《生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)》（第1課時(shí)）公開(kāi)課教案

9/9第5章生態(tài)系統(tǒng)及其穩(wěn)定性第2節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)[教學(xué)目標(biāo)]知識(shí)目標(biāo)：1．通過(guò)分析食物鏈讓學(xué)生掌握生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)的概念；2．通過(guò)模型的構(gòu)建讓學(xué)生理解生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)的過(guò)程；3．通過(guò)定量分析讓學(xué)生理解生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)的特點(diǎn)并學(xué)會(huì)應(yīng)用。能力目標(biāo)：1．通過(guò)定量分析生態(tài)系統(tǒng)中能量的輸入與輸出，發(fā)展學(xué)生的思維遷移能力；2．學(xué)會(huì)整理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，進(jìn)而得出科學(xué)結(jié)論；3．通過(guò)小組討論與導(dǎo)學(xué)式相結(jié)合的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)力，合作能力以及發(fā)散思維和求異思維能力的發(fā)展。情感目標(biāo)：通過(guò)聯(lián)系實(shí)際，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)心生態(tài)的意識(shí)和進(jìn)行生命科學(xué)價(jià)值觀的教育；[教學(xué)重點(diǎn)]種群的基本特征及相互間的聯(lián)系和影響。[教學(xué)難點(diǎn)]生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的過(guò)程。[課時(shí)安排]2課時(shí)[教學(xué)過(guò)程]視頻引入：播放視頻“追逐太陽(yáng)的黃金水母”。問(wèn)題引導(dǎo)：水母為什么要追逐太陽(yáng)？學(xué)生探討：與水母共生的藻類(lèi)需要陽(yáng)光。教師引導(dǎo)：陽(yáng)光是生命界能量的來(lái)源，通過(guò)“能量”這個(gè)紐帶生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者、消費(fèi)者、分解者和無(wú)機(jī)環(huán)境聯(lián)系成為了一個(gè)整體，這節(jié)課我們就來(lái)分析一下生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)的相關(guān)問(wèn)題。一、能量流動(dòng)的概念教師引導(dǎo)：對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)能量方面的系統(tǒng)研究開(kāi)始與上個(gè)世紀(jì)初，其中美國(guó)科學(xué)家林德曼就是其中杰出的代表。通過(guò)實(shí)驗(yàn)他獲得了一個(gè)小型湖泊內(nèi)各種生物所含有的能量值，但是一時(shí)間他無(wú)法找出它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，此時(shí)他的一位來(lái)自中國(guó)的同學(xué)給他說(shuō)了兩句古老的中國(guó)諺語(yǔ)，使得他茅塞頓開(kāi)，推動(dòng)了其研究的進(jìn)程。諺語(yǔ)展示：“大魚(yú)吃小魚(yú)，小魚(yú)吃蝦米，蝦米吃泥巴?！眴?wèn)題引導(dǎo)：這個(gè)諺語(yǔ)說(shuō)得不夠確切，假設(shè)小魚(yú)是小型肉食性魚(yú)類(lèi)，大魚(yú)是大型肉食性魚(yú)類(lèi)，泥巴上長(zhǎng)滿了小蝦米喜歡吃的藻類(lèi)，那么這條諺語(yǔ)描述的是哪個(gè)生物學(xué)概念？學(xué)生回答：食物鏈。教師引導(dǎo)：正是當(dāng)時(shí)生態(tài)學(xué)界剛提出不久的食物鏈這個(gè)概念，讓林德曼意識(shí)到能量流動(dòng)的渠道和方向。下面就以這條食物鏈的第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)——“小魚(yú)”為例，請(qǐng)同學(xué)們思考和分析一下它的能量的來(lái)源和去路。學(xué)生回答：從蝦米那里獲得能量，自身消耗一部分，再傳遞給大魚(yú)一部分，死亡后給分解者一部分。問(wèn)題引導(dǎo)：一個(gè)個(gè)體如此，如果是整個(gè)小魚(yú)種群呢？學(xué)生回答：也是如此。概念總結(jié)：把生態(tài)系統(tǒng)中能量的輸入、轉(zhuǎn)化、傳遞和散失的過(guò)程稱(chēng)為生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)。[該圖的表示方法可以稱(chēng)之為概念圖模型，但是這個(gè)模型太過(guò)簡(jiǎn)單，對(duì)于不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)這四個(gè)基本過(guò)程還是存在差異的，下面我們來(lái)嘗試將其補(bǔ)充完善。]二、能量流動(dòng)的過(guò)程學(xué)生討論：①自然界中能量的存在形式；②自然界中與能量傳遞有關(guān)的生物間關(guān)系；③細(xì)胞中蘊(yùn)含能量的物質(zhì)；④細(xì)胞中與能量?jī)?chǔ)存、釋放有關(guān)的代謝。