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2019-2020年高中生物《種群數(shù)量的變化》教案5 新人教版必修3 一、教學(xué)目標(biāo) 1.說明建構(gòu)種群增長模型的方法。 2.通過探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化，嘗試建構(gòu)種群增長的數(shù)學(xué)模型。 3.用數(shù)學(xué)模型解釋種群數(shù)量的變化。 4.關(guān)注人類活動對種群數(shù)量變化的影響。 二、教學(xué)重點和難點 1.教學(xué)重點 嘗試建構(gòu)種群增長的數(shù)學(xué)模型，并據(jù)此解釋種群數(shù)量的變化。 2.教學(xué)難點 建構(gòu)種群增長的數(shù)學(xué)模型。 三、教學(xué)策略 首先，教師要領(lǐng)會和把握好本節(jié)的教學(xué)要旨。課程標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于本節(jié)的具體內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)為“嘗試建立數(shù)學(xué)模型解釋種群的數(shù)量變動”，并提出了相應(yīng)的活動建議“探究培養(yǎng)液中酵母種群數(shù)量的動態(tài)變化”。顯然，引導(dǎo)學(xué)生用數(shù)學(xué)方法解釋生命現(xiàn)象，揭示生命活動規(guī)律是本節(jié)教學(xué)策略的著眼點。 其次，教師應(yīng)對數(shù)學(xué)模型及其教育價值有一個基本的認(rèn)識。數(shù)學(xué)模型是聯(lián)系實際問題與數(shù)學(xué)的橋梁，具有解釋、判斷、預(yù)測等重要功能。在科學(xué)研究中，數(shù)學(xué)模型是發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和探索新規(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)生透過現(xiàn)象揭示本質(zhì)的洞察能力；同時，通過科學(xué)與數(shù)學(xué)的整合，有利于培養(yǎng)學(xué)生簡約、嚴(yán)密的思維品質(zhì)。 再次，在教學(xué)中，可以循著現(xiàn)象→本質(zhì)→現(xiàn)象，或者具體→抽象→具體的思路，通過分析問題→探究數(shù)學(xué)規(guī)律→解決實際問題→建構(gòu)數(shù)學(xué)模型的方法，讓學(xué)生體驗由具體到抽象的思維轉(zhuǎn)化過程。 本節(jié)教學(xué)可以從教材提供的“問題探討”延伸開去：細(xì)菌的繁殖速度很快，如果在營養(yǎng)和生存空間沒有限制的情況下，在短時間內(nèi)，細(xì)菌的種群數(shù)量就能達(dá)到一個天文數(shù)字。在已有數(shù)學(xué)知識的基礎(chǔ)上，學(xué)生不難得出n代細(xì)菌數(shù)量的計算公式。教師可直接要求學(xué)生完成教材第66頁上表格，并依據(jù)表中的數(shù)值，畫出細(xì)菌種群的增長曲線，讓學(xué)生感受到生物現(xiàn)象和規(guī)律可用數(shù)學(xué)語言（公式和曲線圖）表達(dá)出來。當(dāng)然，有條件的學(xué)校，也可預(yù)先將教材中的探究“培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化”作為研究性學(xué)習(xí)的課題，讓學(xué)生在課外進行研究，在學(xué)生研究的基礎(chǔ)上再進行本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)。 接著，教師簡要講解數(shù)學(xué)模型的概念，強調(diào)以下兩點。 （1）數(shù)學(xué)方法的介入，使我們對大自然有了更多的認(rèn)識。數(shù)學(xué)方法并非是近年來才出現(xiàn)的新方法：在科學(xué)史上，牛頓等很多偉大的科學(xué)家都是建立和應(yīng)用數(shù)學(xué)模型的大師，他們將各個不同的科學(xué)領(lǐng)域同數(shù)學(xué)有機地結(jié)合起來，在不同的學(xué)科中取得了巨大的成就。如力學(xué)中的牛頓定律、電磁學(xué)中的麥克斯偉方程、化學(xué)中的門捷列夫周期表、生物學(xué)中的孟德爾遺傳定律等，都是經(jīng)典的應(yīng)用數(shù)學(xué)模型的光輝范例。在當(dāng)代，由于計算機的運用，數(shù)學(xué)模型在生態(tài)、地質(zhì)、航空等方面有了更加廣泛和深入的應(yīng)用。 （2）數(shù)學(xué)模型在生物學(xué)中也越來越表現(xiàn)出強大的生命力，它通過建立可以表述生命系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r等的數(shù)學(xué)系統(tǒng)，對生命現(xiàn)象進行量化，以數(shù)量關(guān)系描述生命現(xiàn)象，再運用邏輯推理、求解和運算等達(dá)到對生命現(xiàn)象進行研究的目的。 學(xué)生有了以上感性和理性的認(rèn)識基礎(chǔ)，教師再進一步闡述“建構(gòu)種群增長模型的方法”。教材中結(jié)合“問題探討”的素材，介紹了建立數(shù)學(xué)模型的一般步驟。在教學(xué)中，教師還應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加以展開，豐富其內(nèi)涵。例如，第一步觀察研究對象是為了發(fā)現(xiàn)問題，探索規(guī)律，“細(xì)菌每20 min分裂一次”便是通過大量觀察和實驗得出的規(guī)律。