2019-2020年高中生物 4.2《 種群數量的變化》教學設計 新人教版必修3.doc

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2019-2020年高中生物 4.2《 種群數量的變化》教學設計 新人教版必修3 一、課題名稱： 人教版，高中生物必修三、第四章、 第二節(jié)《種群數量的變化》。 二、教學目標： 1 知識目標： ① 解釋種群數量增長的一般規(guī)律。 ② 說明建構種群數量增長數學模型的方法。 2 能力目標： ① 通過各種形式的活動，嘗試建構種群數量增長的數學模型。 ② 運用種群數量變化規(guī)律解決生產生活中的實際問題。 3 情感態(tài)度與價值觀目標： ① 認同數學模型在科學研究中的應用。 ② 參與瀕危生物保護措施與生物入侵防范措施的討論，關注人類活動對種群數量變化的影響。 三、指導思想： 1.教材分析： 高中生物課程標準對這節(jié)的描述出現在必修三《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》模塊、第四部分《種群和群落》的第二項內容標準，即“嘗試建立數學模型解釋種群的數量變動”，屬于能力層面的“模仿”水平和知識層面的“理解”水平。在活動建議里則提出“探究培養(yǎng)液中酵母種群數量的動態(tài)變化”。 人教版教材中這節(jié)的內容包括三方面：一是建構種群增長模型的方法；二是種群數量的變化情況；三是探究活動──培養(yǎng)液中酵母菌種群數量的變化。其中，建立數學模型的方法是必修三模塊科學方法教育的重中之重，由于探究活動周期較長，安排在知識性內容之后。 2.學情分析： 學生們在本章的第一節(jié)已經習得了種群的概念，了解了種群的特征，尤其是各種數量特征，在此基礎上過渡到種群數量變化的學習順理成章。 學生們在數學課上學習過指數函數的表達式和坐標圖的繪制，這為本節(jié)課數學模型的構建奠定了基礎。但是我校為郊區(qū)二類校，所以學生們知識基礎相對薄弱，所以在建構數學模型時不可以操之過急。 3.教學條件分析： “培養(yǎng)液中酵母菌種群數量的變化”這一探究活動所需時間在7天左右，需要馬鈴薯培養(yǎng)基、酵母菌菌種，以及恒溫培養(yǎng)箱、血球計數板和高壓蒸汽滅菌設備。受實驗設備、教學時間所限，我將此實驗調整為生物興趣小組在課前完成實驗，然后由小組成員在課堂上進行匯報。 4.教學指導思想及理論依據： 本節(jié)課體現了探究性教學的理念：用興趣小組的實驗結果牽引出本節(jié)課的主題，同時激發(fā)學生的學習動機；各種科學研究實例都不直接呈現結論而是引導學生開展討論分析；學生在環(huán)環(huán)相扣的任務中逐漸建構起種群增長模型，最終運用所學的知識來解釋興趣小組的實驗結果。 模型構建法是新課程、新教材中提出的新的科學方法，而數學模型又是是高中階段模型構建法的難點。本節(jié)課遵循建構主義的理論，在學生已有的數學基礎上，重新建構新的知識──建構揭示生物學規(guī)律的數學模型。 四、教學重點與難點： 1.教學重點： ① 嘗試建構種群增長的數學模型； ② 根據建構的數學模型解釋種群數量的變化。 2.教學難點： 建構種群增長的數學模型。 五、教學手段： 1.多媒體課件 2.