。在活動(dòng)建議里則提出“探究培養(yǎng)液中酵母種群數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化”。1.2 教材分析相應(yīng)內(nèi)容出現(xiàn)在人教版高中生物必修3“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊、第四章種群和群落、第二節(jié)，教材從以下三方面組織學(xué)習(xí)內(nèi)容：一是建構(gòu)種群增長(zhǎng)模型的方法；二是種群數(shù)量的變化情況；三是探究活動(dòng)培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化。其中，建立數(shù)學(xué)模型的方法是必修三模塊乃至整

2、個(gè)高中生物中科學(xué)方法訓(xùn)練的重點(diǎn)之一。1.3 學(xué)情分析學(xué)生們?cè)诒匦?第一章學(xué)習(xí)“生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次”時(shí)已經(jīng)習(xí)得了種群的概念，通過(guò)本章第一節(jié)的學(xué)習(xí)進(jìn)一步明確其概念，并認(rèn)識(shí)了種群密度等數(shù)量特征。這為本節(jié)課分析影響種群數(shù)量變化的因素奠定了知識(shí)基礎(chǔ)。在高中數(shù)學(xué)課上學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)指數(shù)函數(shù)和坐標(biāo)圖的繪制，這為數(shù)學(xué)模型的建構(gòu)奠定了能力基礎(chǔ)。1.4 教學(xué)條件分析我校屬于北京市郊區(qū)的普通校，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限、實(shí)驗(yàn)條件不夠完善，所以無(wú)法組織面向全體學(xué)生的探究實(shí)驗(yàn)，因此將其調(diào)整為由生物興趣小組的同學(xué)在課前來(lái)完成。2 教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：解釋種群數(shù)量增長(zhǎng)的一般規(guī)律；說(shuō)明建構(gòu)種群數(shù)量增長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型的方法。2.2 能力目標(biāo)：通過(guò)各

3、種形式的活動(dòng)，嘗試建構(gòu)種群數(shù)量增長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型；運(yùn)用種群數(shù)量變化規(guī)律解決生產(chǎn)生活中的實(shí)際問(wèn)題。2.3 情感目標(biāo)：認(rèn)同數(shù)學(xué)模型在科學(xué)研究中的應(yīng)用；參與瀕危生物保護(hù)措施與生物入侵防范措施的討論，關(guān)注人類活動(dòng)對(duì)種群數(shù)量變化的影響。 3 課前準(zhǔn)備生物興趣小組課前的探究實(shí)驗(yàn)是這樣開展的：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案：學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，師生共同探討達(dá)成共識(shí)介紹技術(shù)工具：介紹血球計(jì)數(shù)板的使用方法與技術(shù)原理，引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)計(jì)算公式明確探究問(wèn)題：探究種群數(shù)量的變化規(guī)律確定實(shí)驗(yàn)材料：?jiǎn)l(fā)學(xué)生思考：選材及原因，最后教師再呈現(xiàn)酵母菌 收集數(shù)據(jù)、探尋規(guī)律收集數(shù)據(jù)，嘗試發(fā)現(xiàn)規(guī)律開展實(shí)驗(yàn)：實(shí)施方案，根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程修訂方案4 教學(xué)過(guò)程：4.1

4、 導(dǎo)入新課同伴學(xué)習(xí)體驗(yàn)感召引出興趣小組的實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生回顧上節(jié)課學(xué)習(xí)的種群數(shù)量特征以及出生率死亡率、遷入遷出、年齡結(jié)構(gòu)、性別比例這些因素對(duì)種群密度的影響，使學(xué)生明確種群密度不是一成不變的。然后提問(wèn)，變化中是否蘊(yùn)藏著規(guī)律呢？從而引出興趣小組的探究實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)展示興趣小組同學(xué)結(jié)合實(shí)物與自制PPT課件向同學(xué)簡(jiǎn)要介紹實(shí)驗(yàn)選材及原因、實(shí)驗(yàn)計(jì)數(shù)工具及使用方法、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)實(shí)施情況以及計(jì)數(shù)結(jié)果。由于本節(jié)課重點(diǎn)是建構(gòu)數(shù)學(xué)模型和學(xué)習(xí)種群數(shù)量變化規(guī)律，所以在這里對(duì)血球計(jì)數(shù)板工作原理的介紹不必過(guò)深，帶領(lǐng)同學(xué)認(rèn)識(shí)顯微鏡下的方格和酵母菌即可。而對(duì)計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行分析的方式教師也不必限定要求，讓學(xué)生自己根據(jù)已有的數(shù)學(xué)知識(shí)

