鄭燦偉 （廣東廣雅中學(xué) 廣東廣州 510160）

種群數(shù)量研究是研究種群特征的重要方面，而了解種群數(shù)量是如何增長(zhǎng)的，則是研究種群數(shù)量變化的重要方式。在本節(jié)教學(xué)中，通過(guò)理解“穩(wěn)態(tài)與平衡”等生命觀念，學(xué)習(xí)歸納與概括、模型與建模等科學(xué)思維，構(gòu)建“種群數(shù)量增長(zhǎng)”的高效學(xué)習(xí)課堂。

1 應(yīng)用情境承載知識(shí)

情境是生物學(xué)知識(shí)的載體，情境的合理創(chuàng)設(shè)可吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情[1]。在本節(jié)教學(xué)中，可引入以下情境，例如，歐洲小龍蝦泛濫、澳大利亞野兔數(shù)量增長(zhǎng)、高斯研究草履蟲(chóng)數(shù)量變化實(shí)驗(yàn)、家中如何有效滅鼠等。情境的引入，有利于活躍課堂氣氛、吸引學(xué)生的注意，促進(jìn)教學(xué)活動(dòng)有序開(kāi)展，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

2 創(chuàng)設(shè)問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)習(xí)

注重問(wèn)題設(shè)計(jì)，突出探究導(dǎo)向，通過(guò)一系列問(wèn)題帶動(dòng)學(xué)生思維活動(dòng)，培養(yǎng)歸納與概括的思維方法，構(gòu)建知識(shí)概念。例如，對(duì)于“大腸桿菌的數(shù)量變化”的探究，可創(chuàng)設(shè)以下問(wèn)題，層層遞進(jìn)學(xué)習(xí)J型增長(zhǎng)模型。

問(wèn)題1：細(xì)菌每20 min 就通過(guò)分裂繁殖一代，如何用橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示數(shù)量，繪制該坐標(biāo)曲線？

問(wèn)題2：該曲線如何用數(shù)學(xué)方程式進(jìn)行表示？（構(gòu)建數(shù)學(xué)方程式Nt＝2t）

問(wèn)題3：如果細(xì)菌的初始數(shù)量為N0個(gè)，如何修正原方程式？（引入初始值N0對(duì)公式進(jìn)行修正，Nt＝N02t）

問(wèn)題4：若在自然界中，某種昆蟲(chóng)的增長(zhǎng)倍數(shù)是λ，如何對(duì)公式進(jìn)行修正？（引入增長(zhǎng)倍數(shù)λ，進(jìn)一步完善公式：Nt＝Noλt）

再如，對(duì)于“高斯研究大草履蟲(chóng)數(shù)量變化實(shí)驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)分析，可通過(guò)創(chuàng)設(shè)以下問(wèn)題帶動(dòng)學(xué)習(xí)進(jìn)程，使學(xué)生掌握S 型增長(zhǎng)的特點(diǎn)。

問(wèn)題1：為何大草履蟲(chóng)數(shù)量在實(shí)際生活中不是J 型增長(zhǎng)？（引入資源和空間等限制因素）

問(wèn)題2：為何大草履蟲(chóng)數(shù)量增長(zhǎng)曲線會(huì)呈現(xiàn)S型增長(zhǎng)？（解析S 型增長(zhǎng)曲線變化過(guò)程）

問(wèn)題3：若用曲線表示時(shí)間與大草履蟲(chóng)的增長(zhǎng)速率的關(guān)系，應(yīng)如何繪制？（推導(dǎo)S 型增長(zhǎng)曲線的增長(zhǎng)速率）

問(wèn)題4：草原上散養(yǎng)某種家畜，若要持續(xù)地收獲該家畜種群中的個(gè)體，最好在哪個(gè)時(shí)間段進(jìn)行捕獲？為什么？（應(yīng)用S 型增長(zhǎng)曲線的增長(zhǎng)速率，解決實(shí)際問(wèn)題）

3 深化概念理解本質(zhì)

概念是生物學(xué)知識(shí)體系的基礎(chǔ)，學(xué)生在學(xué)習(xí)生態(tài)學(xué)概念的基礎(chǔ)上，才能建立相關(guān)的生命觀念。學(xué)生通過(guò)抽象與概括種群數(shù)量變化現(xiàn)象，建立穩(wěn)態(tài)與平衡的生命觀念，提高在新的情境中解決有關(guān)問(wèn)題的能力。