師生總結(jié)：學(xué)生活動(dòng)：將總結(jié)的概念加入剛才總結(jié)的簡(jiǎn)易模型中，分別嘗試構(gòu)建第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)和第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量流動(dòng)概念模型。1、能量來(lái)源：太陽(yáng)能2、能量流動(dòng)的概念模型（1）對(duì)于生產(chǎn)者（第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)）（2）對(duì)于初級(jí)消費(fèi)者（第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)）對(duì)于頂級(jí)消費(fèi)者（最高營(yíng)養(yǎng)級(jí)）（4）對(duì)于分解者問(wèn)題引導(dǎo)：各級(jí)消費(fèi)者要不要加一個(gè)以“糞便”形式傳遞給分解者的箭頭？學(xué)生討論：不需要，糞便屬于未同化的能量，在分析時(shí)應(yīng)屬于上一營(yíng)養(yǎng)級(jí)中指向分解者的部分里。（5）總結(jié)問(wèn)題引導(dǎo)：每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化的能量都有三個(gè)去路：傳遞給下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，傳遞給分解者（最高營(yíng)養(yǎng)級(jí)除外）和自身呼吸消耗，所以大家發(fā)現(xiàn)每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量會(huì)怎么樣？學(xué)生回答：越來(lái)越少。[到目前我們的這種問(wèn)題的分析都采用的描述的方法，屬于定性的分析，是不是真的越來(lái)越少，一定要有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐。最早完成這一實(shí)驗(yàn)的就是林德曼。]二、能量流動(dòng)的特點(diǎn)1、林德曼的研究（1）研究對(duì)象：賽達(dá)伯格湖教師引導(dǎo)：林德曼發(fā)表于1941年的《一個(gè)老年湖泊內(nèi)的食物鏈動(dòng)態(tài)》和1942年的《生態(tài)學(xué)的營(yíng)養(yǎng)動(dòng)態(tài)概說(shuō)》奠定了他在生態(tài)學(xué)的地位，他的研究成果主要來(lái)自于一個(gè)小型的高原琥珀——賽達(dá)伯格湖。資料展示：賽達(dá)伯格湖位于高原地帶，面積大約50公頃，是一個(gè)較小且封閉的天然湖泊。該地區(qū)氣候較為寒冷，人口稀少，保留了原始景觀。問(wèn)題引導(dǎo)：美國(guó)有許多大型湖泊，包括賽達(dá)伯格湖的附近，為什么選擇該湖泊作為研究對(duì)象？師生總結(jié)：營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；受外界因素干擾較小，是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)等。（2）研究方法：定性分析→定量分析教師引導(dǎo)：定量分析是指依據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算出分析對(duì)象的各項(xiàng)指標(biāo)及其數(shù)值，找出變化規(guī)律。我們將林德曼的數(shù)據(jù)放入剛在總結(jié)的概念圖模型中就會(huì)得到相應(yīng)圖解。2、特點(diǎn)問(wèn)題引導(dǎo)：圖解中的單位是J/(cm2·a)。圖中還多了一個(gè)概念——“未利用”，是指在研究時(shí)間內(nèi)未被自身呼吸消耗，也未被后一營(yíng)養(yǎng)級(jí)和分解者利用的能量。那么這部分能量以什么形式存在于生態(tài)系統(tǒng)中呢？師生總結(jié)：主要以沉積物的形式，如泥炭、枯枝落葉層等，對(duì)于賽達(dá)伯格湖而言是形成了大量的泥炭沉積在湖底，很難被利用。問(wèn)題探究：下面從兩個(gè)角度準(zhǔn)備了6個(gè)問(wèn)題，讓大家體會(huì)定量分析的過(guò)程。從生態(tài)系統(tǒng)層次：①該生態(tài)系統(tǒng)一年流入的總能量是多少？光能利用率為多少？②該生態(tài)系統(tǒng)含有能量最多和最少的生物類(lèi)群分別是什么？③該生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的渠道是什么？能否反向進(jìn)行？營(yíng)養(yǎng)級(jí)層次：④流入某一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量，能否全部流到下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)？⑤生產(chǎn)者能量的各條去路占其總能量的比例分別是多少？⑥營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的能量傳遞效率各是多少？師生總結(jié)：①固定的總能量是464.6，利用率為0.1%。問(wèn)題引導(dǎo)：展示不同地域的光能利用率，思考為什么水浴生態(tài)系統(tǒng)的光能利用率較低？學(xué)生回答：很多陽(yáng)光被水面反射。師生總結(jié)：②能量最多的是生產(chǎn)者，最少的是肉食動(dòng)物。問(wèn)題引導(dǎo)：為什么不是身體微小的分解者？學(xué)生回答：分解者的數(shù)量龐大，肉食動(dòng)物數(shù)量太少。師生總結(jié)：③渠道是食物鏈（網(wǎng)），不能反向進(jìn)行，因?yàn)槭澄镪P(guān)系是不能反向的。