“種群數量變化”

摘要 敘述了根據創設的種群數量變化的具體情景，首次通過“三維模擬實驗”，引導學生通過標志重捕法，自行繪制J型曲線、s型曲線并結合創設情景及實驗數據分析總結各模型的條件、增長特點，構建種群增長的數學模型，取得了較好的教學效果。

關鍵詞

標志重捕法 三維模擬實驗 數學模型

中圖分類號G633.91

文獻標識碼 B

1教材分析和設計思路

人教版《普通高中課程新標準實驗教科書——生物》高中必修三第四章“種群和群落”的第二節是“種群數量的變化”。本節課是在學生學習了種群的特征及利用標志重捕法測定種群數量的基礎上展開的一節內容，是本章的重點、難點。

課程標準中關于本節的指導思想是“嘗試建立數學模型解釋種群數量的變動”，這是高中首次明確的用數學模型來解決生物學問題。在科學研究中，數學模型是發現問題、解決問題和探索新規律的有效途徑之一，引導學生建構數學模型，有利于培養學生透過現象揭示本質的洞察能力；同時，通過科學與數學的整合，有利于培養學生簡約嚴密的思維品質。

依據種群增長趨勢會因環境不同而出現區別，設計這樣一個實驗：將野兔種群分為兩部分，分別遷往兩個環境(A為理想環境——澳大利亞草原，B為一般的自然環境——塔里木盆地)，研究種群數量變化。

由于時空限制，課堂中轉化為模擬實驗：玉米模擬野兔，燒杯模擬一定的時間、空間。教師取14個燒杯，分為A、B兩組，每組7個燒杯，每個燒杯表示某年的某地區，再根據“J”型、“S”型曲線的增長特點，在每個燒杯中放入相應數目的玉米。學生通過標志重捕法，得出7年中A、B地區種群數量，繪制兩個地區種群數量動態變化曲線：“J”型曲線、“s”型曲線，再結合創設情景和實驗數據分析歸納出各模型的條件、增長特點。

2教學目標

2.1知識目標

①學會建構種群增長的數學模型；②依據數學模型解釋種群數量的變化。

2.2能力目標

①自主探究：根據創設的具體情景，用數學圖形來描述宏觀生物學中的生物數量動態變化的規律；②繪圖、識圖、析圖訓練：分析討論“J”型曲線和“s”型曲線的條件及特點。

2.3情感、態度與價值觀目標

①激發學習興趣，通過本節學習培養探索精神和團隊合作意識；②培養實事求是、認真嚴謹的科學態度以及簡約、嚴密的思維品質。

3教學重點和難點

3.1教學重點

嘗試建構種群增長的數學模型，并據此解釋種群數量的變化。

3.2教學難點

建構種群增長的數學模型。

4教學過程

課前準備：多媒體課件、實驗報告單、燒杯、培養皿、黃(白)玉米、直尺等。

4.1溫故知新，導入新課

教師提問1：(展示圖片)圖中的生物群體屬于生命系統的哪個結構層次?什么是種群?提問2：舉例，請學生判斷該群體是否屬于種群：①博斯騰湖里所有的魚；②教室里所有的學生和教師。通過這2個問題，教師幫助學生復習種群的概念及基本特征。

導入新課，教師設問：一個種群的基本特征是固定不變的嗎?這些基本特征改變的同時往往伴隨著種群什么的改變?學生這時會想到種群數量變化。教師順勢再問：自然界中，種群的數量可能會有哪幾種變化趨勢?學生可能的回答是：增長、下降、穩定、波動。

4.2創設情景，激發學生探索欲望

教師創設情景一：當某兔種群遷入一個新的、比較適宜的環境。問題1：其數量可能會出現以上的哪種趨勢?為什么?學生通過思考回答“增長”，因為生物都有過度繁殖的傾向。問題2：某兔種群的數量會一直增長下去嗎?受到什么因素的影響和制約?學生的回答有了分歧，教師要求雙方學生分析、討論如何通過實驗汪明自己的結論，鼓勵學生表達自己的實驗方案，并根據學生的方案，創設情境二。

教師創設情景二：現有一個野兔種群，把它分為相同數量的兩群，分別遷入兩個不同的區域(A組遷入澳大利亞草原，B組遷入塔里木盆地)，研究其數量變化。

教師告知學生，完成這樣的工作需要10～20年的時間，由于時間和空間的限制，因此開展模擬實驗。教師需要向學生介紹模擬實驗中的對應關系：燒杯模擬的是一定的時間和空間，燒杯標簽上寫有年限和地點。例如：這個燒杯標的是A.1859，那么它模擬的是1859年的澳大利亞，燒杯中的玉米模擬的是兔子。提出問題：大家看看A.1859年和A.1864年燒杯中玉米的數量相同么?為什么?學生很快回答野兔種群數量在增長。讓學生明白只有合作才可以測出1859N1865年，某地區種群數量的增長趨勢，培養學生的團隊合作意識。