這是建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)，在這一基礎(chǔ)上運用數(shù)學(xué)方法將生物學(xué)問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題。生命現(xiàn)象和規(guī)律往往不是數(shù)學(xué)化的，這就需要善于從具體現(xiàn)象中抓住其數(shù)學(xué)本質(zhì)。第二步合理提出假設(shè)是數(shù)學(xué)模型成立的前提條件，假設(shè)不同，所建立的數(shù)學(xué)模型也不相同。第三步是要運用數(shù)學(xué)語言進行表達(dá)，即數(shù)學(xué)模型的表達(dá)形式。需要指出的是，當(dāng)呈現(xiàn)為某種數(shù)學(xué)模型時，教師一定要讓學(xué)生認(rèn)識到數(shù)學(xué)模型所蘊涵的生物學(xué)意義，要避免離開生物學(xué)討論數(shù)學(xué)的傾向。第四步是對模型進行檢驗和修正，這在科學(xué)研究中是必不可少的步驟。在理想狀態(tài)下細(xì)菌種群數(shù)量增長的數(shù)學(xué)模型是比較簡單的，而生物學(xué)中大量現(xiàn)象與規(guī)律是極為復(fù)雜的，存在著許多不確定因素和例外的現(xiàn)象，需要通過大量實驗或觀察，對模型進行檢驗和修正。 在上述以細(xì)菌在理想狀態(tài)下種群數(shù)量增長為例的教學(xué)中，已經(jīng)交待了“種群增長的J型曲線”。因此，可以通過列舉事例，引到“J型增長的數(shù)學(xué)模型”上來。又如，按達(dá)爾文的估計，一對象，如果保證食物和其他條件，在沒有其他生物或天敵危害的情況下，740～750年后就可繁殖成具有19 000 000個個體的巨大種群。這表明種群具有巨大的增殖能力。但是，這一現(xiàn)象并沒有在自然界中發(fā)生，因為，在沒有人為干擾的穩(wěn)定的自然環(huán)境中，各個種群在物理因素和生物因素的制約下，出生率和死亡率一般說來是平衡的，種群的個體數(shù)是穩(wěn)定的。由此引入“種群增長的S型曲線”。盡管物種具有巨大的增長潛力，在自然界中，種群卻不能無限制地增長。因為，隨著種群數(shù)量的增長，制約因素的作用也在增大，所以在自然界，種群總是在增長到一定限度后達(dá)到相對穩(wěn)定。有關(guān)“S型曲線”的教學(xué)，可具體分析教材中的高斯實驗。例如，為什么大草履蟲第二天、第三天增長較快，而第五天以后數(shù)量基本穩(wěn)定？高斯實驗的條件與“問題探討”中的條件有何區(qū)別？理解了“S型曲線”后，學(xué)生對“環(huán)境容納量”的概念就不難理解了。 關(guān)于“S型曲線”應(yīng)用的實際意義，教師可以結(jié)合“思考與討論”活動來進行教學(xué)。滅鼠時，如果我們只采取殺死老鼠這一辦法，效果往往不好。因為如果我們殺死了一半老鼠，存活的老鼠反而降到指數(shù)生長期，因而老鼠將按指數(shù)增長，很快就恢復(fù)到原來數(shù)量。更有效的滅鼠辦法是既殺死老鼠，又清除垃圾，嚴(yán)密儲存食物，使環(huán)境容納量降低，這就從根本上限制了老鼠的種群數(shù)量。 地球的容納量是有限的，食物、水和空間是影響人口多少和增長率的限制因素。 自然界中多數(shù)生物種群都已達(dá)到穩(wěn)定期，總體上看，許多種群的種群數(shù)量一般不再增長，而是波動或變動。關(guān)于“種群數(shù)量的波動和下降”，教師可以引導(dǎo)學(xué)生對具體事例進行討論，總結(jié)出影響種群數(shù)量的主要因素。 值得注意的是，教材中穿插了兩則“與社會的聯(lián)系”，這是將所學(xué)知識聯(lián)系實際的重要途徑，在教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真討論。 四、探究指導(dǎo) 探究實驗“培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化”，旨在讓學(xué)生通過對培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量連續(xù)7天的觀察，探究變化規(guī)律，進而統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，繪制變化曲線。 1.提出問題 教材中提出的問題是：培養(yǎng)液中酵母菌種群的數(shù)量是怎樣隨時間變化的？教師也可以進一步引導(dǎo)學(xué)生，依據(jù)所學(xué)知識，分析酵母菌生長的條件與種群數(shù)量增長之間的關(guān)系，提出探究的問題。例如，在不同溫度（以及通氧、通CO2等）條件下酵母菌種群數(shù)量增長的情況如何？不同培養(yǎng)液（如加糖和不加糖）中酵母菌種群數(shù)量增長的情況如何？等等。 2.作出假設(shè) 科學(xué)研究始于問題。作出假設(shè)可以使科學(xué)研究更具有針對性，而不是盲目搜集資料進行研究。作出假設(shè)需要立足于已有知識，但更需要充分發(fā)揮想像力和創(chuàng)造力。在教學(xué)中要鼓勵學(xué)生積極大膽地提出假設(shè)，但同時，教師應(yīng)提出“合理提出假設(shè)”的要求，要圍繞著問題，根據(jù)預(yù)期結(jié)果作出符合邏輯的假設(shè)。 3.討論探究思路 這是開展探究活動的重要內(nèi)容之一，通過討論能使學(xué)生明白實驗設(shè)計的基本原理，在具體操作時做到心中有數(shù)。 4.制訂計劃 本實驗時間較長（7天），因此事前一定要做好周密的計劃，定程序、定時間、定人員。 5.實施計劃 按計劃中確定的工作流程認(rèn)真操作，做好實驗記錄。 6.分析結(jié)果，得出結(jié)論 將記錄的數(shù)據(jù)用曲線圖表示出來，討論分析實驗的結(jié)果與假設(shè)是否一致。