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2019-2020年高中生物 《種群數(shù)量的變化》教學設(shè)計 新人教版必修3 【基本指導(dǎo)思想】 生物學是一門應(yīng)用科學，與資源、環(huán)境密切相關(guān)，《普通高中生物課程標準》中明確提出，高中生物課程的基本理念是：面向全體學生，提高生物科學素養(yǎng)，注重與現(xiàn)實生活的聯(lián)系。本教學設(shè)計以學科知識作為載體，面向全體學生，在課堂教學的同時滲透可持續(xù)發(fā)展觀，培養(yǎng)學生關(guān)注資源、環(huán)境利用過程中面臨的種種問題，實現(xiàn)人與社會、人與自然之間的和諧發(fā)展。 【教材分析】 本節(jié)內(nèi)容承接第一節(jié)《種群的特征》，種群數(shù)量變化直接影響種群的密度，由種群的出生率和死亡率決定，同時在一定程度上受到年齡組成和性別比例的影響。某種生物種群數(shù)量改變，也會直接或間接地影響到群落乃至生物圈中其他生物種群數(shù)量的變化，與生產(chǎn)生活實際聯(lián)系緊密，因此，本節(jié)內(nèi)容不僅在本章中具有承上啟下的作用，對于生物與環(huán)境的和諧發(fā)展也具有舉足輕重的地位。 本節(jié)內(nèi)容的重點有兩個：建構(gòu)數(shù)學模型方法的滲透和“J”型、“S”型增長曲線的特點及應(yīng)用。數(shù)學模型的建構(gòu)不必刻意要求學生掌握，學生通過細菌種群數(shù)量變化描述方法的探討，在心里認可數(shù)學模型是研究生物學知識的手段即達到了“模型建構(gòu)方法滲透”的目的。世界人口和中國人口的數(shù)量都符合“J”型增長曲線，而自然界中常見的則是種群的“S”型增長曲線，它在合理利用資源、拯救瀕危物種、引入外來物種等方面具有重要的指導(dǎo)意義，因此，分析歸納“J”型曲線和“S”型曲線產(chǎn)生的條件、各自的特點和應(yīng)用范圍是本節(jié)課的重點也是難點。 知識是德育滲透最好的“載體”，而德育是知識的“靈魂”，本節(jié)內(nèi)容許多知識點都能透射出一種生物種群數(shù)量變化對其他生物及環(huán)境的影響，是學科教學中德育滲透不可多得的素材。豐富的圖片、攝人心魄的數(shù)據(jù)，學生在看到生物數(shù)量銳減、環(huán)境惡化的現(xiàn)實的同時，勢必聯(lián)想到環(huán)保的重要性，在日常生活中學會從身邊小事做起，關(guān)注資源的利用，關(guān)注環(huán)境的變化，關(guān)注人類的活動，實現(xiàn)人與自然的可持續(xù)發(fā)展。 【學情分析】 （1）基于數(shù)學知識坐標系的學習，學生不難構(gòu)建種群增長的數(shù)學模型，但對于數(shù)學模型的生物學意義及其應(yīng)用可能理解起來會有一定的障礙。 （2）水葫蘆泛濫成災(zāi)、鯊魚數(shù)量銳減、大熊貓瀕臨滅絕以及世界人口增長狀況等資料學生會比較感興趣，同時也會比較震撼，容易激起學生的學習熱情，為本節(jié)課枯燥的理論學習營造可交流討論的空間。 【教學策略】 首先，通過豐富的圖片、攝人心魄的數(shù)據(jù)創(chuàng)設(shè)情境，讓學生看到生物數(shù)量銳減、環(huán)境惡化的現(xiàn)實，明確研究種群數(shù)量變化的重要性，引入課題。然后，通過細菌繁殖的實例，探討描述細菌種群數(shù)量變化的方法，分析建構(gòu)數(shù)學模型的一般過程。在分析建構(gòu)數(shù)學模型的過程中，水到渠成地引出種群數(shù)量的“J”型和“S”型增長。