模型建構(gòu)在高中生物教學中的應(yīng)用_生態(tài)系統(tǒng)的能量流動_第一課時

1、摘 要 敘述了將教材中的問題探討分層推進,并不斷引導(dǎo)學生借助建模的方法對 “ 生態(tài)系統(tǒng)的能量 流動 ” 進行分析 。 利用模型建立分層突破難點, 既激發(fā)了學生生物學習的熱情, 又培養(yǎng)了學生建模分析 問題的能力和科學探究的精神 。 關(guān)鍵詞 生態(tài)系統(tǒng) 建模 分析 能量流動中圖分類號 G633.91文獻標識碼B第 31卷第 2期2015年中學生物學 Middle School BiologyVol. 31No. 22015文件編號:1003-7586(2015 02-0025-03模型建構(gòu)在高中生物教學中的應(yīng)用 “ 生態(tài)系統(tǒng)的能量流動 ”(第一課時 的教學案例分析 成培平 (南京市天印高級中學江蘇南

2、京2111001教學分析 1.1教材分析本節(jié)內(nèi)容是人教版生物必修 3教科書第五章第 二節(jié)教學內(nèi)容, 該節(jié)內(nèi)容包括:生態(tài)系統(tǒng)的能量流動 的概念 、 過程 、 特點以及研究能量流動的實踐意義 。 該 節(jié)對第一節(jié)和第三節(jié)內(nèi)容起到承上啟下的作用 。 本課 為第二節(jié)的第一課時, 教學內(nèi)容比較抽象, 教學重點 和難點在于通過學習建構(gòu)模型的方法深入理解生態(tài) 系統(tǒng)的能量激動, 并系統(tǒng)分析能量流動的概念 、 過程 及其特點, 為第二節(jié)能量流動的實踐意義和應(yīng)用的學 習打下基礎(chǔ) 。 1.2學情分析經(jīng)過前兩章的學習, 高二的學生對于模型建構(gòu)的 生物科學學習方法有了一定的認識 。 并且學生在第 1節(jié)已經(jīng)學習生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)

3、構(gòu), 教師在學生進行能量流 動模型建構(gòu)時只需要創(chuàng)設(shè)情境, 適當引導(dǎo)即可 。 而高 中生對能量流動的定性和定量分析難度較大, 所以在 學生自主完成模型建構(gòu)的基礎(chǔ)上, 教師可以從生活實 際出發(fā), 引導(dǎo)學生完成對能量流動的系統(tǒng)分析 。 2教學目標(1 知識目標:概述生態(tài)系統(tǒng)的能量流動; 分析 生態(tài)系統(tǒng)的能量流動的過程及特點 。(2 能力目標:通過分析能量流動的概念和過 程, 建構(gòu)相關(guān)模型; 系統(tǒng)分析能量流動的過程和特點, 解決實踐問題 。(3 情感 、 態(tài)度與價值觀目標:體驗系統(tǒng)分析法 在能量流動探究中的一般過程, 激發(fā)學生學習生物科 學的興趣 。3教學重點和難點嘗試建構(gòu)模型, 分析生態(tài)系統(tǒng)的能量流

4、動及其特 點 。4教學策略與手段本課采用了分層設(shè)問 、 自主探究 、 合作學習和模 型建構(gòu)等多種教學模式; 利用多媒體課件, 幫助學生 直觀 、 生動地完成生態(tài)系統(tǒng)能量流動的概念 、 過程及 其特點的模型建構(gòu)和能量流動過程的系統(tǒng)分析; 借助 教師引導(dǎo) 、 小組討論 、 學生展示等活動實現(xiàn)分層突破 本節(jié)課的重 、 難點 。 5教學過程 5.1導(dǎo)入新課教師展示課件漫畫,引入教材第 93頁 “ 問題探 討 ” , 激發(fā)學生的學習興趣 。 教師引導(dǎo)學生用 “ 食物鏈 、 食物網(wǎng) ” 分析兩種備選策略的不同之處 (圖 1 。教師引導(dǎo)學生回憶第一節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)容, 使學生建立食物鏈與能量流動的聯(lián)系,從