例如，關(guān)于“環(huán)境容納量”概念的學(xué)習(xí)，學(xué)生可能會(huì)誤以為“環(huán)境容納量是指種群的最大數(shù)量”，然而這是一個(gè)錯(cuò)誤概念。如圖1 所示，若從數(shù)量分析，該種群的最大數(shù)量是a 點(diǎn)，顯然不是環(huán)境容納量[2]。準(zhǔn)確地說(shuō)，環(huán)境容納量是環(huán)境對(duì)具體某種生物在一定空間中的一個(gè)預(yù)設(shè)值，種群數(shù)量變化會(huì)圍繞該預(yù)設(shè)值發(fā)生上下波動(dòng)，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。因此，環(huán)境容納量的合理表示是“環(huán)境條件不受破壞的情況下，一定空間中所能維持的種群最大數(shù)量”，強(qiáng)調(diào)的是“所能維持的種群最大數(shù)量”，而不是“達(dá)到的最大數(shù)量”。通過(guò)對(duì)“環(huán)境容納量”概念的學(xué)習(xí)，學(xué)生自然而然地掌握了“穩(wěn)態(tài)與平衡”的生命觀念。

圖1 S 型曲線的環(huán)境容納量

4 擴(kuò)展思維提高素養(yǎng)

本節(jié)課既基于生物數(shù)量增長(zhǎng)現(xiàn)象推理數(shù)量變化過(guò)程，構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型(方程式和曲線圖)，并進(jìn)行綜合應(yīng)用，即“現(xiàn)象→推理→建?！\(yùn)用”的“模型與構(gòu)建”的科學(xué)思維過(guò)程；又可繼續(xù)深化思維訓(xùn)練，通過(guò)以下幾個(gè)方面的探究過(guò)程，以深化思維的深度與廣度。

探究1：S 型曲線增長(zhǎng)初期是否就是J 型增長(zhǎng)？

首先，若從數(shù)學(xué)模型角度分析，J 型是不受環(huán)境制約的增長(zhǎng)模型，增長(zhǎng)率不變；S 型曲線是始終都會(huì)受環(huán)境制約的增長(zhǎng)模型，密度越大，制約作用越強(qiáng)，增長(zhǎng)率逐漸降低。因此，2 條曲線是不可能出現(xiàn)重合的情況[3]。其次，考慮種群的實(shí)際增長(zhǎng)過(guò)程，由于種群增長(zhǎng)初期，資源和空間相當(dāng)充裕，環(huán)境阻力幾乎可忽略不計(jì)，可認(rèn)定此時(shí)是J 型增長(zhǎng)的階段；而隨著種群數(shù)量增加到一定程度，環(huán)境阻力出現(xiàn)，此時(shí)種群數(shù)量呈現(xiàn)S 型的增長(zhǎng)過(guò)程。如圖2 所示，a→b 段是J 型增長(zhǎng)，b→c 段轉(zhuǎn)化為S 型增長(zhǎng)。

圖2 2012年廣東高考第27 題圖

探究2：影響種群數(shù)量變化的因素有哪些？

讓學(xué)生嘗試說(shuō)出影響生物數(shù)量變化的因素，并了解這些非生物因素或生物因素是如何影響生物的生長(zhǎng)、繁殖，從而影響了種群數(shù)量變化。

探究3：種群數(shù)量S 型增長(zhǎng)的過(guò)程，是否出生率逐漸升高，死亡率逐漸降低？

當(dāng)出生率和死亡率這2 條曲線數(shù)值相等時(shí)，該交叉點(diǎn)就是環(huán)境容納量（圖3）。應(yīng)用“推理與演繹”的思維方式，分析原因可能是出生率降低，死亡率升高（圖3a）；或出生率不變，死亡率升高（圖3b）；或出生率降低，死亡率不變（圖3c）；然而，實(shí)際情況更接近圖3d 所示，即種群數(shù)量是在一個(gè)較大的密度范圍內(nèi)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡[4]，從而培養(yǎng)學(xué)生“穩(wěn)態(tài)與平衡”的生命觀念。

圖3 出生率和死亡率隨著種群密度增加的變化情況

5 結(jié)語(yǔ)

構(gòu)建高效的學(xué)習(xí)課堂，關(guān)鍵在于有所取舍和有效整合，通過(guò)情境引發(fā)學(xué)習(xí)行為，通過(guò)問(wèn)題設(shè)置引導(dǎo)學(xué)習(xí)進(jìn)程，通過(guò)辨析強(qiáng)化概念學(xué)習(xí)，通過(guò)探究達(dá)到思維深度和廣度的提升，從而提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。