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2019-2020年高中生物 《種群數(shù)量的變化》教學(xué)設(shè)計(jì) 新人教版必修3 【基本指導(dǎo)思想】 生物學(xué)是一門應(yīng)用科學(xué)，與資源、環(huán)境密切相關(guān)，《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》中明確提出，高中生物課程的基本理念是：面向全體學(xué)生，提高生物科學(xué)素養(yǎng)，注重與現(xiàn)實(shí)生活的聯(lián)系。本教學(xué)設(shè)計(jì)以學(xué)科知識(shí)作為載體，面向全體學(xué)生，在課堂教學(xué)的同時(shí)滲透可持續(xù)發(fā)展觀，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)注資源、環(huán)境利用過程中面臨的種種問題，實(shí)現(xiàn)人與社會(huì)、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(shí)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(huì)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(shí)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(duì)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(diǎn)有兩個(gè)：建構(gòu)數(shù)學(xué)模型方法的滲透和“J”型、“S”型增長曲線的特點(diǎn)及應(yīng)用。數(shù)學(xué)模型的建構(gòu)不必刻意要求學(xué)生掌握，學(xué)生通過細(xì)菌種群數(shù)量變化描述方法的探討，在心里認(rèn)可數(shù)學(xué)模型是研究生物學(xué)知識(shí)的手段即達(dá)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(diǎn)和應(yīng)用范圍是本節(jié)課的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。 知識(shí)是德育滲透最好的“載體”，而德育是知識(shí)的“靈魂”，本節(jié)內(nèi)容許多知識(shí)點(diǎn)都能透射出一種生物種群數(shù)量變化對(duì)其他生物及環(huán)境的影響，是學(xué)科教學(xué)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(xué)生在看到生物數(shù)量銳減、環(huán)境惡化的現(xiàn)實(shí)的同時(shí)，勢(shì)必聯(lián)想到環(huán)保的重要性，在日常生活中學(xué)會(huì)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(dòng)，實(shí)現(xiàn)人與自然的可持續(xù)發(fā)展。 【學(xué)情分析】 （1）基于數(shù)學(xué)知識(shí)坐標(biāo)系的學(xué)習(xí)，學(xué)生不難構(gòu)建種群增長的數(shù)學(xué)模型，但對(duì)于數(shù)學(xué)模型的生物學(xué)意義及其應(yīng)用可能理解起來會(huì)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(xué)生會(huì)比較感興趣，同時(shí)也會(huì)比較震撼，容易激起學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，為本節(jié)課枯燥的理論學(xué)習(xí)營造可交流討論的空間。 【教學(xué)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(xué)生看到生物數(shù)量銳減、環(huán)境惡化的現(xiàn)實(shí)，明確研究種群數(shù)量變化的重要性，引入課題。然后，通過細(xì)菌繁殖的實(shí)例，探討描述細(xì)菌種群數(shù)量變化的方法，分析建構(gòu)數(shù)學(xué)模型的一般過程。在分析建構(gòu)數(shù)學(xué)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的矛盾沖突，對(duì)比分析“J”型和“S”型增長曲線的特點(diǎn)，討論“S”型增長曲線對(duì)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(dòng)對(duì)地球上其他生物種群數(shù)量變化的影響，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注資源的利用，關(guān)注人類的活動(dòng)，關(guān)注環(huán)境的變化，實(shí)現(xiàn)人與社會(huì)、人與自然的可持續(xù)發(fā)展。 【教學(xué)目標(biāo)】 知識(shí)目標(biāo)：（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(biāo)：嘗試運(yùn)用數(shù)學(xué)模型解釋種群數(shù)量的變化，初步學(xué)會(huì)使用數(shù)學(xué)方法處理、解釋數(shù)據(jù)。 情感態(tài)度和價(jià)值觀：認(rèn)識(shí)生物科學(xué)的價(jià)值，關(guān)注人類活動(dòng)對(duì)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(xué)重點(diǎn)】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。 【教學(xué)難點(diǎn)】建構(gòu)種群增長的數(shù)學(xué)模型。 【教學(xué)方法】講授法、討論法、舉例法相結(jié)合 【教學(xué)過程】 環(huán) 節(jié) 教 學(xué) 活 動(dòng) 設(shè) 計(jì) 意 圖 教 師 活 動(dòng) 學(xué)生活動(dòng) 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(shí)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(duì)于我們的生產(chǎn)、生活，乃至整個(gè)自然界都有重要的意義。 通過震撼人心的事例，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。 建 構(gòu) 種 群 增 長 模 型 首先，讓我們以細(xì)菌作為研究對(duì)象，體會(huì)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(xì)菌每20min通過分裂繁殖一代。若將一個(gè)細(xì)菌在培養(yǎng)基上長期培養(yǎng)，請(qǐng)將細(xì)菌在不同時(shí)間的種群數(shù)量填入表格。