4.3

引導學生掌握科學探究的步驟

對于高中生來說，他們有很強的探索欲望，希望通過自己的努力來獲得知識，但是，學生們在實驗過程中往往顯得慌亂，不知道該怎樣展開自己所設計的實驗。所以，教師要引導學生掌握科學探究的步驟。

教師引導學生討論得出以下幾點：①研究目標——建構種群的增長模型；②研究對象種群的數量；③研究方法——標志重捕法；④研究思路：定期統計種群的數量，描繪增長曲線圖；⑤研究方案：這是研究過程中較難的一部分，對于剛接觸探究性實驗的學生來說很困難，所以，給出了一些提示問題，學生通過提示問題4人一組討論實驗方案。(怎樣標志?標志數目?怎樣攪勻?怎樣重捕?重捕數目?重捕數目應大于還是小于標志數目?怎樣計算?列出公式。是否需要多次重復試驗?怎樣重復?如何處理這些數據?)教師要求學生匯報實驗方案并互評，規范實驗方案。

然后，教師再要求學生4人一組，明確分工，按課件提示步驟操作實驗，填寫實驗報告，8 min后，請大組長匯報各地區每年的實驗數據，并對個別“特殊組”的實驗偏差進行分析。然后告訴學生，生態學家都是在野外做重捕實驗，重復次數高達百余次，而且還要用生物統計學的方法處理數據，從而讓學生體會科學工作者的艱辛。

4.4分析結果，推出新知

根據兩組的的數據(表1)，繪出種群增長曲線(圖1、圖2)。

教師要求學生觀察圖1、2，并提問1：A組澳兔、B組塔兔圖像像英文字母中的什么字母?請學生描述.“J”型的增長趨勢。學生觀察思考回答增長形式分別為“J”型形，“s”型形；澳兔種群數量一直瘋長，塔兔種群數量增長到一定值時，則停止增長。提問2：為什么同樣是一種野兔，在澳大利亞和塔里木盆地，種群數量的增長趨勢會不同呢?學生會很快回答環境，然后根據相關地理知識分析澳大利亞和塔里木盆地的環境，并由此推出“J”、“S”模型的模型條件。總結環境不同，種群增長趨勢也有所不同，請學生舉例鞏固條件與模型對應關系。提問3：“J”、“s”的增長曲線有無最大值?最大值是否恒定不變?通過對實驗數據的計算分析“J”、“s”的增長曲線增長率的變化。學生根據實驗結果總結出“J”、“s”的增長曲線增長特點(表2)。

4.5學以致用，鞏固新知

教師創設情景讓學生將所學知識應用到生產實踐中，激發學生的學習興趣，趣味鞏固知識點。情景1：小李最近新建了一個養雞場，向各位專家請教如何才能增加雞的數量?引導學生回答小李的目的——想讓雞的種群增長，并且呈J型增長，所以給予相應的條件。

情景2：家鼠的繁殖力很強，種群每天增加速率為1.47％。一般是采用什么方法滅鼠的?有什么弊端嗎?學完這節課，你打算采取什么措施來控制家鼠的數量?學生據上例分析很快分析出：自然狀態下，家鼠種群呈s型增長，所以要通過改變環境來降低K值，并列舉出措施。

情景3：為了保護森林、魚類資源不受破壞，并能持續地獲得最大捕魚量、木材量，應使被捕魚群的種群數量保持在什么水平?為什么?學生通過思考回答。

總結：通過坐標圖，引導學生小結：J型曲線是在空間、食物等資源無限理想狀態下的種群增長曲線，體現了達爾文學說中生物都有過度繁殖的觀點；s型是在空間、食物等資源有限狀態下實際種群增長曲線，體現了達爾文學說中適者生存的觀點，而陰影部分則表示環境中影響種群增長的環境阻力，其數量表示通過生存斗爭被淘汰的個體數。

5教學體會

本節課設計了一個開放的體系，通過創設種群數量變化的具體情景及“三維模擬實驗”，讓學生經歷了一次知識的“探索與發現”，啟動了課堂探究，讓學生成為了知識的主動構建者。另外，通過本節課的表達和交流，學生的科學思維得到了培養，處理、分析、解決問題的能力和語言的表達交流能力得到了提高。