“生態系統的穩定性”單元教學設計

趙　蕾　喬文軍

（1北京市第十四中學　北京　100055　2北京教育科學研究院基礎教育研究中心　北京　100191）

生態系統是最高層次的生命系統，其多樣性和復雜性是其他生命系統所無法企及的。每一個生命都存在于特定的生態系統中，而生態系統中的每一個類群都時刻影響著其他類群和無機環境。生態系統中各組分及其之間的相互作用共同維系了生態系統的穩定性。但除極少的生態系統（如池塘生態系統）外，大部分生態系統連其邊界也不能確定，而各組分之間的相互作用有大有小、有顯有隱、有短時效也有長時效。因此，尋找到能服務于內容的教學資源并不容易，若能同時提升到德育層次更是不易。在本節課的設計中，將寓德資源與教學內容相整合，通過資源分析幫助學生落實科學生態觀，在思辨中產生共鳴，提高學生對自然的責任意識。

1　教材分析

人教版生物學必修3《穩態與環境》以不同生命系統（包括個體、種群、群落、生態系統在多變的環境中穩態維持及調節理論）為主線。“闡明生態系統的穩定性”是穩態與環境模塊中的核心內容之一，在本模塊中具有重要地位。該部分內容是在群落和生態系統結構和功能學習基礎上的升華，幫助學生將生態系統結構與功能相聯系，理解穩態實現的調節機制。

2　學情分析

生態系統的穩定性就是維持生態系統結構和功能相對穩定的狀態。這種穩態主要體現在生物多樣性高低、組分協調性、結構復雜化和功能完善化上。而穩態的維持卻是通過生命系統自身的調節而實現，調節能力大，維持穩態能力強；反之則弱。在已經初步了解了“反饋與穩態”關系的基礎上，學生通過本單元的學習，要對“反饋調節對于各個生命系統維持穩態具有重要意義”的觀點形成較深刻的認識，并進一步體會必修3《穩態與環境》的思想主線。在理解自然規律的基礎上，學生能夠對提高人工生態系統穩定性提出可行的建議和策略，也是對本節課的教學反饋。

2.1知識背景學生在學習必修3《穩態與環境》模塊的相關內容過程中，已經初步建立生命系統的穩態及其與環境的關系，也就是說穩態的實現離不開系統內各組分之間的相互作用，即自我調節。在結構和功能的知識基礎上，結合群落演替的動態變化過程，學習本節內容。

2.2能力背景高二學生基本適應高中生物學的學習節奏。初中階段側重于了解生命現象，而高中階段透過現象尋找本質的生物學習思維方式也基本建立。其次，利用數學模型研究生物學問題在“生物的進化”中也有基礎。

2.3求知欲生態環境問題與學生的實際生活聯系密切，生態系統的研究對于人類所面臨的許多全球資源與環境問題具有重要意義。尋找理論與實際的聯系，首先要理解生態系統自身的調節和穩態的維持。

3　教學目標

1）知識目標：闡述生態系統的自我調節能力；例說抵抗力穩定性和恢復力穩定性；簡述提高生態系統穩定性的措施。

2）能力目標：能夠繪制曲線圖并分析曲線間的變化聯系；通過數據分析，能提出問題并解決問題，理解生態系統結構復雜性與功能完善性的內在聯系。

3）情感態度與價值觀目標：通過資源分析，認同生態系統穩定性的重要性，以及生態系統中各組成部分的和諧、穩定、生死與共的密切關系。能夠關注人類活動對生態系統穩定性的影響，確認人類在生態系統整體中的正確位置，從而提升對自然的責任意識。

4　教學過程

4.1創設情境，導入新課山東煙臺昆崳山國家級自然保護區被譽為“膠東植物王國”。自20世紀80年代以來，這里的森林時常會遭受蟲災，一段時間后蟲災便會自行消失，從未發生過毀滅性的蟲災。干擾一直存在，而生態系統表現出一種相對平衡穩定的狀態，稱為生態系統的穩定性。

4.2生態系統的自我調節能力及其決定因素以山東昆崳山的“有蟲不成災”為引入，落腳于生態系統的自我調節能力。通過對森林害蟲及其天敵的種群數量調查，引導學生采取由數據到圖形的轉換，更加直觀地發現害蟲數量變化與其天敵數量變化之間的關系，即為生態系統自我調節能力的一種體現。而這樣的調節過程學生不難聯系到之前學習過的（負）反饋調節，進而認識到負反饋調節對于從個體到生態系統等不同層面的生命系統維持穩態的重要性。