通過興趣小組和高斯草履蟲實驗結(jié)果的矛盾沖突，對比分析“J”型和“S”型增長曲線的特點，討論“S”型增長曲線對合理利用資源、預(yù)防鼠害、拯救瀕危物種、引入外來物種等方面的指導(dǎo)意義。最后，通過討論人類活動對地球上其他生物種群數(shù)量變化的影響，引導(dǎo)學生關(guān)注資源的利用，關(guān)注人類的活動，關(guān)注環(huán)境的變化，實現(xiàn)人與社會、人與自然的可持續(xù)發(fā)展。 【教學目標】 知識目標：（1）說明建構(gòu)種群增長模型的方法。 （2）比較種群數(shù)量增長的“J”型曲線和“S”型曲線。 能力目標：嘗試運用數(shù)學模型解釋種群數(shù)量的變化，初步學會使用數(shù)學方法處理、解釋數(shù)據(jù)。 情感態(tài)度和價值觀：認識生物科學的價值，關(guān)注人類活動對種群數(shù)量變化的影響，理解人與自然和諧發(fā)展的意義，樹立可持續(xù)發(fā)展觀念。 【教學重點】嘗試建構(gòu)種群增長的數(shù)學模型，并據(jù)此解釋種群數(shù)量的變化。 【教學難點】建構(gòu)種群增長的數(shù)學模型。 【教學方法】講授法、討論法、舉例法相結(jié)合 【教學過程】 環(huán) 節(jié) 教 學 活 動 設(shè) 計 意 圖 教 師 活 動 學生活動 創(chuàng) 設(shè) 情 境 圖文展示鯊魚、水葫蘆、世界人口等數(shù)量變化。 以上實例描述的都是同一類問題，即種群數(shù)量的變化。研究種群數(shù)量變化對于我們的生產(chǎn)、生活，乃至整個自然界都有重要的意義。 通過震撼人心的事例，調(diào)動學生的積極性，激發(fā)學習熱情。 建 構(gòu) 種 群 增 長 模 型 首先，讓我們以細菌作為研究對象，體會種群數(shù)量變化的研究方法。 【問題討論】在營養(yǎng)和生存空間沒有限制的情況下，某種細菌每20min通過分裂繁殖一代。若將一個細菌在培養(yǎng)基上長期培養(yǎng)，請將細菌在不同時間的種群數(shù)量填入表格。（見學案） 根據(jù)表格中細菌種群數(shù)量變化數(shù)據(jù)，請同學們寫出數(shù)學表達式，并繪出細菌數(shù)量隨時間變化的曲線圖。 數(shù)學表達式能夠準確地表示細菌種群的數(shù)量變化，曲線圖能夠清晰、直觀地描述細菌種群數(shù)量變化趨勢。 [思考] 假設(shè)：種群的起始數(shù)量為N0；每年的增長率都不變，第二年是第一年的λ倍；t年后該種群的數(shù)量用Nt表示。那么，我們能否模擬細菌種群增長的表達式，推導(dǎo)出一個反映一般種群增長的數(shù)學表達式呢？ 到此，我們得到的僅僅是種群增長的一種可能數(shù)學表達式，實際上是不是這樣的，我們還不知道，要回答這個問題，我們必須進入下一個步驟：通過進一步實驗或觀察，對模型進行檢驗或修正。 下面讓我們用草履蟲實驗來驗證Nt= N0λt這類模型是否正確。 時間 第一天 第二天 第三天 第四天 第五天 第六天 個數(shù) 1500 1580 4006 7820 16180 28130 某同學做了這樣的實驗：以單細胞原生生物草履蟲（進行分裂生殖）作為實驗對象，將提純的草履蟲種群放在50ml的燒杯中，用稻草秸桿溶液培養(yǎng)，每天進行觀察、計數(shù)，并作好記錄。每天計數(shù)、記錄后馬上分裝到更大的容器中，并添加新的稻草秸桿培養(yǎng)溶液，計數(shù)、記錄。連續(xù)計數(shù)、記錄6天。下表是平均每毫升溶液中草履蟲的種群數(shù)量： 轉(zhuǎn)換為 曲線圖見課件。我們可以通過計算機推導(dǎo)出相關(guān)的方程式。 [思考] 實際情況與我們的假設(shè)是否相符？ 