5、而導(dǎo)出課 題, 明確本節(jié)課的學習目標 。 5.2能量流動的概念教師引導(dǎo)學生分析教材第 93頁中能量流經(jīng)一個 種群的圖示, 使學生初步建立定性分析能量流動的思 路, 由 “ 個體 ” 能量的輸入 、 輸出, 推廣到對種群能量輸 出 、 輸入的研究, 初步培養(yǎng)學生建構(gòu)模型的能力, 引導(dǎo) 學生建構(gòu)能量流動概念的模型 (圖 2 :生態(tài)系統(tǒng)的能 量流動是指生態(tài)系統(tǒng)中能量的輸入 、 傳遞 、 轉(zhuǎn)化和散圖 1兩種生存策略備選策略 1:雞備選策略 2:玉米玉米人 雞人25失的過程 。教師在落實概念教學后, 針對 “ 傳遞 ” 提出問題:能量是如何輸入生態(tài)系統(tǒng)的?并將該問題分解成兩個 小問題:(1 生態(tài)系統(tǒng)所需

6、要的能量來自哪里? (2 太陽能是如何輸入生態(tài)系統(tǒng)的?在學生根據(jù)前面已有知識回答這兩個問題后, 教 師隨即引出能量流動的過程研究 。 5.3能量流動的過程(1 在研究了能量輸入途徑后, 教師提出問題:“ 能量在生態(tài)系統(tǒng)中傳遞的途徑是什么? ” 這樣引導(dǎo)學 生建構(gòu)一個生態(tài)系統(tǒng)能量流動過程的基本模型 (圖 3 。(2 教師要求學生閱讀課本第 94頁第二段文 字, 引導(dǎo)學生利用能量流動概念的模型去建構(gòu)能量流 經(jīng)第一營養(yǎng)級的模型 (圖 4 。(3 引導(dǎo)學生分析能量流經(jīng)第二營養(yǎng)級與第一營養(yǎng)級的不同, 并要求學生嘗試建構(gòu)能量流經(jīng)第二營 養(yǎng)級的模型 (圖 5 , 并進一步定性分析能量流動 。 另 外教師補充

7、 “ 同化作用 ” 的概念 。(4 引導(dǎo)學生分析每個營養(yǎng)級能量的輸入與輸 出, 并建構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動模型 (圖 6 , 使學生進一步體驗科學探究的過程, 完成對能量流動的定性 分析 。在模型建構(gòu)完成后, 教師提出問題:生態(tài)系統(tǒng)中 的能量和轉(zhuǎn)化是否遵循能量守恒定律? 流經(jīng)某個生態(tài) 系統(tǒng)的能量能否再回到這個生態(tài)系統(tǒng)中來? 5.4能量流動的特點教師引導(dǎo)學生閱讀課本 95頁,比較賽達伯格湖 的能量流動圖解與建構(gòu)的模型不同之處, 學生分析數(shù) 據(jù), 完成表 1, 計算生產(chǎn)者 、 植食性動物能量出入比, 進而提高學生分析和處理數(shù)據(jù)的能力 。 同時教師提出 問題:流入某一營養(yǎng)級的能量, 為什么不能百分之百

8、 地流到下一個營養(yǎng)級?通過小組分析討論,總結(jié)出能量流動的特點:單圖 2能量流動概念的模型圖 3能量流動的基本模型圖 4能量流經(jīng)第一營養(yǎng)級營養(yǎng)級 流入能量流出能量 (輸入后一營養(yǎng)級 出入比生產(chǎn)者 植食性動物 肉食性動物 分解者表 1能量流動圖 6生態(tài)系統(tǒng)的能量流動簡化模型能量 輸入種群傳遞 ? 轉(zhuǎn)化儲存在體內(nèi)的能量呼吸作用散失的能量呼吸作用呼吸作用呼吸作用呼吸作用呼吸作用分解者 次級消費者 肉食性動物 三級消費者 (肉食性動物 初級消費者 植食性動物 生產(chǎn)者 (植物 生產(chǎn)者 (綠色植物 初級消費者 (植食性動物 次級消費者 (肉食性動物 三級消費者 (肉食性動物 第一 營養(yǎng)級第二 營養(yǎng)級第三 營

9、養(yǎng)級第四 營養(yǎng)級呼吸作用生產(chǎn)者(綠色植物 用于生長 發(fā)育和繁殖 初級消費者 (植食性動物 遺體殘骸 分解者初級消費者攝入初級消費者同化用于生長 發(fā)育和繁殖次級消費者攝入 糞便遺體 殘骸 散 失呼 吸 作 用 分解 者 利 用 呼 吸 作 用散 失圖 5能量流經(jīng)第二營養(yǎng)級模型26種群增長率 =(現(xiàn)有個體數(shù) -原 有個體數(shù) /原有個體數(shù) ×100(無單位 。指數(shù)增長的種群增長速率 、 增長率分別如何變 化?以上述表達式為例:N t =N0tN 0為起始數(shù)量,t 為時間, Nt 表示 t 年后人口的 數(shù)量, 為年均增長倍數(shù) 。種群年增長速率 =Nt N t -1=N 0t-N 0t-1=N

