人教版高中生物必修三《稳态与环境》模块的“生态系统的能量流动”同课异构的教学设计.doc

生态系统的能量流动一节同课异构的教学设计-利用“学-建-验证”的教学模式建构数学模型 提高学生建模能力江西省萍乡中学生物组：肖丹桂设计理念新课程改革的一个重要理念：注重与现实生活的联系，就是要把生物学教学和学生的实际生活相联系，并且学以致用；也就是要把学生的个人知识、生活经验看成是重要的课程资源，这也是建构主义学习理论的重要思想，建构主义学习理论认为，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得。设计思路“培养学生的建模思维和建模能力”，这是高中生物课程标准（实验）明确提出的要求，因此在生物学教学中应努力将模型方法应用于课堂教学中。高中学生对于生物学中的数学模型已经不再陌生，通过设计两种方案进行比较，认同利用模型方法教学，有利于提高学生的建模能力。一是采用讲授式教学，二是利用“学-建-验证”的教学模式建构数学模型的模型方法教学。教学目标知识目标1、分析生态系统能量流动的过程和特点。2、述研究生态系统能量流动的实践意义。能力目标1、分析生态系统能量的变化，发展学生的思维迁移能力。2、学会分析推算生态系统的能量传递效率，用于解决相关问题，培养学生的分析、推理、综合的思维能力。3、通过学习生态系统的能量传递效率的应用，学会建立数学模型的方法。情感目标1、分析生态系统能量流动的过程和特点，培养学生实事求是的科学态度。2、探讨研究能量流动的实践意义，使学生认同“科学技术是第一生产力”的观点，以及形成合理利用资源应遵循生态学原理和可持续发展的观念。教学重点生态系统能量流动的过程和特点教学难点生态系统能量流动的过程和特点教学方法讲授法、讨论法、模型法教学手段多媒体教学教学课时 1教学实施程序讲授式的教学过程：教学步骤教师组织和引导学生活动设计意图创设情境，导入新课问题探讨：孤岛生存假设你像小说中的鲁滨逊那样，流落在一个荒岛上，那里除了有能饮用的水以外，几乎没有任何食物。你随身尚存的食物只有一只母鸡、15kg玉米。讨论：你认为以下哪种生存策略能让你维持更长的时间来等待救援：1、先吃鸡，再吃玉米。2、先吃玉米，同时用一部分玉米喂鸡，吃鸡产下的蛋，最后吃鸡。在学生讨论后，讲述：合理答案到底是1还是2呢，我想我们学了这节课后自然能见分晓。引出新课：第2节 生态系统的能量流动学生积极思考，讨论的兴趣很高，他们有选1的也有选2的，但多数学生选2。通过引导学生讨论他们感兴趣的话题，顺其自然的引出新课。一、能量流动的过程讲述：生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程，称为生态系统的能量流动。提问：怎样研究生态系统的能量流动？讲述：研究能量流动可以在个体水平上，也可以在群体水平上。研究生态系统中能量流动一般在群体水平上，这种将群体视为一个整体进行研究是系统科学常用的研究方法。组织学生阅读课本，并思考问题。师生总结：生态系统中的能量流动是从绿色植物的光合作用固定太阳能开始的，输入该生态系统的总能量就是绿色植物固定的太阳能总量；这些能量是通过食物链和食物网逐级流动的。能量沿着食物链流动时，每一营养级都有输入、传递、转化和散失的过程。（屏幕逐一显示“能量流动的过程示意图”）讲述：流入一个营养级的能量是指该营养级的同化量；能量的去路包括自身呼吸作用消耗和用于生长、发育与繁殖等生命活动，储存在生物体的有机物中，后者能量的去路包括流入下一个营养级、被分解者利用。阅读课本P93-94，看屏幕“草原生态系统” 图（碧绿的草原上有兔子，天空中盘旋着鹰），思考下列问题： 1、写出图中涉及的食物链。2、该生态系统中能量流动从什么地方开始，生产者（草）在该过程中的作用是什么？3、输入该生态系统的总能量是多少？4、该生态系统中初级消费者（兔）中的能量的来源和去路？给出具体的情境和食物链，使学生通过自己的初步思考和分析能量在食物链各营养级中的变化，发展学生的思维迁移能力。二、能量流动的特点提问：请同学们依据课本P94生态系统能量流动示意图，定性分析为什么生态系统能量流动的图解中方框逐级变小，箭头越来越细？这说明生态系统能量流动有什么特点？学生回答：生态系统中的能量流动是逐级递减的。