（見學(xué)案） 根據(jù)表格中細(xì)菌種群數(shù)量變化數(shù)據(jù)，請(qǐng)同學(xué)們寫出數(shù)學(xué)表達(dá)式，并繪出細(xì)菌數(shù)量隨時(shí)間變化的曲線圖。 數(shù)學(xué)表達(dá)式能夠準(zhǔn)確地表示細(xì)菌種群的數(shù)量變化，曲線圖能夠清晰、直觀地描述細(xì)菌種群數(shù)量變化趨勢(shì)。 [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(xì)菌種群增長的表達(dá)式，推導(dǎo)出一個(gè)反映一般種群增長的數(shù)學(xué)表達(dá)式呢？ 到此，我們得到的僅僅是種群增長的一種可能數(shù)學(xué)表達(dá)式，實(shí)際上是不是這樣的，我們還不知道，要回答這個(gè)問題，我們必須進(jìn)入下一個(gè)步驟：通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)或觀察，對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)或修正。 下面讓我們用草履蟲實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證Nt= N0λt這類模型是否正確。 時(shí)間 第一天 第二天 第三天 第四天 第五天 第六天 個(gè)數(shù) 1500 1580 4006 7820 16180 28130 某同學(xué)做了這樣的實(shí)驗(yàn)：以單細(xì)胞原生生物草履蟲（進(jìn)行分裂生殖）作為實(shí)驗(yàn)對(duì)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(jìn)行觀察、計(jì)數(shù)，并作好記錄。每天計(jì)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(jì)數(shù)、記錄。連續(xù)計(jì)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(jì)算機(jī)推導(dǎo)出相關(guān)的方程式。 [思考] 實(shí)際情況與我們的假設(shè)是否相符？ 實(shí)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(xué)表達(dá)式或者曲線圖叫做描述種群數(shù)量增長的數(shù)學(xué)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(xué)模型。讓我們來回顧一下建構(gòu)數(shù)學(xué)模型的過程： 觀察研究對(duì)象，提出問題 ↓ 做出合理假設(shè) ↓ 進(jìn)行數(shù)學(xué)表達(dá) ↓ 檢驗(yàn)或修正 對(duì)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(shí)驗(yàn)后，產(chǎn)生了困惑。 生態(tài)學(xué)家高斯，用大草履蟲重復(fù)做過一個(gè)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制大草履蟲數(shù)量變化的數(shù)學(xué)曲線如下圖。 [思考]高斯的曲線和某同學(xué)的曲線為什么不同？ 如果我們?cè)趯?shí)際研究中，出現(xiàn)這樣的問題，即數(shù)學(xué)表達(dá)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(duì)象，作出新 學(xué)生思考、討論，以數(shù)據(jù)、表格、曲線圖等方式表達(dá)自己的想法。 學(xué)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(xué)表達(dá)式與Nt= N0λt的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 與教師一起梳理構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的過程。 建構(gòu)“S”型增長數(shù)學(xué)模型 討論、分析：條件不同 培養(yǎng)學(xué)生分析、歸納、語言表達(dá)能力和協(xié)作精神。 將構(gòu)建的模型進(jìn)行推廣應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)遷移能力，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性 幫助學(xué)生學(xué)會(huì)梳理自己的思維過程，總結(jié)構(gòu)建種群增長數(shù)學(xué)模型的一般步驟。 通過老師制造問題矛盾，進(jìn)行對(duì)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(xué)模型，并進(jìn)行檢驗(yàn)與修正，直到模型與假設(shè)相符為止。可見，生物學(xué)模型的建構(gòu)過程是一個(gè)復(fù)雜、謹(jǐn)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(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維和科學(xué)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(gè)實(shí)驗(yàn)，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(gè)種群的變化趨勢(shì)將會(huì)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(xué)生討論 通過具體實(shí)例，理解環(huán)境條件對(duì)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(dòng) 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(huì)處在波動(dòng)中。例如：東亞飛蝗種群數(shù)量的波動(dòng)、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(dòng)的原因有哪些？ 在不利條件之下，種群數(shù)量還會(huì)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(shí)踐提供理論指導(dǎo)。 【討論】展示圖片，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)研究意義。 1、請(qǐng)?zhí)岢鲆恍┍Ｗo(hù)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(shí)質(zhì)上是針對(duì)數(shù)學(xué)模型中的哪些參數(shù)？ 學(xué)生思考、討論，通過師生互動(dòng)、生生互動(dòng)完成。 