1.2种群数量的变化 教案 高中生物新人教版选择性必修2（2022-2023学年）

/index1.2种群数量的变化【课标要求及解读】课标要求：本节内容在《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》的“内容要求”是：尝试建立数学模型解释种群的数量变动；相对应的“学业要求”是：运用数学模型表征种群数量变化的规律，分析和解释影响这一变化的规律的因素，并应用于相关的实践活动中（生命观念、科学思维、社会责任）。课标解读：通过探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化，尝试构建数学模型，解释种群的数量变动规律。【教材分析】选择性必修2《生物与环境》模块包括种群、群落、生态系统、环境保护等内容，这些内容是生物学课程必不可少的组成部分，是学生全面理解生命现象及其内在规律必需的知识，也是发展学生核心素养所需的支撑性内容。第1章《种群及其动态》，学生将在群体水平上探讨生命系统大的组成，结构和发展变化规律。第2节《种群数量的变化》包括三部分内容，其中第一部分是建构种群增长模型的方法；第二部分是种群数量的变化情况，包括种群的“J”形增长、种群的“S”形增长、种群数量的波动；第三部分是探究培养液中酵母菌种群数量的变化。而建立数学模型的方法是本模块科学方法教育的侧重点。【学情分析】从知识方面，高中学生已经具有一定的数学基础，能够尝试应用数学的知识储备建立模型，学生刚学习了种群的概念和各种数量特征。从能力方面说，此时的学生已经具备相对较强的探究、分析、解决问题的能力，具有一定的生物科学素养，从学生的生活体验说，高中学生能够联系实际和生活经验理解总结种群数量变化情况，所以遵循建构主义的理论，学生相对较容易地接受这堂课的学习，能够在教师的引导下，将种群数量变化的生物学问题归结为数学问题，进而应用建模成果解决身边的问题。另外，学生通过以前的学习和实践，具备初步的探究能力。以问题为驱动，实施自主探究的教学引导，激发学生探究性兴趣，逐步进行探究实践，完全可以成功完成本节课的教学目的。【教学目标】根据《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》的相关要求，本节内容的教学目标制订如下：通过结合细菌数量增长的实例，构建种群数量增长的模型，掌握建立数学模型的科学方法。（科学探究）通过“J”形和“S”形曲线分析,理解种群数量变化的影响因素，培养科学思维。（科学探究、社会责任）尝试运用环境容纳量解决实际问题，渗透社会责任。（科学探究、社会责任）【教学重难点】教学重点：1.建构种群增长模型的方法；2.种群的“J”形增长和“S”形增长。教学难点：建构种群增长的数学模型【教学方法】情境化教学、模型构建法、讨论法、合作探究法【课时安排】3课时【教学过程设计】【课堂导入】展示“问题探讨”中细菌繁殖的假设资料，提出问题：72h后，由一个细菌分裂产生的细菌数量是多少？用什么方法描述、解释和预测种群数量的变化？【设计意图】利用教材中的图片，创设情境引导学生进行问题探讨，激发学生的学习兴趣，让学生主动思考探究，自然过渡到本节学习内容。【教学内容】一、建构种群增长模型的方法下面以细菌为例探讨其数量变化【任务一建构细菌种群增长的模型】引导学生以上述细菌种群数量变化为研究对象，计算一个细菌在20min、40min或者更长的时间后变成多少个细菌，学生经过计算探究出结果并填入课本第8页表格。表1时间（min)020406080100120140160180数量（个）1 学生根据细菌增长数据归纳出第n代细菌数量的计算公式：Nn=2n。再以时间为横坐标，细菌数量为纵坐标，把细菌种群的增长曲线画在课本第八页图1-4。设疑：在刚才的探究活动中，我们分别使用了什么数学模型来展示细菌种群的增长？这些形式都有哪些优缺点？答：图表、公式和曲线图，公式准确而不直观，曲线图直观但不准确。一、归纳建构种群增长模型的方法——建立数学模型的相关知识：概念：数学模型是用来描述一个系统或它的性质的数学形式。研究方法：提出问题－提出假设－建立数学模型－对模型进行检验或修正。表现形式：数学公式、曲线图。（数学公式可以精确计算出种群的数量，但不够直观，而曲线图更能直观反映种群的增长趋势，但不够精确）【设计意图】以“问题探讨”中细菌繁殖的背景资料，掌握数学建模的方法，学会如何通过表象，用数学的知识提取事物的本质，为以后的学习任务做好铺垫。过渡：上述是对理想条件下细菌数量增长的推测。自然界中种群数量能出现类似增长吗？【任务二种群的“J”形增长】小组合作完成“思考•讨论”的资料分析展示资料：资料11859年，一位来到澳大利亚定居的英国人在他的农场中放生了24只野兔。让他没有想到的是，一个世纪之后，这24只野兔的后代竟超过6亿只。漫山遍野的野兔不仅与牛羊争食牧草，还啃树皮，造成植被破坏，导致水土流失。