定性分析后，介绍美国生态学家林德曼、赛达伯格湖及林德曼的研究方法；1942年，林德曼发表了生态学的营养动态概说，他的这项研究具有极为重要的意义，奠定了现代生态学的基础，在他的研究成果中一个重要的贡献就是给出了赛达伯格湖的能量流动图解。资料分析：让学生利用教材中“赛达伯格湖的能量流动图解”，讨论完成课本P95的问题及对能量流动进行定量计算。 师生总结：林德曼的研究发现生态系统的能量流动具有两个特点：1、单向流动；2、逐级递减：传递效率为10%20%。（“十分之一”定律，屏幕显示“某湖的能量金字塔”）讲述：生态系统中的营养级越多，在能量流动过程中消耗的能量就越多。思考题：鱼D要增重1kg，至少需消耗浮游植物A kg，最多需消耗浮游植物A kg。解析：能量储存在物质中，所需消耗的生物质量也按传递效率为10%-20%来计算，此题是已知最高营养级生物的量求消耗生产者的最少量，传递效率取20%；求消耗生产者的最多量，传递效率取10%。让学生从能量流动特点的角度解释如下两个现象：1、一条食物链一般不会超过5个营养级；2、“一山不容二虎”。思考题：如果把各个营养级的生物数量关系，用绘制能量金字塔的方式表达出来，是不是也是金字塔形？如果是，有没有例外？例子：绘制一个有树木、昆虫和小鸟组成的生态系统的生物个体数量金字塔。观察它们和能量金字塔的区别。讲述：请同学们结合新学知识再回到孤岛生存的问题上，那么你会再选择哪种策略？学生一致回答：1阅读课本，思考问题，初步了解能量流动的特点；整理数据并分析数据，深刻理解能量流动的特点；实例分析，学以致用，再巩固能量流动的特点。学生列表并计算。学生思考讨论。根据学生的认知规律，循序递进地展开对能量流动特点的学习，培养学生整理数据，分析数据的能力。三、研究能量流动的实践意义讲述：研究生态系统的能量流动，可以帮助人们科学规划、设计人工生态系统，使能量得到最有效的利用，例如，“桑基鱼塘”的生产方式就是从人类所需出发，通过能量多级利用，充分利用流经各营养级的能量，提高生产效益；还可以帮助人们合理地调整生态系统中能量流动的关系，使能量持续高效地流向对人类最有益部分，例如，在一个草场上，根据草场的能量流动特点，合理确定草场的载畜量，保持畜产品的持续高产。但是在人类利用资源的过程中持续和高效常常会发生矛盾，例如，渔业、林业、畜牧业和农业的高产带来的是鱼类资源的枯竭、森林的破坏、草原的退化和环境的污染。因此，要实现社会经济和生态环境的可持续发展，必需研究生态系统中能量的流动规律。通过联系实际的开放性问题，让学生经过热烈的讨论，学会利用生态系统能量流动的特点在实际中的应用，初步了解生态农业的优越性主要在于物质的良性循环和能量的多级利用。思考讨论：如何让农田生态系统中的水稻秸杆中的能量持续高效地流向人类？让学生了解能量流动研究的具体应用，体会研究能量流动的实践意义，体现注重与现实生活紧密联系的理念。小结本节课主要学习了能量流动的过程和特点，能量流动是生态系统的基本功能之一，生态系统的各个组成成分通过能量流动有机地构成一个整体。利用“学-建-验证”的教学模式的教学过程：教学步骤教师引导和组织 学生活动设计意图1、学习新知识1.1 复习导入 引导学生复习生态系统的营养结构，给出一条具体的食物链，如：草兔狐狼，后一个营养级捕食前一个营养级过程中既获得了营养物质也获得了生命活动所需的能量，能量沿着食物链逐级向后传递着，引出能量守恒定律，提出质疑：生态系统的中能量从哪里来最终又到哪里去了呢？带着这样的问题，进入新课的学习。引出课题后，教师概括性地指出生态系统能量流动的基本含义。1.2 能量流动的过程 对于这部分知识，主要采取教师引导和学生自主探究、分析、类比推理、建立过程模型等方法，使学生深刻理解能量的流动过程。教师提出问题：该怎样研究生态系统的能量流动？指导学生阅读课本P93，分析能量在生物个体水平的流动情况，再类推至种群水平，再至营养级水平，形成个体种群营养级的研究思路，使学生知道在研究生态系统的能量流动时常常是将同属一个营养级的生物作为一个整体进行研究的。接着让学生写出一条概括性的食物链，如：生产者初级消费者次级消费者，并思考问题：生产者通过什么途径从哪里获取能量？生产者的能量又有哪些去路？教师再指导学生建立生产者这一营养级的能量流动的过程模型（图1），用类比推理的方法建立初级消费者的能量流动过程模型。