5、完成即可。 進(jìn)入學(xué)習(xí)情境 學(xué)生們看到培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量變化趨勢(shì)，對(duì)產(chǎn)生這種趨勢(shì)的原因產(chǎn)生興趣并進(jìn)行初步猜想。4.2 模型建構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，主動(dòng)建構(gòu)模型本部分通過(guò)5個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)組織教學(xué)。首先直接引出科學(xué)家研究種群數(shù)量變化規(guī)律的模式生物即大腸桿菌，啟發(fā)學(xué)生思考選材的原因。實(shí)驗(yàn)1 大腸桿菌實(shí)驗(yàn)1）以表格形式呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，啟發(fā)學(xué)生思考并得出結(jié)論下表記錄了一個(gè)起始數(shù)量為1，空間與營(yíng)養(yǎng)沒(méi)有限制的大腸桿菌種群數(shù)量隨時(shí)間推移的變化情況。從中可以得出什么結(jié)論？時(shí)間（min）20406080100120140160180細(xì)菌數(shù)量（個(gè)）248163264128256512學(xué)生觀察與分析，得出結(jié)論：大腸桿菌每20分鐘

6、分裂1次。2）建構(gòu)數(shù)學(xué)模型1坐標(biāo)圖帶領(lǐng)學(xué)生分析用表格形式記錄數(shù)據(jù)的不足（即不直觀），提問(wèn)，用什么形式能夠反映出種群數(shù)量的變化趨勢(shì)。學(xué)生根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)回答坐標(biāo)圖。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)表格中數(shù)據(jù)繪制這個(gè)大腸桿菌種群數(shù)量變化的坐標(biāo)圖。注意此處僅給學(xué)生提供橫縱坐標(biāo)，余下的確定標(biāo)度、描點(diǎn)連線等工作均由學(xué)生獨(dú)立完成。請(qǐng)1位學(xué)生在黑板上繪制，師生共同對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)、分析并達(dá)成共識(shí)。教師指出這個(gè)坐標(biāo)圖就是用一種數(shù)學(xué)形式來(lái)表述該大腸桿菌種群數(shù)量變化趨勢(shì)這一生物學(xué)問(wèn)題，所以稱之為建立了大腸桿菌種群數(shù)量增長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型。再聯(lián)系航模、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型等物理模型幫助學(xué)生進(jìn)一步明確模型的概念。3）建構(gòu)數(shù)學(xué)模型2表達(dá)式提問(wèn)，繁殖30

7、代后大腸桿菌的種群數(shù)量從坐標(biāo)圖中可以直接、準(zhǔn)確得出結(jié)果嗎？50代呢？什么方法能夠得出結(jié)果呢？學(xué)生根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)回答計(jì)算公式。給出任務(wù)：用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示，這個(gè)起始數(shù)量為1的大腸桿菌繁殖t代后種群數(shù)量Nt。請(qǐng)1位學(xué)生在黑板上列出并分析自己建構(gòu)的表達(dá)式，師生共同對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)、分析并達(dá)成共識(shí)。引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)表達(dá)式也是一種形式的數(shù)學(xué)模型，明確其優(yōu)點(diǎn)在于準(zhǔn)確通用。4）小結(jié)：建構(gòu)數(shù)學(xué)模型引導(dǎo)學(xué)生明確剛才建構(gòu)的數(shù)學(xué)模型都基于一個(gè)假設(shè)前提即種群增長(zhǎng)不受種群密度的制約。提問(wèn)，建構(gòu)的數(shù)學(xué)表達(dá)式一定準(zhǔn)確嗎？學(xué)生說(shuō)出還必須經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)與驗(yàn)證。引導(dǎo)學(xué)生回憶大腸桿菌種群數(shù)量數(shù)學(xué)模型的建構(gòu)過(guò)程，小結(jié)建構(gòu)數(shù)學(xué)模型的一般過(guò)程：發(fā)現(xiàn)