探究實驗器材及成果：血球計數板、酵母菌培養(yǎng)液、根據實驗數據繪制的坐標圖、實驗照片等 六、教學過程： 1 流程圖： 2 教學過程詳表： 教學階段 教師活動 學生活動 設置意圖 導入 1 引導學生回憶： 影響種群密度的種群數量特征有哪 些？ 2 講述： 正是由于諸多因素的影響，使得種群 密度不是一成不變的，那么變化中是否蘊藏著規(guī)律呢？我們興趣小組的同學開展了探究實驗。請他們?yōu)榇蠹疫M行介紹。 3 講述： 興趣小組的同學花了好幾天的功夫得 到了這樣的結果，雖然不能解釋其中的原因，卻為我們提出了一個很好的問題。酵母菌種群為什么會出現這樣的變化呢？ 這就是我們今天這節(jié)課要來學習的問 題：種群數量的變化。（板書“第二節(jié) 種群數量的變化”） 請大家打開學案，完成興趣小組實驗 部分的相關內容。 1 回憶并說出： 影響種群密度的數量特征。 2 興趣小組同學介紹實驗材料、實驗工具和實驗結果。 3其他同學聆聽、觀察與思考，最后填充學案。 通過興趣小組的探究實驗展示，激發(fā)學生的學習動機，引出課題 教學階段 教師活動 學生活動 設置意圖 構建 種群 增長 的數 學模 型 （一） “J”型曲線的構建 資料1 大腸桿菌 1 提問： 科學家很早就對種群數量變化這個問題產生了興趣。我們知道實驗材料的選擇很關鍵，請問，什么樣的材料適合研究數量變化呢？ 2 介紹： 的確，繁殖快決定了細菌成為科學 家的首選，其中大腸桿菌由于結構簡單、分布廣泛所以也成了最常用的科研材料之一。除此以外，大腸桿菌的繁殖方式也很簡單，就是一分為二、二分為四的分裂生殖。 3 提問：（任務1） 科學家做了一個這樣的實驗，把1個 大腸桿菌放在營養(yǎng)和生存空間沒有限制的情況下進行培養(yǎng)，隨著時間的推移，得到如下數據。請仔細觀察數據，你能得出怎樣的結論？ 時間（min） 細菌數量（個） 20 2 40 4 60 8 80 16 100 32 120 64 140 128 160 256 180 512 4 播放視頻并講述： 大家都能認同在這種情況下，大腸桿菌每20min分裂一次，繁殖一代了嗎？ 如果你還不相信，請仔細觀察這段在 顯微鏡下拍攝的視頻。你所看到的1秒鐘相當于實際的1分鐘，很快這個起始數量為2的大腸桿菌種群就擴大到鋪滿了整個視野。為什么會這么快呢？ 5 提問：（任務2） 剛才興趣小組的同學使用坐標圖表述 了酵母菌種群數量的變化趨勢，咱們是不是也可以試著為這群起始數量為1的大腸桿菌種群來繪制一幅坐標圖呢？下面就請大家在學案上完成任務2。注意，你需要使用表格中所有的數據。 （學生板圖大腸桿菌種群增長坐標圖） 6 點評： 對學生在黑板上建構的坐標圖進行點評，引導學生達成共識。 7 提問： 從圖中我們可以看到種群數量呈現出什么變化趨勢？ 8 講述： 我們運用坐標圖這種數學方法描述了種群數量變化這樣一個生物學問題，所以就把這種坐標圖稱為一種數學模型。大家都聽說過航模，那是一種模擬飛機等物體的物理模型；而今天我們認識了數學模型。事實上，數學模型在大家的其他學科中也有應用。比如物理中的各種公式就是另外一種形式的數學模型，它們是表達式。 9 提問：（任務3） 坐標圖這種數學模型最大的優(yōu)點是什么？可是如果我要問你，經過30代以后這群大腸桿菌種群的數量是多少，你能從圖上一眼找到答案嗎？顯然，我們得求助于其他數學模型了，最好的辦法就是找一個更加具有通用性的表達式了。因此，接下來就請大家列出，這個起始數量為1的大腸桿菌種群，繁殖t代后的種群數量Nt的表達式。 （學生板書大腸桿菌種群增長表達式） 10 點評： 對學生列出的表達式進行點評，引導全體學生達成共識。 11 講述： 其實，咱們剛才構建的這個表達式還必須符合這樣一個前提，那就是隨著種群數量的增加，不考慮個體間相互抑制的作用。所以我們得到這個數學模型需要建立在這樣一種假設的基礎上，即種群增長不受種群密度的制約。 而咱們構建的表達式是否正確還需要經過實驗的驗證，比如就過30代后數數看到底有多少大腸桿菌，然后與我們通過表達式計算的結果進行比較。匹配說明模型無誤，不匹配則需要對模型進行修訂。 12 小結： 通過剛才的幾個任務我們認識了數學模型，其實就是指用數學形式來描述問題。它的構建則一般需要經歷“已知、假設、表達、檢驗”這樣四個基本步驟。 這樣咱們就建構了種群數量增長的數學模型。（板書“一、建構種群數量增長的數學模型”） 13 提問：（任務4） 我們知道自然界許多種群起始數量不一定是1，下一代不一定是上一代的2倍，而且繁殖速率要慢得多。那么怎么建構它們的種群數量增長模型呢？ 這里給大家這樣一個種群，在食物、空間充足的前提下，種群的數量每年以一定的倍數增長，第二年是第一年的λ倍。已知該種群的起始數量為N0，t為時間，Nt表示t年后該種群的數量。請大家嘗試建構這個種群的增長模型，使用表達式的形式。 （學生板圖種群增長的一般表達式） 14 點評： 對學生列出的表達式進行點評，引導全體學生達成共識。 15 講述： 我們也可以嘗試建構坐標圖這種數學模型，根據表達式可以想象得到它也應該呈現出指數增長的趨勢。只是注意將起始數量變?yōu)镹0就行。 1 說出選擇實驗材料的標準，列舉可能的實驗材料。 2 觀察表格數據，得出結論。 3 觀看視頻，對快速增長建立感性認識。 4 將表格中數據轉化為坐標圖。 5 認識數學模型。 6將表格中數據轉化為表達式。 7 認同建構數學模型的一般過程。 8 建構一般種群的數量增長模型。 1 滲透科研選材的重要性及使學生明確以大腸桿菌作為研究對象的原因。 2 改編教材中資料呈現形式，從科學研究的角度出發(fā)，引導學生分析數據得出結論。 3 通過視頻使學生對快速增長建立直觀而整體的印象。 4 通過不同形式的數學模型轉換，幫助學生認識各種數學模型的優(yōu)缺點，同時體會數學建模的一般過程。 5 通過遷移訓練，鞏固對數學模型的理解，同時加深對指數增長的理解。 （一） “J”型曲線的構建 資料2 草履蟲 1 介紹：（任務5） 下面給大家介紹科學家利用另外一種材料進行的研究。這是什么？草履蟲和細菌一樣是單細胞生物，分裂生殖，給它們提供足夠的空間并不斷更換培養(yǎng)液，請大家預測這個草履蟲種群的數量變化趨勢，并解釋理由。 2 講述：（任務6） 實際是不是這樣呢？這是科學家獲得的實驗數據，轉化為坐標圖的數學模型，得到這樣的圖像。很顯然，呈現出和前面幾個例子一樣的不斷增長的趨勢。 通過剛才的分析，我們認識到在食物、空間充足、條件適宜的情況下，種群會出現指數增長的趨勢。大家觀察這種曲線外形類似什么英文字母？所以我們將它稱為“J”型曲線。這種曲線只在近乎理想的條件下才會出現。 下面請大家和我一起在坐標圖中畫出“J”型曲線。注意：橫縱坐標，標上條件。 （板圖“J”型曲線） 3 提問： 大家設想一下，我們現實生活中有沒有哪種生物會一直呈現“J”型增長呢？ 事實上，最簡單的起始數量為1的大腸桿菌種群如果一直按照指數增長下去，只需3天就足夠鋪滿我們整個地球。所以在現實條件下“J”型增長絕對不會是常態(tài)，那又會是怎樣的變化趨勢呢？ 