實際情況與我們的假設(shè)相符，說明假設(shè)是正確的。這樣，我們就可以把得到的數(shù)學表達式或者曲線圖叫做描述種群數(shù)量增長的數(shù)學模型。我們將這種研究種群數(shù)量變化的方法稱為建構(gòu)種群增長的數(shù)學模型。讓我們來回顧一下建構(gòu)數(shù)學模型的過程： 觀察研究對象，提出問題 ↓ 做出合理假設(shè) ↓ 進行數(shù)學表達 ↓ 檢驗或修正 對于以上問題，大家是否還有不明白的問題？ 老師在看到下面的實驗后，產(chǎn)生了困惑。 生態(tài)學家高斯，用大草履蟲重復(fù)做過一個實驗，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制大草履蟲數(shù)量變化的數(shù)學曲線如下圖。 [思考]高斯的曲線和某同學的曲線為什么不同？ 如果我們在實際研究中，出現(xiàn)這樣的問題，即數(shù)學表達式和曲線與假設(shè)不符，那么，我們的假設(shè)就有問題。需要重新審視研究對象，作出新 學生思考、討論，以數(shù)據(jù)、表格、曲線圖等方式表達自己的想法。 學生思考、討論完成模型建構(gòu)：Nt= N0λt 思考、回答： 相符，分析數(shù)學表達式與Nt= N0λt的對應(yīng)關(guān)系。 與教師一起梳理構(gòu)建數(shù)學模型的過程。 建構(gòu)“S”型增長數(shù)學模型 討論、分析：條件不同 培養(yǎng)學生分析、歸納、語言表達能力和協(xié)作精神。 將構(gòu)建的模型進行推廣應(yīng)用，培養(yǎng)學生的知識遷移能力，增強學生的學習主動性 幫助學生學會梳理自己的思維過程，總結(jié)構(gòu)建種群增長數(shù)學模型的一般步驟。 通過老師制造問題矛盾，進行對比，挖掘事物的本質(zhì)，明確兩種曲線產(chǎn)生差異的原因 的假設(shè)，構(gòu)建新的數(shù)學模型，并進行檢驗與修正，直到模型與假設(shè)相符為止?？梢?，生物學模型的建構(gòu)過程是一個復(fù)雜、謹慎、精益求精，力求完美的過程。 再一次滲透模型建構(gòu)方法 ，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W思維和科學態(tài)度 種 群 數(shù) 量 變化的類 型 “J” 型 增 長 和 “S” 型 增 長 通過上面兩個實驗，我們可以得出這樣的結(jié)論：不同環(huán)境條件下，即使是同種生物，種群的增長模型也可能不同。我們將這兩種曲線分別稱為“J”型和“S”型增長曲線。 [思考] 1、“J”型和“S”型增長曲線產(chǎn)生的條件？ 2、如何理解K值？ 【討論】展示環(huán)頸雉和綿羊的種群數(shù)量變化曲線。討論： ①種群增長類型，以及產(chǎn)生這種類型的原因。 ②再過若干年，這個種群的變化趨勢將會怎樣？ 思考、回答： 1、“J”型增長：理想條件，食物和空間條件比較充裕、氣候適宜、沒有敵害等條件下。 “S”型增長: 自然條件，資源、空間有限 2、最大環(huán)境容納量 學生討論 通過具體實例，理解環(huán)境條件對種群數(shù)量的影響，加深理解兩種曲線的區(qū)別 穩(wěn) 定 、 波 動 和 下 降 由于食物、資源、空間、天敵等綜合因素的影響，種群很難維持穩(wěn)定，更多情況會處在波動中。例如：東亞飛蝗種群數(shù)量的波動、北美美洲兔和猞猁種群的數(shù)量變化。 [討論]引起種群數(shù)量波動的原因有哪些？ 在不利條件之下，種群數(shù)量還會急劇下降，甚至滅亡。例如：鯊魚、白鰭豚等。 [討論]引起種群數(shù)量下降的原因有哪些？ 