不同生態系統的自我調節能力不同，決定因素是什么？美國生態學家大衛·提爾曼在同一地區針對不同物種豐度的樣地進行生態系統穩定性機制的研究。教師以科學史資料分析引導學生探討生態系統結構與自我調節能力大小的關系。直接的數據分析可以肯定，結構越復雜，這種自我調節能力越強。原因是什么？隨著層層深入的質疑，師生一起追尋生態系統的結構復雜性與功能完善性的內在根本聯系。純林中大量的松毛蟲不但不能吸引更多種類和數量的天敵控制和減少松毛蟲的數量，還會使松毛蟲成災，最終導致樹木的凋零。原來，生物之間直接或間接的食物聯系僅僅是生態系統中各組分相互作用的一個方面，捕食者并不完全依賴被捕食者完成生存和繁殖。換句話說，被捕食者并不是捕食者生存延續的唯一需求。

以松毛蟲的天敵之一赤小峰為例說明。赤小峰是松毛蟲的重要天敵，能寄生于松毛蟲卵中從而遏制松毛蟲的數量增加。但松毛蟲不是赤小峰生存的唯一條件。羽化的赤小峰成蟲依然需要進食以保證繁殖之需，這時它的食物來源是某些植物的花蜜。自然結構簡單的純林中成蟲的食物來源少，直接影響雌性赤小峰成蟲的產卵數量和質量。而且赤小峰也有天敵需要躲避，更加復雜的生態系統也會有更多的躲避場所。看來，食物來源多樣化、棲息環境復雜化的生態系統更適合它們的生存和繁衍，結構簡單的純林卻恰恰不能滿足這些。通過教師提供資料，師生共同分析得出，生態系統作為一個整體，各組分之間錯綜復雜的相互關系及相互作用是負反饋調節的作用路徑，作用路徑越多，調節就越精細，生態系統維持自身穩態的能力就越強，進而維持了整體的存在和延續。

生態系統結構和穩定性之間的關系幫助學生建立起生態系統整體性意識。學生從害蟲及其天敵的種群數量入手，發現其中的矛盾（松毛蟲數量的增加沒有引發其天敵數量的大爆發），進而為解決矛盾產生求知欲。害蟲數量增加，天敵數量隨之增加，進而抑制害蟲數量增加。要達到這樣的負反饋調節過程，需要生態系統中除害蟲及其天敵以外曾被忽視的其他條件支持。如果條件不夠，該調節過程將無法完成，最終導致害蟲數量無法控制，偏離穩態。通過分析，生態整體觀深深烙在學生的心上，牽一發而動全身。蘇聯作家列昂諾夫在《俄羅斯森林》里曾這樣寫道：“自然界是統一的有機體，從長遠來看，牽動他的任何一點，都會對整個有機體產生影響，即使在最邊遠的部分也是如此。”

4.3生態系統穩定性概念形成通過上述分析，學生能夠認識到生態系統通過負反饋調節對來自系統內、外的干擾具有一定的抵抗力，這稱為抵抗力穩定性。但是，在保護區內也有一些村落，人們到附近的林地砍柴、放牧、甚至偷獵，嚴重影響了害蟲天敵的生存和繁衍，天敵的匱乏使得這些地區蟲災不斷。在這個過程中，可以理解為人類的過度活動中斷了負反饋調節的作用路徑，導致穩態失調。保護區管理人員劃出一定的區域實行封山措施禁止人類繼續干擾，幾年后封山林地的蟲災不再發生，人們調查封山林地和未封山林地中的害蟲類群以及天敵類群的種類和數量，發現封山林地天敵種類和數量大大超過未封山林地。干擾破壞了生態系統的結構，消除干擾后一段時間，生態系統又恢復了原有的結構和功能，這也體現了穩定性，稱之為恢復力穩定性。在此基礎上，教師引導學生總結生態系統穩定性概念。

