摘要 敘述了根據(jù)創(chuàng)設(shè)的種群數(shù)量變化的具體情景，首次通過(guò)“三維模擬實(shí)驗(yàn)”，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)標(biāo)志重捕法，自行繪制J型曲線、s型曲線并結(jié)合創(chuàng)設(shè)情景及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析總結(jié)各模型的條件、增長(zhǎng)特點(diǎn)，構(gòu)建種群增長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型，取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞

標(biāo)志重捕法 三維模擬實(shí)驗(yàn) 數(shù)學(xué)模型

中圖分類號(hào)G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B

1教材分析和設(shè)計(jì)思路

人教版《普通高中課程新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)——生物》高中必修三第四章“種群和群落”的第二節(jié)是“種群數(shù)量的變化”。本節(jié)課是在學(xué)生學(xué)習(xí)了種群的特征及利用標(biāo)志重捕法測(cè)定種群數(shù)量的基礎(chǔ)上展開(kāi)的一節(jié)內(nèi)容，是本章的重點(diǎn)、難點(diǎn)。

課程標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于本節(jié)的指導(dǎo)思想是“嘗試建立數(shù)學(xué)模型解釋種群數(shù)量的變動(dòng)”，這是高中首次明確的用數(shù)學(xué)模型來(lái)解決生物學(xué)問(wèn)題。在科學(xué)研究中，數(shù)學(xué)模型是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題和探索新規(guī)律的有效途徑之一，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，有利于培養(yǎng)學(xué)生透過(guò)現(xiàn)象揭示本質(zhì)的洞察能力；同時(shí)，通過(guò)科學(xué)與數(shù)學(xué)的整合，有利于培養(yǎng)學(xué)生簡(jiǎn)約嚴(yán)密的思維品質(zhì)。

依據(jù)種群增長(zhǎng)趨勢(shì)會(huì)因環(huán)境不同而出現(xiàn)區(qū)別，設(shè)計(jì)這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：將野兔種群分為兩部分，分別遷往兩個(gè)環(huán)境(A為理想環(huán)境——澳大利亞草原，B為一般的自然環(huán)境——塔里木盆地)，研究種群數(shù)量變化。

由于時(shí)空限制，課堂中轉(zhuǎn)化為模擬實(shí)驗(yàn)：玉米模擬野兔，燒杯模擬一定的時(shí)間、空間。教師取14個(gè)燒杯，分為A、B兩組，每組7個(gè)燒杯，每個(gè)燒杯表示某年的某地區(qū)，再根據(jù)“J”型、“S”型曲線的增長(zhǎng)特點(diǎn)，在每個(gè)燒杯中放入相應(yīng)數(shù)目的玉米。學(xué)生通過(guò)標(biāo)志重捕法，得出7年中A、B地區(qū)種群數(shù)量，繪制兩個(gè)地區(qū)種群數(shù)量動(dòng)態(tài)變化曲線：“J”型曲線、“s”型曲線，再結(jié)合創(chuàng)設(shè)情景和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析歸納出各模型的條件、增長(zhǎng)特點(diǎn)。

2教學(xué)目標(biāo)

2.1知識(shí)目標(biāo)

①學(xué)會(huì)建構(gòu)種群增長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型；②依據(jù)數(shù)學(xué)模型解釋種群數(shù)量的變化。

2.2能力目標(biāo)

①自主探究：根據(jù)創(chuàng)設(shè)的具體情景，用數(shù)學(xué)圖形來(lái)描述宏觀生物學(xué)中的生物數(shù)量動(dòng)態(tài)變化的規(guī)律；②繪圖、識(shí)圖、析圖訓(xùn)練：分析討論“J”型曲線和“s”型曲線的條件及特點(diǎn)。

2.3情感、態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)

①激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，通過(guò)本節(jié)學(xué)習(xí)培養(yǎng)探索精神和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)；②培養(yǎng)實(shí)事求是、認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度以及簡(jiǎn)約、嚴(yán)密的思維品質(zhì)。

3教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)

3.1教學(xué)重點(diǎn)

嘗試建構(gòu)種群增長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型，并據(jù)此解釋種群數(shù)量的變化。

3.2教學(xué)難點(diǎn)

建構(gòu)種群增長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型。

4教學(xué)過(guò)程

課前準(zhǔn)備：多媒體課件、實(shí)驗(yàn)報(bào)告單、燒杯、培養(yǎng)皿、黃(白)玉米、直尺等。

4.1溫故知新，導(dǎo)入新課

教師提問(wèn)1：(展示圖片)圖中的生物群體屬于生命系統(tǒng)的哪個(gè)結(jié)構(gòu)層次?什么是種群?提問(wèn)2：舉例，請(qǐng)學(xué)生判斷該群體是否屬于種群：①博斯騰湖里所有的魚(yú)；②教室里所有的學(xué)生和教師。通過(guò)這2個(gè)問(wèn)題，教師幫助學(xué)生復(fù)習(xí)種群的概念及基本特征。