10、0t-1(-1種 群 年 增 長 率 =(Nt N t -1 /N t -1=(N 0t -N 0t -1 /N 0t -1=(-1如果把以上表達式轉(zhuǎn)化成曲線圖, 則可以更直觀 地感受到種群指數(shù)增長的特點, 如圖 2所示 。4模型的應(yīng)用生態(tài)學家研究發(fā)現(xiàn), 東方田鼠種群遷入初期種群數(shù)量很少, 一個月內(nèi)隨著水稻和蘆葦?shù)茸魑锓N植面積的不斷擴大而迅速增長 。 為研究東方田鼠的種群數(shù)量 的變化規(guī)律,生態(tài)學家構(gòu)建了表達式數(shù)學模型:N t =N 0t ,該數(shù)學表達式成立的前提條件是什么?從環(huán)境 容納量的角度思考, 提出兩項控制東方田鼠數(shù)量的有 效措施 。題中的情況應(yīng)該屬于物種入侵, 典型的 J 型增長 曲線

11、, 那么相對應(yīng)的假設(shè)就是東方田鼠生存的空間和 食物是足夠的, 且當?shù)氐臍夂蜻m宜, 缺少天敵 。 第二問 也就迎刃而解了 。高中生物學教材中, 這種表達式數(shù)學模型涉及到 的知識點有很多 。 脫氧核苷酸序列與遺傳信息的多樣 性, 堿基與氨基酸對應(yīng)關(guān)系, 調(diào)查人群中的遺傳病, 用 數(shù)學方法討論基因頻率的變化, 探究自然選擇對種群 基因頻率的影響等 。 教師把數(shù)學的思維引入到生物學 科, 不僅能讓學生感受到生物學科的嚴謹, 也能讓學 生感受到不同學科知識時間的交叉與融合 。不難想象, 地球上哪怕有一種生物按指數(shù)增長無 限增長下去, 這種生物最終就會把其他生物從地球上 排擠掉, 同時自己也走向毀滅 。

12、即使在有限時間內(nèi)實 現(xiàn)指數(shù)增長也常常會造成種群 “ 爆炸 ” 或 “ 害蟲猖獗 ” 的毀滅性后果 。圖 2種群指數(shù)增長的增長速率 、 增長率隨時間的變化 增 長 速 率時間 增 長 率時間-1向流動, 逐級遞減 。 同時根據(jù)教材, 教師指出傳遞效率 約為 10%20%。教師利用能量流動的特點, 完善能量流動的簡化 模型 (圖 7 , 解釋模型中箭頭 “ 方向和粗細 ” 的意義 。5.5解決實踐問題 (1 教師利用多媒體課件第二次引入 “ 問題探 討 ” ,引導(dǎo)學生用定量的方法更科學地幫助魯濱遜作 出決策 。假設(shè)雞含有的能量是 1kJ ,玉米含有的能量是 15kJ , 按最大傳遞效率 20%計算

13、, 且策略 2中有 1/5的玉米給雞吃, 剩余的玉米給人吃, 則兩種策略流入 人體的能量各為多少?學生計算如下:策略 1:1×20%+15×20%=3.2kJ 。 策略 2:(15×1/5×20%+1 ×20%+15×4/5×20%=2.72kJ 。教師引導(dǎo)學生通過數(shù)據(jù)模擬 、 計算 、 比較, 解決 “ 問題探討 ” 中的實踐問題 。 學生體驗了由定性分析到定量研究的方法,認同建構(gòu)模型進行生物學習的價值 。(2 應(yīng)用已有模型建構(gòu)的方法, 嘗試建構(gòu)能量流動的物理模型 能量金字塔 。學生通過構(gòu)建能量金 字塔模型, 解決 “ 為什么食物鏈上一般不超過五個營 養(yǎng)級 ” 的問題 。 5.6知識總結(jié)教師借助課件,引導(dǎo)學生回顧本節(jié)課的核心知 識 。 學生自主總結(jié), 完善板書 。 5.7反饋練習與板設(shè)計 (略 6教學反思本節(jié)課中教師利用問題引導(dǎo)學生自主建模, 并利 用模型系統(tǒng)分析問題, 將難點分解為多個模型的建立 而得以巧妙突破 。 整節(jié)課教師 2次引入 “ 問題探討 ” 中 提出的實踐問題, 層層深入, 持續(xù)激發(fā)學生的學習興 趣, 活躍課堂氣氛 。 在學習中學生體驗到建模法對知 識探究的樂趣, 學生的科學探究能力在不斷解