4.4分析具體事例，提升生態責任意識本節教學的最后一個環節是人類活動對生態系統穩定性的影響。在教學設計的最后，再回到山東昆崳山林場。當時人們發現森林局部有較嚴重的蟲災，便用殺蟲劑滅蟲，希望避免或減少林場的損失。后來殺蟲劑的用量和滅蟲面積越來越大，殺蟲劑用量增加幾十倍，從開始顯著的滅蟲效果，到最后僅10%～25%的滅蟲率，大面積毀滅性的蟲災使原本郁郁蔥蔥的森林幾乎變成了荒山禿嶺。過量的殺蟲劑非但不能消滅蟲災，反而加速了森林生態系統的滅亡。人類善良的初衷換來了不可拯救的結局。

在這樣的情境中，學生再也忍不住內心的呼喚：大面積赤松純林的種植是罪魁禍首。純林生態系統的結構過于簡單，自我調節能力弱，不能抵御蟲災干擾。而人類的滅蟲舉措更是導致害蟲天敵的大量死亡和遷移，生態系統的結構更加趨于簡單，自我調節能力進一步減小。最終，過度干擾造成生態系統喪失了自我調節能力，恢復起來非常困難，至少不是幾年甚至幾十年能夠完成的。由此，學生能夠體會生態系統自我調節能力是有限的。

痛定思痛，人們重新確定了營林和防治蟲害的方針，決定營造混交林，運用生物防治法。造林結束后，加強封山育林等措施，混交林結構日趨完善。2008年國家林業局網站上曾報道：生態系統穩定，山東昆崳山現狼蹤。狼在森林生態系統中屬于最高營養級，它的出現說明生態系統營養結構更加復雜，自我調節能力增強，生態系統穩定性提高。人類曾經為了保護馴鹿而打狼。人類根據自己的好惡來對待狼，不但沒能保護馴鹿，還破壞了整個生態系統。要全面認識和理解狼就必須理解它在生態系統中的作用。在保護馴鹿而不是毀滅馴鹿的過程中，狼扮演著極其重要的角色。生態系統中的所有生物之間都有著環環相扣的密切聯系，人類大規模地消耗甚至滅絕任何一個物種，都有可能導致另一些物種的災難，進而導致整個生態系統的紊亂和向系統的崩潰逼近。

在這樣的資源分析中，學生需要不斷地思考。殺蟲劑的殺蟲效果為什么越來越差？生態系統結構簡單化引發生態系統自我調節能力的變化趨勢怎樣？科學造林應怎樣做？對待害蟲應該保持何種態度？所謂“害蟲”，也是生態系統中不可或缺的重要一員，沒有“害蟲”，何來“益蟲”！人類的舉措是那樣的愚蠢，這是對生態學知識無知、生態理論匱乏而又自以為是的結果。學生的反應是強烈的，因為他們是在具備一定的生態系統穩定性知識前提下去討論去分析。這或許也能證實科學的力量。

尊重生態系統中的每一個成員，每一個細節。《寂靜的春天》一書中，卡森沉重地寫道：“……如果我們還打算給后代留下自然界的生命氣息，就必須學會尊重這個精美細致但又十分脆弱的自然生命之網，以及網絡上的每一個聯結。”

5　教學反思

1）整合資源，在同一情境下展開各環節教學。在本節教學中，始終以森林蟲害干擾為背景完成生態系統穩定性的教學，在設計思路形成和資料查找中遇到很多困難。但一節課處于同一背景下，這利于學生在一個問題上進行更加深入的思考和相關概念的理解。

2）從設計的角度，加強了高二學生的能力訓練。每一個教學資料都來自研究事實，每一個研究事實需要學生從數據和圖表開始進行邏輯分析。學生在教師的引導下能夠完成從數據、圖表到生態學相關理論的形成，達到了預設目標。

3）教學過程中能夠主動回答問題的學生不多，有些學生雖然主動思考，但怯于表達。今后要在調動大多數學生的主動表達上仔細思考，力求一節課上多數學生都能表達自己的意見和看法。

4）始終以森林蟲害干擾為背景完成生態系統穩定性的教學設計。雖然利于學生在一個問題上進行更加深入的思考和相關概念的理解，但是生態系統面臨的干擾類型多種多樣，在后續的教學中或者結合相關練習題還應補充其他的干擾形式和可能的干擾結果。例如火災干擾，河流污染等。

［1］蘭瑩,張志.楊樹防護林蛀干害蟲及其天敵的調查與分析.吉林林業科技,2014，43(3):34.

［2］Perter H Raven，George B Johnson.生物學.6 版.北京：清華大學出版社，2008.

［3］陳昌潔.松毛蟲綜合管理.北京：中國林業出版社，1990.