5. （1）合理利用和保護(hù)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(xué)依據(jù)。 （3）為引進(jìn)外來物種提供理性的思考 培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，關(guān)注人與社會(huì)、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(dòng)范圍逐步擴(kuò)大，對(duì)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(dá)一個(gè)世紀(jì)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(duì)于我們合理利用資源，實(shí)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(xí)題 學(xué)生做練習(xí) 及時(shí)反饋學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況。 家庭 作業(yè) 板 書 設(shè) 計(jì) 4-2 種群數(shù)量的變化 一、研究方法----建構(gòu)數(shù)學(xué)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(xué)表達(dá)式：Nt= N0λt 有最大環(huán)境容納量K值 （二）穩(wěn)定、波動(dòng)、下降 三、研究種群數(shù)量變化的意義 教 學(xué) 反 思 這是一節(jié)市級(jí)公開課，我準(zhǔn)備的很充分，學(xué)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(jí)不是我自己的學(xué)生，但學(xué)生積極配合，沒有讓我感覺到溝通上的障礙。 （2）本節(jié)課運(yùn)用了數(shù)學(xué)模型建構(gòu)，要求學(xué)生具有一定的數(shù)學(xué)應(yīng)變能力，由于本節(jié)課準(zhǔn)備充分、鋪墊到位，學(xué)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(dòng)對(duì)鯨魚種群數(shù)量變化的影響，深深地觸動(dòng)了學(xué)生的心靈，不必高聲吶喊，學(xué)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(biāo)的滲透。 唯一覺得遺憾的是，生物學(xué)科是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)“探究酵母菌數(shù)量變化”由于缺少實(shí)驗(yàn)設(shè)備而不能由學(xué)生操作完成。再豐富的間接數(shù)據(jù)素材也不如學(xué)生親手操作真實(shí)可信，如果以后有條件，一定要給學(xué)生補(bǔ)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(xué)案 [學(xué)習(xí)目標(biāo)] 1、知識(shí)目標(biāo)：（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(biāo)：嘗試運(yùn)用數(shù)學(xué)模型解釋種群數(shù)量的變化 3、情感態(tài)度、價(jià)值觀：關(guān)注人類活動(dòng)對(duì)種群數(shù)量變化的影響。 [重點(diǎn)] 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。 [難點(diǎn)] 建構(gòu)種群增長的數(shù)學(xué)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(xì)菌每20min通過分裂繁殖一代，若將一個(gè)細(xì)菌在培養(yǎng)基上長期培養(yǎng)。 ①請(qǐng)你計(jì)算一個(gè)細(xì)菌產(chǎn)生的后代在不同時(shí)間的數(shù)目，填入下表： 時(shí)間（min） 20 40 60 80 100 120 140 160 180 細(xì)菌數(shù)量（個(gè)） ②如果用N表示細(xì)菌數(shù)量，n表示細(xì)菌繁殖的代數(shù)，你能寫出計(jì)算細(xì)菌種群數(shù)量的數(shù)學(xué)表達(dá)式嗎？ ③請(qǐng)根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)，以時(shí)間為橫軸，以細(xì)菌數(shù)量為縱軸，畫出細(xì)菌種群數(shù)量增長的曲線。 時(shí)間/min 細(xì)菌數(shù)量/個(gè) [思考]你能將細(xì)菌的數(shù)學(xué)表達(dá)式，推導(dǎo)成一個(gè)反映一般種群數(shù)量變化的數(shù)學(xué)表達(dá)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(gè)公式即為數(shù)學(xué)模型） 小結(jié) 根據(jù)上述細(xì)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(shí)，常常需要建立數(shù)學(xué)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(xué)表達(dá)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(hù)鯊魚、大熊貓和控制鼠害的根本措施，并說明這些措施針對(duì)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(xí)題反饋] 一、選擇題 1、關(guān)于種群數(shù)量變化的敘述中，錯(cuò)誤的是 （ ） A.種群數(shù)量的變化包括增長、波動(dòng)、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(shí)，種群數(shù)量增長趨勢(shì)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(gè)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(jìn)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(qǐng)據(jù)圖回答： （1）圖中“經(jīng)濟(jì)閾值”（虛線所示）是指害蟲種群密度已達(dá)到影響農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的最低值，因此，圖中最需要防治的時(shí)間點(diǎn)是 。 （2）A點(diǎn)開始進(jìn)行的是 防治，E點(diǎn)開始進(jìn)行的是 防治。 （3）在A點(diǎn)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(diǎn)開始的防止有何突出優(yōu)點(diǎn)： 。 （5）F-I段種群數(shù)量已無明顯波動(dòng)，說明： 。