1 聆聽介紹，預測種群數量變化趨勢 2 觀察圖片，達成共識。 3 繪制“J”型曲線。 4 聆聽與思考。 1 通過草履蟲實例，考察學生獲取信息能力和對“J”型增長規(guī)律的掌握情況。同時為后面分析高斯實驗做好鋪墊。 2 通過逆向思維，引導學生關注現實條件。 （二） “S”型曲線的構建 資料3 高斯的草履蟲實驗 1 介紹：（任務7） 這是生態(tài)學家高斯利用草履蟲完成的實驗。他在0．5mL培養(yǎng)液中放入5只草履蟲開始進行培養(yǎng)、計數，最終得到這樣一幅圖像。請觀察，與咱們剛才的草履蟲實驗結果有何差異？ 2 講述： 我們觀察到種群數量沒有呈現一直增長下去的趨勢，而是達到了一個最大值并穩(wěn)定下來。當然前提必須是環(huán)境條件不破壞。高斯通過數據分析，得出這個最大值是375只。也就是在這種條件下，0．5mL培養(yǎng)液最多能夠容納375只草履蟲。 推而廣之，在現實條件下，其他生物種群數量是不是也會出現這樣一個最大值呢？科學家陸陸續(xù)續(xù)做了許多實驗，充分證明許多種群在實驗培養(yǎng)條件下，都呈現出這種變化趨勢。生物學上就把這種在環(huán)境條件不破壞的情況下，一定空間所能維持的種群最大數量稱為K值，也叫環(huán)境容納量。 3 提問： 大家觀察這種曲線像什么英文字母呢？ 4 提問：（任務8） 我們認識了現實條件下，種群會呈現出“S”型增長。如果現在給你一個種群，我們已知它在理想條件下的“J”型曲線，就是剛才大家畫的這樣。請大家在同一個坐標系中畫出現實條件下它的種群數量變化曲線。（學生板圖“S”型曲線） 5 點評： 對學生繪制的“S”型曲線進行點評，引導全班學生達成共識。 6 提問： 兩條曲線間的差異是什么原因造成的？（教師板圖“環(huán)境阻力”） 1 聆聽與觀察圖片，比較分析，說出結果。 2 認識K值，明確其定義。 3 認識“S”型曲線。 4 繪制坐標圖。 5明確“S”型曲線與“J”型曲線的差異。 1 通過呈現實驗結果，引導學生觀察得出結論。 2 利用替換與遷移的方式，使學生認識K值并明確其定義。 3 通過繪制坐標圖，考察學生對“S”型曲線的理解情況，及時發(fā)現知識盲點。 4 結合坐標圖分析曲線間差異，便于學生理解“環(huán)境阻力”。 （二） “S”型曲線的構建 生物興趣小組實驗結果分析 1 提問：（任務9） 通過剛才的學習，咱們再來看看生物興趣小組的實驗結果，大家能夠給出解釋了嗎？ 2 在學生分析的基礎上進行補充提問： 如：大致呈現出什么樣的變化趨勢呢？ 有沒有K值？一直維持K值嗎？為什么，可能原因是？ 3 講述： 具體的原因需要經過進一步的實驗來求證了。如果你對這個實驗感興趣，可以在課下和興趣小組的同學以及我進一步探討。 1 解釋興趣小組實驗結果。 2 嘗試分析造成這種結果的原因。 1 應用本節(jié)課所學知識，分析實驗結果，解決開篇的疑問。 2 考察學生對本節(jié)課知識的掌握情況。 3 為學有余力同學開展后需研究提供機會。 （二） “S”型曲線的構建 資料4 高斯的草履蟲實驗 1 提問： 同一個種群，它的K值大小會改變嗎？ 2 提問：（任務10） 科學家設計了這樣一個實驗：將植物乳桿菌分別放在18．2℃、35℃和40℃下進行培養(yǎng)，其他條件相同且適宜。結果繪制出這樣三條曲線。請問，呈現什么樣的變化規(guī)律？K值一樣嗎？為什么？根據這個實驗你能得出什么結論？ 