導(dǎo)入新課，教師設(shè)問(wèn)：一個(gè)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(shí)往往伴隨著種群什么的改變?學(xué)生這時(shí)會(huì)想到種群數(shù)量變化。教師順勢(shì)再問(wèn)：自然界中，種群的數(shù)量可能會(huì)有哪幾種變化趨勢(shì)?學(xué)生可能的回答是：增長(zhǎng)、下降、穩(wěn)定、波動(dòng)。

4.2創(chuàng)設(shè)情景，激發(fā)學(xué)生探索欲望

教師創(chuàng)設(shè)情景一：當(dāng)某兔種群遷入一個(gè)新的、比較適宜的環(huán)境。問(wèn)題1：其數(shù)量可能會(huì)出現(xiàn)以上的哪種趨勢(shì)?為什么?學(xué)生通過(guò)思考回答“增長(zhǎng)”，因?yàn)樯锒加羞^(guò)度繁殖的傾向。問(wèn)題2：某兔種群的數(shù)量會(huì)一直增長(zhǎng)下去嗎?受到什么因素的影響和制約?學(xué)生的回答有了分歧，教師要求雙方學(xué)生分析、討論如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)汪明自己的結(jié)論，鼓勵(lì)學(xué)生表達(dá)自己的實(shí)驗(yàn)方案，并根據(jù)學(xué)生的方案，創(chuàng)設(shè)情境二。

教師創(chuàng)設(shè)情景二：現(xiàn)有一個(gè)野兔種群，把它分為相同數(shù)量的兩群，分別遷入兩個(gè)不同的區(qū)域(A組遷入澳大利亞草原，B組遷入塔里木盆地)，研究其數(shù)量變化。

教師告知學(xué)生，完成這樣的工作需要10～20年的時(shí)間，由于時(shí)間和空間的限制，因此開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn)。教師需要向?qū)W生介紹模擬實(shí)驗(yàn)中的對(duì)應(yīng)關(guān)系：燒杯模擬的是一定的時(shí)間和空間，燒杯標(biāo)簽上寫(xiě)有年限和地點(diǎn)。例如：這個(gè)燒杯標(biāo)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(wèn)題：大家看看A.1859年和A.1864年燒杯中玉米的數(shù)量相同么?為什么?學(xué)生很快回答野兔種群數(shù)量在增長(zhǎng)。讓學(xué)生明白只有合作才可以測(cè)出1859N1865年，某地區(qū)種群數(shù)量的增長(zhǎng)趨勢(shì)，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。

4.3

引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)探究的步驟

對(duì)于高中生來(lái)說(shuō)，他們有很強(qiáng)的探索欲望，希望通過(guò)自己的努力來(lái)獲得知識(shí)，但是，學(xué)生們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中往往顯得慌亂，不知道該怎樣展開(kāi)自己所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)。所以，教師要引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)探究的步驟。

教師引導(dǎo)學(xué)生討論得出以下幾點(diǎn)：①研究目標(biāo)——建構(gòu)種群的增長(zhǎng)模型；②研究對(duì)象種群的數(shù)量；③研究方法——標(biāo)志重捕法；④研究思路：定期統(tǒng)計(jì)種群的數(shù)量，描繪增長(zhǎng)曲線圖；⑤研究方案：這是研究過(guò)程中較難的一部分，對(duì)于剛接觸探究性實(shí)驗(yàn)的學(xué)生來(lái)說(shuō)很困難，所以，給出了一些提示問(wèn)題，學(xué)生通過(guò)提示問(wèn)題4人一組討論實(shí)驗(yàn)方案。(怎樣標(biāo)志?標(biāo)志數(shù)目?怎樣攪勻?怎樣重捕?重捕數(shù)目?重捕數(shù)目應(yīng)大于還是小于標(biāo)志數(shù)目?怎樣計(jì)算?列出公式。是否需要多次重復(fù)試驗(yàn)?怎樣重復(fù)?如何處理這些數(shù)據(jù)?)教師要求學(xué)生匯報(bào)實(shí)驗(yàn)方案并互評(píng)，規(guī)范實(shí)驗(yàn)方案。