通过两次过程模型的建立，让学生总结生态系统中能量流经各个营养级的过程，然后请学生阅读课本P94生态系统能量流动示意图，学生发现自己总结的内容与课本的示意图相似，体验到了成功的喜悦。学生在一系列的思考和建模活动中深刻理解了能量流动的过程。最后师生共同总结：（1）生态系统的能量流动起点：从生产者固定太阳能开始（2）流经生态系统的总能量：生产者固定的全部太阳能（3）生态系统能量流动的渠道：食物链和食物网（4）每一营养级的能量去向：呼吸作用消耗，下一营养级同化，分解者分解（除最高营养级外）1.3 能量流动的特点 教师先介绍美国生态学家林德曼（R.L.Lindeman）以及他对赛达伯格湖能量流动的定量分析，让学生通过整理和分析赛达伯格湖的能量流动图解中的数据，并计算出“流出”某营养级的能量占“流入”该营养级能量的百分比（“流出”的能量不包括呼吸作用散失的能量）。学生根据计算得出流经生产者的能量出入百分比为13.5%，流经植食性动物的能量出入百分比为20%。紧接着教师引导学生继续思考：流经某一营养级的能量为什么不会百分之百地流到下一个营养级？教师提示：流入某一营养级的能量主要有以下去向：一部分通过该营养级的呼吸作用散失；一部分作为排出物、遗体或残枝败叶不能进入下一营养级，而为分解者所利用；还有一部分未能进入（未被捕食）下一营养级。在通过以上学习的基础上，让学生总结能量流动的特点：（1）单向流动；能量沿着食物链和食物网逐级流到，不可逆转，也不能循环流动。（2）逐级递减；输入到一个营养级地能量不可能百分之百地流入下一营养级，能量在沿食物链流到的过程中是逐级减少的。一般来说，能量在相邻两个营养级的传递效率为10%20%。在这里教师就可以顺水推舟地把能量金字塔的定义提出来，并让学生尝试分析：一条食物链一般不超过5个营养级的原因，俗语“一山不容二虎”的科学原理。思考题：如果把各个营养级的生物数量关系，用绘制能量金字塔的方式表达出来，是不是也是金字塔形？如果是，有没有例外？例子：绘制一个有树木、昆虫和小鸟组成的生态系统的生物个体数量金字塔。观察它们和能量金字塔的区别。1.4 研究能量流动的实践意义 教师通过介绍“桑基鱼塘”的生产模式：利用桑叶喂蚕，蚕沙（蚕粪）养鱼，鱼塘泥肥桑，在桑、蚕、鱼之间形成良性循环，让学生从生态系统能量流动的特点出发，分析这种生产模式设计的合理性；接着让学生结合当地农业生产上，收获稻谷后将水稻秸秆就地焚烧没有充分利用其中能量并污染环境的情况，设计一个高效利用能量且环保的农业生态系统。学生会设计一个以沼气工程为中心的、对能量多级利用的生态农业生产模式。教师要肯定学生的想法并鼓励学生进行有创造性的设计。然后让学生讨论：在草原生态系统中，如何使能量持续高效地流向对人类最有益的部分？回顾已学知识。学生阅读课本，构建能量流动的过程模型。学生整理和分析数据，总结能量流动的特点。学生设计高效利用能量且环保的农业生态系统。从学生已有知识出发，过渡到新课学习，做到知识的前后联系。通过学生自己对能量的变化分析，构建过程模型，培养学生的建模能力，也使能量流动的过程简洁明朗。学以致用，使学生认同“科学技术是第一生产力”的观点，形成合理利用资源应遵循生态学原理和可持续发展的观念。2、建立数学模型通过对新知识的学习，学生知道了能量在相邻两个营养级的传递效率为10%20%，可引导学生建立相应的数学模型，教师要提示学生建立数学模型的一般步骤。提出问题：在一条食物链中，若生产者（第一营养级）的能量为Q，那么第二营养级所能获得的能量最多为多少呢，第三营养级所能获得的能量最多为多少呢，第n营养级呢？作出合理假设，根据数据构建相应数学模型：在已知低营养级的能量值求高营养级获得的最多能量值时，传递效率取20%，这样第二营养级获得的能量最多为Q/5,第三营养级获得的能量最多为Q/25，第n营养级获得的能量最多为Q/5(n-1)。以类比推理的方法让学生建立第n营养级获得的能量最少值的表达式，即为Q/10 (n-1)。再例如提出问题：一条食物链共有n个营养级，求第n营养级每增加1焦耳能量，需要消耗生产者固定的能量最少多少焦耳？引导解析：由于已知的是高营养级的能量值，在求消耗生产者的最少能量值时，传递效率要取20%；再分析确定传递的次数，传递次数=该生物在食物链中的所占的营养级数-1。由此可推导出：至少需要消耗生产者固定的能量为1/(20%)(n-1) =5(n-1)。同理可推导出：最多需要消耗生产者固定的能量为1/(10%)(n-1)=