8、問(wèn)題作出假設(shè)表達(dá)建模檢驗(yàn)驗(yàn)證。5）建構(gòu)數(shù)學(xué)模型3 一般表達(dá)式提問(wèn)，這個(gè)大腸桿菌種群是個(gè)例，其他生物種群的起始數(shù)量不一定是1，下一代也不一定是上一代的2倍，而且繁殖周期通常要長(zhǎng)，如何建構(gòu)適用于更多種群的一般表達(dá)式？給出任務(wù)：已知食物、空間充足，某種群的起始數(shù)量為N0，t為時(shí)間，Nt表示t年后該種群的數(shù)量。假設(shè)種群數(shù)量每年以一定的倍數(shù)增長(zhǎng)，第二年是第一年的倍。請(qǐng)學(xué)生建構(gòu)這個(gè)種群增長(zhǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。請(qǐng)1位學(xué)生在黑板上列出并分析自己建構(gòu)的表達(dá)式，師生共同討論分析、達(dá)成共識(shí)，進(jìn)一步理解指數(shù)型增長(zhǎng)種群的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)2 不斷更換培養(yǎng)液的草履蟲實(shí)驗(yàn)1）實(shí)驗(yàn)分析引出草履蟲實(shí)驗(yàn)，啟發(fā)學(xué)生思考選材原因。介紹實(shí)驗(yàn)背景

9、信息：為草履蟲提供足夠的空間并不斷更換培養(yǎng)液。請(qǐng)學(xué)生預(yù)測(cè)這個(gè)草履蟲種群的數(shù)量變化趨勢(shì)并解釋理由。展示不同時(shí)刻該草履蟲種群的數(shù)量（表格形式）和根據(jù)數(shù)據(jù)繪制的坐標(biāo)圖。幫助學(xué)生進(jìn)一步明確指數(shù)增長(zhǎng)型種群的變化規(guī)律和成立前提。2）認(rèn)識(shí) “J”型曲線再現(xiàn)大腸桿菌實(shí)驗(yàn)和草履蟲實(shí)驗(yàn)的坐標(biāo)圖，提問(wèn)，這些曲線外形類似什么英文字母？學(xué)生回答“J”，從而提出“J”型曲線。提問(wèn)，現(xiàn)實(shí)條件中有沒(méi)有哪種生物會(huì)一直呈現(xiàn)“J”型增長(zhǎng)呢？介紹，最簡(jiǎn)單的起始數(shù)量為1的大腸桿菌種群如果一直按照指數(shù)增長(zhǎng)下去，只需3天就足夠鋪滿整個(gè)地球。指出現(xiàn)實(shí)條件下“J”型增長(zhǎng)不是常態(tài)，從而引出高斯的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)3 高斯的草履蟲實(shí)驗(yàn)1）實(shí)驗(yàn)分析介紹實(shí)驗(yàn)

10、背景：高斯在0.5mL培養(yǎng)液中放入5只草履蟲開始進(jìn)行培養(yǎng)、計(jì)數(shù)。展示根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的坐標(biāo)圖。請(qǐng)學(xué)生觀察、比較兩個(gè)草履蟲實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異并對(duì)產(chǎn)生差異的原因進(jìn)行分析。指出在環(huán)境條件不破壞的前提下，高斯實(shí)驗(yàn)中草履蟲種群數(shù)量達(dá)到375只這一最大值后趨于穩(wěn)定，即該條件下0.5mL培養(yǎng)液最多能夠容納375只草履蟲。運(yùn)用演繹法將其推廣為一般種群，引出K值并帶領(lǐng)學(xué)生明確K值生物定義：在環(huán)境條件不破壞的情況下，一定空間所能維持的種群最大數(shù)量稱為K值，也叫做環(huán)境容納量。2）認(rèn)識(shí) “S”型曲線提問(wèn)，這種曲線外形類似什么英文字母？學(xué)生回答“S”，從而提出“S”型曲線并明確其出現(xiàn)的前提條件。3）繪制“J”型曲線、 “S