然后，教師再要求學(xué)生4人一組，明確分工，按課件提示步驟操作實(shí)驗(yàn)，填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，8 min后，請(qǐng)大組長(zhǎng)匯報(bào)各地區(qū)每年的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)個(gè)別“特殊組”的實(shí)驗(yàn)偏差進(jìn)行分析。然后告訴學(xué)生，生態(tài)學(xué)家都是在野外做重捕實(shí)驗(yàn)，重復(fù)次數(shù)高達(dá)百余次，而且還要用生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法處理數(shù)據(jù)，從而讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)工作者的艱辛。

4.4分析結(jié)果，推出新知

根據(jù)兩組的的數(shù)據(jù)(表1)，繪出種群增長(zhǎng)曲線(圖1、圖2)。

教師要求學(xué)生觀察圖1、2，并提問(wèn)1：A組澳兔、B組塔兔圖像像英文字母中的什么字母?請(qǐng)學(xué)生描述.“J”型的增長(zhǎng)趨勢(shì)。學(xué)生觀察思考回答增長(zhǎng)形式分別為“J”型形，“s”型形；澳兔種群數(shù)量一直瘋長(zhǎng)，塔兔種群數(shù)量增長(zhǎng)到一定值時(shí)，則停止增長(zhǎng)。提問(wèn)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(shù)量的增長(zhǎng)趨勢(shì)會(huì)不同呢?學(xué)生會(huì)很快回答環(huán)境，然后根據(jù)相關(guān)地理知識(shí)分析澳大利亞和塔里木盆地的環(huán)境，并由此推出“J”、“S”模型的模型條件?？偨Y(jié)環(huán)境不同，種群增長(zhǎng)趨勢(shì)也有所不同，請(qǐng)學(xué)生舉例鞏固條件與模型對(duì)應(yīng)關(guān)系。提問(wèn)3：“J”、“s”的增長(zhǎng)曲線有無(wú)最大值?最大值是否恒定不變?通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算分析“J”、“s”的增長(zhǎng)曲線增長(zhǎng)率的變化。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出“J”、“s”的增長(zhǎng)曲線增長(zhǎng)特點(diǎn)(表2)。

4.5學(xué)以致用，鞏固新知

教師創(chuàng)設(shè)情景讓學(xué)生將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，趣味鞏固知識(shí)點(diǎn)。情景1：小李最近新建了一個(gè)養(yǎng)雞場(chǎng)，向各位專家請(qǐng)教如何才能增加雞的數(shù)量?引導(dǎo)學(xué)生回答小李的目的——想讓雞的種群增長(zhǎng)，并且呈J型增長(zhǎng)，所以給予相應(yīng)的條件。

情景2：家鼠的繁殖力很強(qiáng)，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(xué)完這節(jié)課，你打算采取什么措施來(lái)控制家鼠的數(shù)量?學(xué)生據(jù)上例分析很快分析出：自然狀態(tài)下，家鼠種群呈s型增長(zhǎng)，所以要通過(guò)改變環(huán)境來(lái)降低K值，并列舉出措施。

情景3：為了保護(hù)森林、魚(yú)類資源不受破壞，并能持續(xù)地獲得最大捕魚(yú)量、木材量，應(yīng)使被捕魚(yú)群的種群數(shù)量保持在什么水平?為什么?學(xué)生通過(guò)思考回答。

總結(jié)：通過(guò)坐標(biāo)圖，引導(dǎo)學(xué)生小結(jié)：J型曲線是在空間、食物等資源無(wú)限理想狀態(tài)下的種群增長(zhǎng)曲線，體現(xiàn)了達(dá)爾文學(xué)說(shuō)中生物都有過(guò)度繁殖的觀點(diǎn)；s型是在空間、食物等資源有限狀態(tài)下實(shí)際種群增長(zhǎng)曲線，體現(xiàn)了達(dá)爾文學(xué)說(shuō)中適者生存的觀點(diǎn)，而陰影部分則表示環(huán)境中影響種群增長(zhǎng)的環(huán)境阻力，其數(shù)量表示通過(guò)生存斗爭(zhēng)被淘汰的個(gè)體數(shù)。

5教學(xué)體會(huì)

本節(jié)課設(shè)計(jì)了一個(gè)開(kāi)放的體系，通過(guò)創(chuàng)設(shè)種群數(shù)量變化的具體情景及“三維模擬實(shí)驗(yàn)”，讓學(xué)生經(jīng)歷了一次知識(shí)的“探索與發(fā)現(xiàn)”，啟動(dòng)了課堂探究，讓學(xué)生成為了知識(shí)的主動(dòng)構(gòu)建者。另外，通過(guò)本節(jié)課的表達(dá)和交流，學(xué)生的科學(xué)思維得到了培養(yǎng)，處理、分析、解決問(wèn)題的能力和語(yǔ)言的表達(dá)交流能力得到了提高。