3 提問： 溫度只是一個例子，事實上改變培養(yǎng)液體積、生存空間等等因素，都會使種群的K值發(fā)生改變，因此K值受到環(huán)境條件的影響。如果在坐標圖里表示的話，大家試想一下，曲線會發(fā)生怎樣的改變呢？ 4 提問： 曲線會上下移動。但是大家注意，上移時與“J”型曲線接近，卻無法超越，為什么呢？ 1 思考 2 觀察圖片，聆聽介紹，分析實驗結果，得出結論。 3 說明環(huán)境條件改變時，“S”型曲線的移動情況。 1 展示科研實例，使學生深入理解環(huán)境阻力對種群增長，尤其是K值的影響。 2 為后面分析“提高K值，拯救瀕危生物”做知識鋪墊。 3 訓練圖形分析能力。 種群數量增長模型的應用 拯救瀕危生物，防治有害生物 1 講述并提問： 事實上許多自然種群數量也都呈現出“S”型變化規(guī)律。比如人見人愛的國寶大熊貓。我們都知道現在大熊貓主要分布在我國四川、陜西南部。可是科學家通過考古發(fā)現大熊貓化石分布范圍很廣，在我們北京都曾出現過。為什么它們的數量出現銳減？ 2 提問： 從根本上來說我們應該從什么方面著手開展保護呢？ 3 介紹： 許多生物和大熊貓有著相似的遭遇。比如我們大興有個麋鹿苑，這種俗稱四不像的生物一度在野外絕跡；這是鯨魚，每年由許多鯨魚喪生在人類的手上；而更危險的是白鰭豚，它們曾經生活在我國長江流域，可是xx年科學家通過野外考察發(fā)現沒有找到一只野生的白鰭豚。面對著這么多亟待拯救的瀕危生物，我們能做什么呢？降低環(huán)境阻力，提高K值。 4 出示老鼠圖片，提問： 如果是這樣的生物呢？我們都知道“老鼠過街、人人喊打”。在有些地方，它們的確達到了成災的地步。怎樣控制這些有害生物呢？那就是增大環(huán)境阻力，降低K值。 5 講述： 所以我們可以利用今天學習的種群數量增長知識，來進行瀕危生物的保護和有害生物的防治。（板書“二、應用”） 1 觀察圖片，思考原因，說出對策。 2 聆聽介紹，達成共識。 3 知識遷移，說出對策。 1 通過背景信息介紹，豐富教材資源，引導學生關注瀕危生物保護。 2 訓練知識遷移能力。 防范生物入侵 1 介紹并提問： 現實條件下有沒有可能短期出現“J”型增長呢？請看這個例子。這是1937年將環(huán)頸雉這種鳥引入到美國某島嶼后5年間種群數量變化的曲線圖，可以看出它呈現明顯的“J”型增長。為什么會出現這樣的情況呢？ 2 介紹： 環(huán)頸雉生殖能力還不算太強大，可如果換成了這些生物移入一個新的環(huán)境，大家看看出現了怎樣的后果？ 這是水葫蘆，作為豬飼料引入我國，結果在池塘中迅速蔓延，泛濫成災。這是澳大利亞的野兔，19世紀初被英國人帶去24只，一個世紀后發(fā)展到6億多只，大量啃食草皮，造成水土嚴重流失。這是近年在我國十分猖獗的美國白蛾，幼蟲大量啃食枝葉，對樹木造成嚴重危害。這些外來物種在新環(huán)境中由于缺少天敵、食物和生存空間豐富，呈現近似“J”型增長，我們將其稱為生物入侵。 3 提問： 為了控制生物入侵，大家想想應該怎么辦呢？ 4 介紹： 給它們制造環(huán)境阻力，改變“J”型增長趨勢。 1 觀察圖片，思考原因。 2 認識生物入侵。 3 思考控制生物入侵的對策。 1 分析實例，認識現實條件中“J”型增長的條件。 2 由環(huán)頸雉過渡到生物入侵的討論。 3 引導學生關注生物入侵，應用所學知識，思考對策。 自然種群的數量變化 1講述： 我們運用種群數量增長模型解釋了一些生產生活中的實際問題。