分析、討論 分析、討論 了解種群數(shù)量變化的其它類型 研 究 意 義 我們研究種群數(shù)量變化，目的在于為生產(chǎn)、生活實踐提供理論指導(dǎo)。 【討論】展示圖片，引導(dǎo)學生總結(jié)研究意義。 1、請?zhí)岢鲆恍┍Ｗo鯊魚、大熊貓等生物和控制鼠害的有效措施。 2、試分析這些措施實質(zhì)上是針對數(shù)學模型中的哪些參數(shù)？ 學生思考、討論，通過師生互動、生生互動完成。 5. （1）合理利用和保護生物資源，拯救瀕危物種。 （2）為害蟲的預(yù)測及防治提供科學依據(jù)。 （3）為引進外來物種提供理性的思考 培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際，關(guān)注人與社會、人與自然的和諧發(fā)展 課 堂 總 結(jié) 隨著人口的增長，科技水平的提高，人類活動范圍逐步擴大，對自然界種群數(shù)量變化的影響也越來越大。例如，大型鯊魚數(shù)量銳減，它們的獵物，包括小型鯊魚、鰩魚等數(shù)量急劇上升。而這些生物能破壞海草，使許多海洋生物失去棲息地。由于鰩魚的掠奪行為，美國北卡羅來納州長達一個世紀的海灣扇貝水產(chǎn)業(yè)于xx年被迫終結(jié)。 正所謂“天地有大美而不言”， 研究種群數(shù)量變化對于我們合理利用資源，實現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展有著重要的意義。 課堂 作業(yè) 反饋習題 學生做練習 及時反饋學生對知識的掌握情況。 家庭 作業(yè) 板 書 設(shè) 計 4-2 種群數(shù)量的變化 一、研究方法----建構(gòu)數(shù)學模型 二、類型 （一）增長 1、 “J”型曲線 2、 “S”型曲線 K 環(huán)境阻力 ==========〉 條件：理想條件，食物和空間條件充裕、 條件：自然條件，資源空間有限 氣候適宜、沒有敵害等 數(shù)學表達式：Nt= N0λt 有最大環(huán)境容納量K值 （二）穩(wěn)定、波動、下降 三、研究種群數(shù)量變化的意義 教 學 反 思 這是一節(jié)市級公開課，我準備的很充分，學生思維活躍、態(tài)度積極，師生配合默契。通過課堂反饋，以下方面讓我倍感欣慰： （1）上課班級不是我自己的學生，但學生積極配合，沒有讓我感覺到溝通上的障礙。 （2）本節(jié)課運用了數(shù)學模型建構(gòu)，要求學生具有一定的數(shù)學應(yīng)變能力，由于本節(jié)課準備充分、鋪墊到位，學生沒有感覺到吃力，在輕松的氛圍下完成了模型建構(gòu)。 （3）大量的文字和圖片資料豐富了課堂內(nèi)容，尤其是人類捕殺鯨魚的照片和資料，充分體現(xiàn)出人類活動對鯨魚種群數(shù)量變化的影響，深深地觸動了學生的心靈，不必高聲吶喊，學生也能夠理解人與自然和諧發(fā)展的意義、樹立可持續(xù)發(fā)展觀念的重要性，于無聲中完成了德育目標的滲透。 唯一覺得遺憾的是，生物學科是一門實驗科學，本節(jié)課的實驗“探究酵母菌數(shù)量變化”由于缺少實驗設(shè)備而不能由學生操作完成。再豐富的間接數(shù)據(jù)素材也不如學生親手操作真實可信，如果以后有條件，一定要給學生補上。 附：生物（人教版必修3） 第4章 第2節(jié)《種群數(shù)量的變化》學案 [學習目標] 1、知識目標：（1）說明建構(gòu)種群增長模型的方法。 （2）比較種群增長的“J”型曲線和“S”型曲線。 2、能力目標：嘗試運用數(shù)學模型解釋種群數(shù)量的變化 3、情感態(tài)度、價值觀：關(guān)注人類活動對種群數(shù)量變化的影響。 [重點] 嘗試建構(gòu)種群增長的數(shù)學模型，并據(jù)此解釋種群數(shù)量的變化。 [難點] 建構(gòu)種群增長的數(shù)學模型。 [新知導(dǎo)航] [問題探討] 在營養(yǎng)和生存空間沒有限制的情況下，某種細菌每20min通過分裂繁殖一代，若將一個細菌在培養(yǎng)基上長期培養(yǎng)。 ①請你計算一個細菌產(chǎn)生的后代在不同時間的數(shù)目，填入下表： 時間（min） 20 40 60 80 100 120 140 160 180 細菌數(shù)量（個） ②如果用N表示細菌數(shù)量，n表示細菌繁殖的代數(shù)，你能寫出計算細菌種群數(shù)量的數(shù)學表達式嗎？ ③請根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)，以時間為橫軸，以細菌數(shù)量為縱軸，畫出細菌種群數(shù)量增長的曲線。 時間/min 細菌數(shù)量/個 [思考]你能將細菌的數(shù)學表達式，推導(dǎo)成一個反映一般種群數(shù)量變化的數(shù)學表達式嗎？ 假設(shè)：種群的起始數(shù)量為N0，并且第二年的數(shù)量是第一年的λ倍，那么： 一年后種群數(shù)量N1＝______ __， 兩年后種群數(shù)量N2＝_____ ___， t年后種群數(shù)量Nt＝________ _____。（這個公式即為數(shù)學模型） 小結(jié) 根據(jù)上述細菌種群數(shù)量變化的分析過程可以看出，在描述、解釋和預(yù)測群數(shù)量變化時，常常需要建立數(shù)學模型，其表現(xiàn)形式可以為 、 等。 增長曲線類型 “ ”型曲線 “ ”型曲線 條件 有無K值 模型 ① 數(shù)學表達式： ② 曲線圖： 一、比較種群增長的“ ”型曲線和“ ”型曲線 [應(yīng)用] 試分析保護鯊魚、大熊貓和控制鼠害的根本措施，并說明這些措施針對的是種群增長模型中的哪些參數(shù)。 二、研究種群數(shù)量變化的意義 [習題反饋] 一、選擇題 1、關(guān)于種群數(shù)量變化的敘述中，錯誤的是 （ ） A.種群數(shù)量的變化包括增長、波動、穩(wěn)定和下降等 B.種群數(shù)量的變化主要是由遷入、遷出、出生和死亡引起的 C.在自然界中，種群的增長一般呈“J”型曲線 D.在自然界中，種群的增長一般呈“S”型曲線 2、下列有關(guān)種群數(shù)量變化的敘述中，正確的是 （ ） A．增長型種群的種群數(shù)量在近期內(nèi)一定能不斷增加 B．在環(huán)境條件沒有劇烈變化時，種群數(shù)量增長趨勢總呈現(xiàn)S型 C．農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中利用性引誘劑可以直接明顯降低種群數(shù)量 D．種群數(shù)量與該種群個體大小有關(guān)，而與種群所處的環(huán)境條件無關(guān) 二、非選擇題 3、下圖為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)進行農(nóng)藥防治（噴施DDT）和生物防治（引入大量捕食者）害蟲過程中，害蟲種群密度消長示意圖，請據(jù)圖回答： （1）圖中“經(jīng)濟閾值”（虛線所示）是指害蟲種群密度已達到影響農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟效益的最低值，因此，圖中最需要防治的時間點是 。 （2）A點開始進行的是 防治，E點開始進行的是 防治。 （3）在A點開始的防治中，初始效果顯著，隨后害蟲數(shù)量越來越多，其原因是： 。 （4）指出E點開始的防止有何突出優(yōu)點： 。 （5）F-I段種群數(shù)量已無明顯波動，說明： 。