（1）單向流動(dòng)問(wèn)題引導(dǎo)：?jiǎn)蜗蛄鲃?dòng)的含義是能量在營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的流動(dòng)只能從低營(yíng)養(yǎng)級(jí)到高營(yíng)養(yǎng)級(jí)，為什么不能逆轉(zhuǎn)？不能循環(huán)？學(xué)生回答：生物間的捕食關(guān)系是一定的；散失的熱能不能被生物體再利用。師生總結(jié)：④不能，能量的去路還有呼吸消耗、傳遞給分解者和未利用。師生總結(jié)：⑤如圖，順序是未利用＞呼吸＞下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)＞分解者問(wèn)題引導(dǎo)：對(duì)于其他營(yíng)養(yǎng)級(jí)是不是都是這個(gè)順序？對(duì)于整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)呢？學(xué)生回答：對(duì)于其他營(yíng)養(yǎng)級(jí)基本都是如此，對(duì)于整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)而言，最高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量反而最少。問(wèn)題引導(dǎo)：對(duì)于其他生態(tài)系統(tǒng)是不是也都是如此呢?請(qǐng)分析兩個(gè)水域生態(tài)系統(tǒng)能量最終流向比較表。學(xué)生回答：每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)都是不一樣的。教師介紹：賽達(dá)伯格湖是沼澤高原型湖泊，生物種類(lèi)較少，又相對(duì)封閉，分解者分解能力較低，因此未利用的能量比例較高，以泥炭的形式沉積湖底。而銀泉屬于流水型的河流，生物種類(lèi)較多，因此呼吸消耗較多，而且大量沉積物隨水流入下游，沉積物很少，未利用能量較低。因此，一定要具體問(wèn)題具體分析，不能所有問(wèn)題一概而論。師生總結(jié)：⑥營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的能量傳遞效率各是多少？（2）逐級(jí)遞減問(wèn)題引導(dǎo)：逐級(jí)是什么含義？能量為什么會(huì)逐級(jí)減少學(xué)生回答：“逐級(jí)”是指能量沿著食物鏈從低營(yíng)養(yǎng)級(jí)到高營(yíng)養(yǎng)級(jí)。減少的原因是能量要自身呼吸散失一部分、分解者利用一部分和未利用一部分。教師引導(dǎo)：相鄰營(yíng)養(yǎng)級(jí)間能量傳遞效率大約是10%~20%，這又被稱(chēng)為林德曼定律。問(wèn)題引導(dǎo)：對(duì)于食物鏈藻類(lèi)→蝦米→小魚(yú)→大魚(yú)，如果藻類(lèi)固定了10000KJ的能量，至少傳遞多少到大魚(yú)？如果大魚(yú)獲得了10KJ的能量，至少需要藻類(lèi)固定多少太陽(yáng)能？學(xué)生回答：至少傳遞給大魚(yú)的能量為10000×(10%)3=10KJ；至少需要藻類(lèi)固定的太陽(yáng)能為10÷(20%)3=1250KJ。問(wèn)題引導(dǎo)：既然能量逐級(jí)減少，那么與能量守恒定律是否矛盾？請(qǐng)用數(shù)據(jù)來(lái)分析。師生總結(jié)：從某營(yíng)養(yǎng)級(jí)的角度：師生總結(jié)：從某營(yíng)養(yǎng)級(jí)的角度：從生態(tài)系統(tǒng)角度：三、生態(tài)金字塔教師引導(dǎo)：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理有生態(tài)金字塔教師引導(dǎo)：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理有很多形式。①表格，用于記錄原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；②柱狀圖，將所含能量的多少轉(zhuǎn)化圖形面積的大小，置于坐標(biāo)系內(nèi)，各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量大小一目了然非常直觀。如果將能量條疊放在一起就形成了能量金字塔。1、能量金字塔問(wèn)題引導(dǎo)：每一級(jí)代表一個(gè)種群還是一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)？能量金字塔的排放順序是怎樣的？學(xué)生回答：每一級(jí)代表一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)在最下面，高營(yíng)養(yǎng)級(jí)一次向上排放。問(wèn)題分析：解釋一下影響林德曼的第二個(gè)中國(guó)諺語(yǔ)：“一山不容二虎”。學(xué)生回答：能量流動(dòng)是逐級(jí)遞減的，虎的營(yíng)養(yǎng)級(jí)高，含有能量少，不足以供應(yīng)更高的營(yíng)養(yǎng)等級(jí)的生存。2、生物量金字塔教師引導(dǎo)：將所含有機(jī)物的多少轉(zhuǎn)化圖形面積的大小，就會(huì)形成生物量金字塔。3、生物量金字塔教師引導(dǎo)：將所含個(gè)體數(shù)多少轉(zhuǎn)化圖形面積的大小，就會(huì)形成數(shù)量金字塔。問(wèn)題引導(dǎo)：三種生態(tài)金字塔會(huì)不會(huì)出現(xiàn)倒置的情況？師生總結(jié)：能量金字塔不會(huì)倒置，生物量金字塔一般不會(huì)，數(shù)量金字塔有可能（如一棵樹(shù)上生活這大量的昆蟲(chóng)）。[通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們了解生態(tài)學(xué)家研究生態(tài)學(xué)問(wèn)題