后来，人们引入了黏液瘤病毒才使野兔的数量得到控制。资料220世纪30年代，人们将环颈雉引入某地一个岛屿。1937-1942年，这个种群增长如图所示。讨论：1.这两个资料中种群增长有什么共同点?答：种群数量增长迅猛，且呈无限增长趋势。2.种群出现这种增长的原因是什么？答：食物充足，缺少天敌等。3.这种种群增长的趋势能不能一直持续下去？为什么？答：不能，因为资源和空间是有限的。【设计意图】通过问题引导，过渡到种群的“J”形增长学习。通过“思考•讨论”中的两个实例，总结自然界中有类似细菌在理想条件下种群增长的形式，在此基础上，重点讲解“J”形增长的数学模型，并且与实际相联系。二、种群的“J”形增长自然界中有类似细菌在理想条件下种群增长的形式，如果以时间为横坐标，种群数量为纵坐标画出曲线来表示，曲线则大致呈“J”形。这种类型的种群增长称为“J”形增长。【过渡】怎样用数学公式表示“J”形增长的数学模型？“J”形增长的数学模型1.模型假设：在食物和空间条件充裕、气候适宜、没有天敌和其他竞争物种等条件下，种群的数量每年以一定的倍数增长，第二年的数量是第一年的λ倍。2.数学模型：Nt=N0λt（指数函数）3.各参数的意义：N0表示种群的起始数量，t为时间，Nt表示t年后种群的数量，λ表示种群数量是前一年种群数量的倍数。【小结：种群的“J”型增长】1、条件：食物和空间条件充裕、气候适宜、没有天敌和其他竞争物种等。2、发生时期：新物种迁入的开始阶段、实验条件下3、种群J型增长方式的数学模型是：Nt=N0λt4、特点：种群数量连续增长，增长率保持不变（入-1）。增长速率呈指数函数增长（“J”型曲线的斜率）。【设计意图】通过展示“J”形增长的数学模型，加深对其的理解和掌握。落实素养为导向，能力为基础的理念。【过渡】如果遇到资源、空间等方面的限制，种群还会呈“J”形增长吗？【任务三种群的“S”形增长】资料分析：生态学家高斯的实验：在0.5mL培养液中放入5个大草履虫，每隔24h统计一次大草履虫的数量。经反复实验，结果如下图所示。种群经过一定时间的增长后，数量趋于稳定，增长曲线呈“S”形。这种类型的种群增长称为“S”形增长。在自然界，当一种生物进入一个条件适宜的新分布地时，初始阶段会出现较快增长，但资源和空间总是有限的。当种群密度增大时，种内竞争加剧，这就导致种群的出生率降低，死亡率升高。当出生率升高至与出生率相等时，种群增长就会停止，种群数量有可能稳定在一定水平，我们把这一水平称为K。“S”形增长的数学模型1.模型假设：随着种群数量的增加，它们对食物和空间的竞争也趋于激烈，导致出生率降低，死亡率升高，当出生率等于死亡率时，种群增长停滞，可能稳定在一定水平。2.一定的环境条件所能维持的种群最大数量称为环境容纳量，又称K值。对K值的理解:①同一种生物的K值不是固定不变的：K值会随着环境的改变而发生变化,当环境遭受破坏时，K值变化是_____；当环境条件状况改善时，K值会_____。②在环境不遭受破坏的情况下,种群数量会在K值附近上下波动。当种群数量偏离K值的时候,会通过负反馈调节使种群数量回到K值。学生活动：完成课本P10“思考•讨论”从环境容纳量的角度思考，对家鼠等有害动物的控制，应该采取怎样的措施？①降低环境容纳量；②在K/2前捕杀【设计意图】通过“思考•讨论”的相关问题，理论联系实际，可以让学生进一步理解K值的含义和实际应用，同时也培养了学生处理实际问题的能力。归纳种群增长的“J”形增长和“S”形增长的区别【设计意图】通过对比与总结两种种群增长的类型，填写表格，培养学生比较、归纳的能力。过渡：在自然界中，种群数量是否总能稳定在K值？为什么？【任务四种群数量的波动】展示东亚飞蝗的视频，提出问题：东亚飞蝗种群数量波动的原因可能有哪些？展示长江白鳍豚的视频，提出问题：长江白鳍豚种群数量下降的原因？如何对濒危动物进行保护？在自然界，有的种群能够在一段时间内维持数量的相对稳定。但对于大多数生物的种群来说，种群数量总是在波动中。处在波动状态的种群，在特定条件下可能出现种群爆发。如蝗灾、鼠灾、赤潮等。当种群长久处于不利条件下，种群数量会出现持续性的或急剧的下降。当一个种群数量过少，种群可能会由于近亲繁殖等原因而衰退、消亡。【设计意图】对于种群数量波动的学习探究，首先让学生明白有的种群数量稳定，大多数种群数量处在波动中。通过东亚飞蝗种群数量的波动为例进行证实，同时解释种群数量爆发增长的现象。接下来通过分析长江白鳍豚种群数量下降原因。同时强化与社会联系，使学生形成保护濒危物种的观点，提升社会责任。【任务五探究•实践——培养液中酵母菌种群数量的变化】思考与讨论：①从试管中吸出培养液进行计数之前，建议你将试管轻轻振荡几次这是为什么？振荡的目的：使培养液中酵母菌分布均匀，以减少误差。另外，取样时间需一致，且应做到随机取样（每天同一时间取样，或者每隔相同一段时间取样。）②如果一个小方格内酵母菌数量过多，难以数清，应当采取什么措施？稀释适当倍数。③