11、”型曲線請(qǐng)學(xué)生在同一個(gè)坐標(biāo)系中繪制同一個(gè)種群在理想條件和現(xiàn)實(shí)條件下的兩種曲線。請(qǐng)1位學(xué)生在黑板上繪制，師生共同評(píng)價(jià)。提問(wèn)，“J”型曲線與“S”型曲線的位置關(guān)系是怎樣的？使學(xué)生明確“J”型曲線應(yīng)位于“S”型曲線之上。提問(wèn)，兩條曲線之間的差異是什么原因造成的？學(xué)生列舉可能的原因，從而提出環(huán)境阻力這一概念。 實(shí)驗(yàn)4 興趣小組實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析再現(xiàn)興趣小組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，展示課前由小組成員繪制的坐標(biāo)圖，引導(dǎo)學(xué)生分析、說(shuō)出曲線的變化趨勢(shì)：大體呈現(xiàn)S型增長(zhǎng)規(guī)律，存在K值，通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)確定大致為1.2×107個(gè)/mL；但是達(dá)到K值穩(wěn)定一段時(shí)間后開始出現(xiàn)下降。啟發(fā)學(xué)生對(duì)下降的原因進(jìn)一步思考與分析。同時(shí)向全班同

12、學(xué)發(fā)出邀請(qǐng)，對(duì)本實(shí)驗(yàn)感興趣的同學(xué)可以課后和小組成員及老師進(jìn)行深入的探討。實(shí)驗(yàn)5 植物乳桿菌實(shí)驗(yàn)提問(wèn)，同一種群的K值大小是一定的嗎？啟發(fā)學(xué)生思考。展示植物乳桿菌在不同溫度條件下培養(yǎng)結(jié)果的坐標(biāo)圖，請(qǐng)學(xué)生分析曲線的變化規(guī)律及差異，從而得出結(jié)論：同一種群的K值大小受環(huán)境條件的影響。提問(wèn)，環(huán)境條件改變，在剛才繪制的坐標(biāo)圖里“S”型曲線會(huì)發(fā)生怎樣的變化？學(xué)生分析曲線會(huì)上下移動(dòng)，但不能超越“J”型曲線。4.3 模型應(yīng)用1）瀕危生物保護(hù)與有害生物防治指出許多自然種群的數(shù)量都呈現(xiàn)出“S”型變化規(guī)律，展示大熊貓化石分布范圍和現(xiàn)在分布范圍的對(duì)比圖，提問(wèn)，為什么大熊貓的數(shù)量出現(xiàn)銳減？學(xué)生根據(jù)本節(jié)課所學(xué)知識(shí)和生活體驗(yàn)作答，得出結(jié)論與K值急劇降低密切相關(guān)。從而引導(dǎo)學(xué)生說(shuō)出保護(hù)瀕危生物的根本措施。展示鼠災(zāi)的圖片，引導(dǎo)學(xué)生從K值角度分析分析防治有害生物的措施。2）防范生物入侵展示美國(guó)某島嶼環(huán)頸雉種群數(shù)量變化曲線圖，引導(dǎo)學(xué)生分析其變化規(guī)律及成因，從而引出生物入侵話題。進(jìn)而展示澳大利亞野兔、水葫蘆、美國(guó)白蛾等生物入侵實(shí)例照片，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用本節(jié)課所學(xué)知識(shí)提出防范生物入侵的措施。4.4 自然種群數(shù)量變化分析指出剛才看到的現(xiàn)象大部分是特例，事實(shí)上大部分自然種群的數(shù)量不是單純的增加或減少。展示19281977年一個(gè)歐洲灰鷺?lè)N群