融入學術研究成果的“生態系統的信息傳遞”一節教學設計

姚亭秀

(北京市第八十中學 北京 100102)

1 教材分析與設計思路

人教版高中生物學必修3第5章第4節“生態系統的信息傳遞”內容，與之前學習的生態系統的能量流動、物質循環一起，構成生態系統的三大功能，三者共同維系生態系統的穩定，也為學習下一節“生態系統的穩定性”奠定基礎。本節的主要內容是生態系統中的信息種類和作用，以及信息傳遞在農業生產中的應用，前者是重點和難點。教師應在教學中引導學生理解生態系統信息傳遞的作用，認同信息傳遞對調節穩態的重要意義，并滲透對學生學科核心素養的培養。將學術研究成果與相關內容合理整合，可以使學生在剖析科研成果中深化學習、體悟生物學核心概念，提高其科學思維、科學探究等生物學科素養。

2 教學目標

基于課程標準并圍繞培養學生的核心素養，制訂如下教學目標：

(1) 通過對實驗數據的關聯性分析，認同生命系統是一個穩態和平衡的系統，該系統的穩態調節離不開信息傳遞。

(2) 通過對真實研究素材統計結果的討論，能對實驗現象和結果進行解釋、分析，剖析生態系統中信息傳遞的作用。

(3) 能夠合理設計實驗方案，對生態系統中的信息種類進行初步判斷。

(4) 能夠利用生態系統中信息傳遞的作用,對農業生產的可持續發展提出有價值的建議。

3 教學過程

3.1 導入 教師以“犬吠含義知多少？”引出學生對犬吠作用的思考，為后續犬吠功能的探究實驗分析埋下伏筆。

3.2 分析實驗 剖析現象 教師借助平板電腦，為學生提供真實的研究實驗素材[1]，將播放器安在樹上隱蔽的位置(各播放器的間隔距離約為50m，以保證兩個研究領域之間的播放聲音互不干擾)，采用數碼相機記錄浣熊聽到10s的犬吠聲或北海獅叫聲后的行為反應，并進行數據統計(圖1a、圖1b)。每播放6天的犬吠聲或北海獅叫聲(每天播放10s、安靜20s，播放10s、安靜20s，循環進行)，停播1天，以此循環4次，28天為一個周期，之后進行數據統計(圖1c、圖1d，圖2，圖3)[1]。出示實驗結果并提出問題： 三個實驗結果依次得出怎樣的結論？學生以小組的形式分析實驗結果、表述實驗結論后達成統一： 實驗結果1說明，在播放犬吠聲之后，浣熊留在研究區域繼續覓食的幾率和接下來一分鐘內用于覓食的時間都降低；在整整一個月的重復實驗后，它們逗留在研究區域的時間變短，覓食總時間也下降。實驗結果2說明，浣熊食物的數量都有所提升。實驗結果3說明，紅黃道蟹的食物杜父魚和競爭者玉黍螺數量都下降。

圖1 實驗處理后短期(a、 b)及長期(c、 d)浣熊行為變化

圖2 該生境中螃蟹、魚、沙蠶、紅黃道蟹一個月后的數量

圖3 一個月的播放實驗對杜父魚和玉黍螺數量的影響

之后，教師提問： 三個實驗結果之間有何關聯，試用簡單關聯圖描述。學生討論后，繪制關聯圖，教師借學生繪制的關聯圖明確三個實驗結果之間的邏輯關系(圖4)。在此基礎上，進一步提出問題： 本研究揭示“犬吠”具有怎樣的功能？有了之前問題的鋪墊，學生能快速說出：“犬吠”是一種信息，它能調節種間關系，維持生態系統的穩定。這樣借助具體的學術研究成果，使學生對生態系統中信息傳遞的作用進行了剖析，并適時培養了學生獲取信息、分析問題的能力，實現透過現象挖掘背后的生物學本質、在科研成果中深化學習的目的[2]。