事實上，大部分自然種群的數量不會是單純的增加或減少。請大家觀察這幅圖片?？茖W家從1928～ 1977年長達52年間對一個歐洲灰鷺種群數量進行追蹤調查，最終繪制出這樣的變化曲線。 我們看到有些階段種群數量增加，有些則減少，也就是呈現出一種什么狀態(tài)？ （板書“三、自然種群：波動”） 2 提問： 什么因素會造成種群數量的波動呢？ 3 介紹： 科學家研究發(fā)現灰鷺數量減少的年份大多經歷了寒冬；而數量持續(xù)增加的年份則是持續(xù)暖冬?？梢姎夂虻拇_對種群數量起到了很大的影響。除此以外，食物的多少、天敵的多少還有就是像禽流感這樣的傳染病使很多鳥都死去，勢必引起種群數量的變動。 像食物、天敵這樣，就要涉及到不同種生物之間的關系，這將是什么水平研究的問題呢？那我們下節(jié)課在“群落”中再繼續(xù)去探討它們對種群數量的影響。 1 觀察圖片，分析規(guī)律。 2 思考并說出影響因素。 3 聆聽介紹。 1 呈現實驗結果，使學生更加信服。 2 訓練圖形分析能力。 3 為下節(jié)課群落水平的研究做鋪墊，同時結束本課。 七、板書設計： 第四章 種群和群落 第2節(jié) 種群數量的變化 一、 建構種群數量增長的數學模型： 二、 三、 種群數量增長模型的應用： 四、自然種群數量的變化：波動 五、教學反思： 1 值得肯定之處： （1）巧妙開展和呈現“培養(yǎng)液中酵母菌種群數量變化”探究實驗： 鑒于實驗設備和時間所限，我將此探究實驗調整為生物興趣小組實驗，整個實驗過程只對學生進行選材和操作方法的指導，實驗方案設計由學生提出，得到的實驗結果也不過多進行解釋，而是引導學生自己開展分析，體現了倡導探究性學習的理念。 導入環(huán)節(jié)由興趣小組成員向全班同學介紹實驗材料、實驗方法和實驗結果，激發(fā)學生學習動機，自然引出本節(jié)主題。 在學完兩種曲線模型后再對實驗結果進行討論，符合學生的認知規(guī)律和需求，并且考察了學生對知識的掌握情況。 （2）科學調整與整合教學資源： 我將教材中“計算大腸桿菌在不同時間數量”的學習任務改為以實驗現象的形式呈現大腸桿菌在不同時間數量，請學生分析結論。我認為這更符合科學家進行這項研究時的流程，即先發(fā)現現象，后總結規(guī)律，繼而建立模型，最后進行驗證。同時也讓學生認識到科學研究始于觀察與發(fā)現問題。 在“J”型曲線和“S”型曲線的學習中分別呈現了兩個草履蟲的實驗，通過介紹實驗背景信息，引導學生進行比較分析，便于得出結論。 “應用”環(huán)節(jié)，在分析環(huán)頸雉實例的基礎上順理成章地引出“生物入侵”的討論。在“瀕危生物保護”的討論中，補充了大熊貓目前分布范圍和化石分布范圍的圖片，使學生對K值降低原因有更真切的體會。 （3）認真分析新課標與新教材，大膽取舍： 舊教材中這一部分的教學常常重點分析種群增長率和增長速率，并討論K/2的含義及其在生產上的應用。課標對于本節(jié)課的要求是“嘗試建立數學模型”，重在科學方法的訓練；人教版新教材中則沒有對上述知識點進行分析，所以在教學設計中我將其大膽舍棄。 2 有待改進之處： （1）由于學生的數學基礎較差，數學模型建構過程耗時較長，導致后面關于“應用”的討論略顯倉促。 （2）如果能使全體學生參與到探究實驗中來，能夠更加充分發(fā)揮訓練學生探究能力的作用，同時也能夠為本節(jié)新課的學習提供很多教學資源。