种群数量的变化的教学设计

1、“种群数量的变化”的教学设计 邹帅1 闫景娟2（北京师范大学大兴附属中学 北京 102600北京市大兴区教师进修学校 北京 102600）1教学背景分析1.1课标分析高中生物学课程标准对本节的要求是“尝试建立数学模型解释种群的数量变动”，属于能力层面的“模仿”水平和知识层面的“理解”水平。在活动建议里则提出“探究培养液中酵母种群数量的动态变化”。1.2 教材分析相应内容出现在人教版高中生物必修3“稳态与环境”模块、第四章种群和群落、第二节，教材从以下三方面组织学习内容：一是建构种群增长模型的方法；二是种群数量的变化情况；三是探究活动培养液中酵母菌种群数量的变化。其中，建立数学模型的方法是必修三

2、模块乃至整个高中生物中科学方法训练的重点之一。1.3 学情分析学生们在必修1第一章学习“生命系统的结构层次”时已经习得了种群的概念，通过本章第一节的学习进一步明确其概念，并认识了种群密度等数量特征。这为本节课分析影响种群数量变化的因素奠定了知识基础。在高中数学课上学生学习过指数函数和坐标图的绘制，这为数学模型的建构奠定了能力基础。1.4 教学条件分析我校属于北京市郊区的普通校，由于实验设备有限、实验条件不够完善，所以无法组织面向全体学生的探究实验，因此将其调整为由生物兴趣小组的同学在课前来完成。2 教学目标2.1知识目标：解释种群数量增长的一般规律；说明建构种群数量增长数学模型的方法。2.2

3、能力目标：通过各种形式的活动，尝试建构种群数量增长的数学模型；运用种群数量变化规律解决生产生活中的实际问题。2.3 情感目标：认同数学模型在科学研究中的应用；参与濒危生物保护措施与生物入侵防范措施的讨论，关注人类活动对种群数量变化的影响。 3 课前准备生物兴趣小组课前的探究实验是这样开展的：设计实验方案：学生完成实验方案设计，师生共同探讨达成共识介绍技术工具：介绍血球计数板的使用方法与技术原理，引导学生推导计算公式明确探究问题：探究种群数量的变化规律确定实验材料：启发学生思考：选材及原因，最后教师再呈现酵母菌 收集数据、探寻规律收集数据，尝试发现规律开展实验：实施方案，根据实验进程修订方案4

4、教学过程：4.1 导入新课同伴学习体验感召引出兴趣小组的实验引导学生回顾上节课学习的种群数量特征以及出生率死亡率、迁入迁出、年龄结构、性别比例这些因素对种群密度的影响，使学生明确种群密度不是一成不变的。然后提问，变化中是否蕴藏着规律呢？从而引出兴趣小组的探究实验。 实验展示兴趣小组同学结合实物与自制PPT课件向同学简要介绍实验选材及原因、实验计数工具及使用方法、实验设计方案、实验实施情况以及计数结果。由于本节课重点是建构数学模型和学习种群数量变化规律，所以在这里对血球计数板工作原理的介绍不必过深，带领同学认识显微镜下的方格和酵母菌即可。而对计数结果进行分析的方式教师也不必限定要求，让学生自己根

5、据已有的数学知识完成即可。 进入学习情境 学生们看到培养液中酵母菌种群数量变化趋势，对产生这种趋势的原因产生兴趣并进行初步猜想。4.2 模型建构分析实验结果，主动建构模型本部分通过5个实验来组织教学。首先直接引出科学家研究种群数量变化规律的模式生物即大肠杆菌，启发学生思考选材的原因。实验1 大肠杆菌实验1）以表格形式呈现实验结果，启发学生思考并得出结论下表记录了一个起始数量为1，空间与营养没有限制的大肠杆菌种群数量随时间推移的变化情况。从中可以得出什么结论？时间（min）20406080100120140160180细菌数量（个）248163264128256512学生观察与分析，得出结论：大

6、肠杆菌每20分钟分裂1次。2）建构数学模型1坐标图带领学生分析用表格形式记录数据的不足（即不直观），提问，用什么形式能够反映出种群数量的变化趋势。学生根据数学知识回答坐标图。引导学生根据表格中数据绘制这个大肠杆菌种群数量变化的坐标图。注意此处仅给学生提供横纵坐标，余下的确定标度、描点连线等工作均由学生独立完成。请1位学生在黑板上绘制，师生共同对其进行评价、分析并达成共识。教师指出这个坐标图就是用一种数学形式来表述该大肠杆菌种群数量变化趋势这一生物学问题，所以称之为建立了大肠杆菌种群数量增长的数学模型。再联系航模、DNA双螺旋结构模型等物理模型帮助学生进一步明确模型的概念。3）建构数学模型2表达