圖4 三個實驗結果之間的邏輯關系

3.3 閱讀教材 知識推進 教師提問：“生態系統中的信息種類有哪些？”引導學生通過閱讀教材相關內容，明確生態系統的信息種類。然后教師出示練習題： 下列自然現象中，信息源為行為信息的是( )A.小狗在草叢中撒幾滴尿；B.昆蟲撞上蜘蛛網，引起蜘蛛網震動，蜘蛛迅速爬向振源；C.蜜蜂通過“跳舞”告訴同伴蜜源距蜂箱的遠近；D.蝙蝠自身發出聲波，對目標進行“回聲定位”；E.吃草的小牛碰到薄荷等氣味重的植物，立即躲開；F.蟋蟀鳴叫以爭奪領地。根據學生的答題情況，判斷對此知識點的掌握情況。

3.4 設計實驗 能力培養 教師提供素材： 為了探索紅鈴麥蛾交配求偶的秘密，科研人員進行如下實驗： ①將未交配的紅鈴麥雌蛾放在誘捕器中，將誘捕器懸掛于田間，一夜后，發現捕捉到許多同種雄蛾。②將未交配的紅鈴麥雌蛾先放到封閉的玻璃管中，再將封閉玻璃管放在誘捕器中，將誘捕器懸掛于田間，一夜后，發現未捕捉到雄蛾。③將未交配的紅鈴麥雌蛾腹部用小刀割掉，再將雌蛾放在誘捕器中，將誘捕器懸掛于田間，一夜后，發現未捕捉到雄蛾。隨后提出問題： 紅鈴麥蛾交配求偶過程的信息類型是哪一種？你的判斷依據是什么？

學生閱讀素材后，會對紅鈴麥蛾求偶的信息種類進行推測，認為是物理信息或化學信息。教師追問： 如何確定該信息種類是物理信息還是化學信息？學生基于對物理信息、化學信息的共性和特性的認知而快速思考并設計實驗。在學生表述實驗設計后，教師提供另一項研究成果[3]： 將紅鈴麥雌蛾腹部末端3節剪下，浸入盛有二氯甲烷溶液的廣口瓶中，將其搗碎為勻漿狀，過濾、棄殘渣后，放入收集瓶備用。滴微量上述溶液于一濾紙，再放入誘捕器，一晚可誘捕775頭紅鈴麥雄蛾。且上海昆蟲研究所人工化學合成了紅鈴麥蛾的性引誘劑——十六碳烯醇酯，1mg該物質可誘捕到150m外的雄蛾。這樣學生既明確了這種求偶的信息為化學信息，也認識到該化學信息所具有的一些特性，如揮發性、高效性等，并體會到人類對自然界的認識，是靠觀察、推測、實驗、驗證等一系列嚴謹的邏輯思維串聯起來的。在此基礎上教師進一步追問： 生態系統的信息傳遞具有怎樣的功能？了解昆蟲交配求偶的“秘密”，對人類生產實踐有何指導意義？學生討論發言后，教師總結生態系統中信息傳遞的兩大功能： 影響種群繁衍、影響生命活動的正常進行。相關知識可用于解決生產實踐的問題： 如利用信息素吸引益蟲為農作物傳粉從而提高農作物和畜產品產量，利用信息素誘捕害蟲，從而通過影響害蟲的性別比例降低其出生率、種群密度，實現對有害動物的控制等。

3.5 知識串聯 拓展提升 教師提出問題：“信息傳遞是否僅存在于群體水平、個體水平？”引導學生明確細胞間存在信息傳遞，如借神經遞質實現的神經細胞間的信息傳遞；細胞內存在信息傳遞，如遺傳信息由DNA流向RNA、再到蛋白質的信息傳遞。使學生體會信息傳遞在維持穩態方面的重要意義，構建生物學核心概念——“信息交流對維持穩態具有重要作用”。

4 教學反思

學生通常很難直觀地理解生態系統信息傳遞的作用，也難體會實驗對生物學發展的重要意義，對信息傳遞的普遍性也缺乏足夠認識。因此，建構生物學核心概念“信息交流對維持穩態具有重要作用”比較困難。本教學設計以真實的科學研究為素材，采取坐標圖數據展示、現象描述等方式，引導學生獲取、處理、轉換信息，并使學生結合所學知識合理推測、解決問題，應用知識，實現對其科學思維、科學探究等生物學科素養的培養，為其終身學習奠定基礎。