7、式提问，繁殖30代后大肠杆菌的种群数量从坐标图中可以直接、准确得出结果吗？50代呢？什么方法能够得出结果呢？学生根据数学知识回答计算公式。给出任务：用数学表达式表示，这个起始数量为1的大肠杆菌繁殖t代后种群数量Nt。请1位学生在黑板上列出并分析自己建构的表达式，师生共同对其进行评价、分析并达成共识。引导学生认识表达式也是一种形式的数学模型，明确其优点在于准确通用。4）小结：建构数学模型引导学生明确刚才建构的数学模型都基于一个假设前提即种群增长不受种群密度的制约。提问，建构的数学表达式一定准确吗？学生说出还必须经过实验的检验与验证。引导学生回忆大肠杆菌种群数量数学模型的建构过程，小结建构数学模型

8、的一般过程：发现问题作出假设表达建模检验验证。5）建构数学模型3 一般表达式提问，这个大肠杆菌种群是个例，其他生物种群的起始数量不一定是1，下一代也不一定是上一代的2倍，而且繁殖周期通常要长，如何建构适用于更多种群的一般表达式？给出任务：已知食物、空间充足，某种群的起始数量为N0，t为时间，Nt表示t年后该种群的数量。假设种群数量每年以一定的倍数增长，第二年是第一年的倍。请学生建构这个种群增长的数学表达式。请1位学生在黑板上列出并分析自己建构的表达式，师生共同讨论分析、达成共识，进一步理解指数型增长种群的变化规律。实验2 不断更换培养液的草履虫实验1）实验分析引出草履虫实验，启发学生思考选材原

9、因。介绍实验背景信息：为草履虫提供足够的空间并不断更换培养液。请学生预测这个草履虫种群的数量变化趋势并解释理由。展示不同时刻该草履虫种群的数量（表格形式）和根据数据绘制的坐标图。帮助学生进一步明确指数增长型种群的变化规律和成立前提。2）认识 “J”型曲线再现大肠杆菌实验和草履虫实验的坐标图，提问，这些曲线外形类似什么英文字母？学生回答“J”，从而提出“J”型曲线。提问，现实条件中有没有哪种生物会一直呈现“J”型增长呢？介绍，最简单的起始数量为1的大肠杆菌种群如果一直按照指数增长下去，只需3天就足够铺满整个地球。指出现实条件下“J”型增长不是常态，从而引出高斯的实验。实验3 高斯的草履虫实验1）

10、实验分析介绍实验背景：高斯在0.5mL培养液中放入5只草履虫开始进行培养、计数。展示根据实验数据绘制的坐标图。请学生观察、比较两个草履虫实验结果的差异并对产生差异的原因进行分析。指出在环境条件不破坏的前提下，高斯实验中草履虫种群数量达到375只这一最大值后趋于稳定，即该条件下0.5mL培养液最多能够容纳375只草履虫。运用演绎法将其推广为一般种群，引出K值并带领学生明确K值生物定义：在环境条件不破坏的情况下，一定空间所能维持的种群最大数量称为K值，也叫做环境容纳量。2）认识 “S”型曲线提问，这种曲线外形类似什么英文字母？学生回答“S”，从而提出“S”型曲线并明确其出现的前提条件。3）绘制“J

11、”型曲线、 “S”型曲线请学生在同一个坐标系中绘制同一个种群在理想条件和现实条件下的两种曲线。请1位学生在黑板上绘制，师生共同评价。提问，“J”型曲线与“S”型曲线的位置关系是怎样的？使学生明确“J”型曲线应位于“S”型曲线之上。提问，两条曲线之间的差异是什么原因造成的？学生列举可能的原因，从而提出环境阻力这一概念。 实验4 兴趣小组实验结果分析再现兴趣小组的实验数据，展示课前由小组成员绘制的坐标图，引导学生分析、说出曲线的变化趋势：大体呈现S型增长规律，存在K值，通过数据比对确定大致为1.2×107个/mL；但是达到K值稳定一段时间后开始出现下降。启发学生对下降的原因进一步思考与分

12、析。同时向全班同学发出邀请，对本实验感兴趣的同学可以课后和小组成员及老师进行深入的探讨。实验5 植物乳杆菌实验提问，同一种群的K值大小是一定的吗？启发学生思考。展示植物乳杆菌在不同温度条件下培养结果的坐标图，请学生分析曲线的变化规律及差异，从而得出结论：同一种群的K值大小受环境条件的影响。提问，环境条件改变，在刚才绘制的坐标图里“S”型曲线会发生怎样的变化？学生分析曲线会上下移动，但不能超越“J”型曲线。4.3 模型应用1）濒危生物保护与有害生物防治指出许多自然种群的数量都呈现出“S”型变化规律，展示大熊猫化石分布范围和现在分布范围的对比图，提问，为什么大熊猫的数量出现锐减？学生根据本节课所学知识和生活体验作答，得出结论与K值急剧降低密切相关。从而引导学生说出保护濒危生物的根本措施。展示鼠灾的图片，引导学生从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国某岛屿环颈雉种群数量变化曲线图，引导学生分析其变化规律及成因，从而引出生物入侵话题。进而展示澳大利亚野兔、水葫芦、美国白蛾等生物入侵实例照片，引导学生应用本节课所学知识提出防范生物入侵的措施。4.4 自然种群数量变化分析指出刚才看到的现象大部分是特例，事实上大部分自然种群的数量不是单纯的增加或减少。展示19281977年一个欧洲灰鹭种