1.1基于模型建构的“调查种群密度” 教学设计 -2021-2022学年高二上学期生物人教版选择性必修2

高中生物-基于模型建构的“调查种群密度”教学设计
“种群的数量特征”是新人教版高中生物学教材选择性必修２《生物与环境》第１章“种群及其动态”第１节的内容，种群密度是种群最基本的数量特征，种群密度的调查可以为害虫预测预报、濒危物种保护、生物资源评估、生物多样性保护等提供重要依据。由于课时和客观条件的限制，很多学生没有实际调查过种群密度，以致出现很多认知的偏差。运用模型与建模思维可以重现生物演化进程中无法再现的场景，如：模拟原始地球环境中有机物起源的米勒实验。将模型与建模的方法应用于课堂教学之中，特别是利用生活中易于获取的实物建构物理模型，可以提高学生的科学思维和科学探究能力。
１．设计思路
本节课以常见材料(白芝麻、黑芝麻)建构调查种群密度的物理模型，设计三个探究活动，在模型建构中让学生实践“样方法”“标志重捕法”。针对建模中遇到的问题，以两个讨论议题分析模型，提高学生建模与分析、运用模型的能力。以兴趣引导、任务驱动、小组合作探究等活动，引导学生建模—析模—用模，应用模型与建模的科学思维解决实际问题。
２．教学目标
基于《普通高中生物学课程标准(２０１７年版２０２０年修订)》(以下简称《课程标准》)的内容要求、学业要求和学业质量标准，并围绕培养学生学科核心素养的要求，制订了如下教学目标：(１)通过观察校园绿化带照片，提出调查种群密度时遇到的问题。(２)掌握建模的方法，学会分析物理模型，找到符合自然界实际情况的调查方法，估算校园某种生物的种群密度。(３)联系生活实际，认识调查种群密度对生活、生产、生物多样性保护的意义，提高学生的科学思维能力及社会责任感。
３．教学过程
３．１问题引入——校园植物的种群密度调查
教师先讲述调查种群密度对生产、生活、生物多样性保护的重要意义，然后出示校园植物照片(如带状分布的石楠、不规则分布的鸢尾)，校园植物的分布可能不均匀、取样地也可能不规则。教师须引导学生提出在调查校园植物种群密度时遇到的问题，也可以拓展问题：如何调查草原上鼠的种群密度？ 为草原上牧民防治鼠害提供建议。设计意图：校园植物的种群密度调查可以吸引学生关注身边的生物学问题，本环节重在吸引学生关注现实中的生物学问题，激发学生的求知欲。
３．２建模探究——分解为三个课堂探究活动
在课堂上以模型建构的方式模拟种群密度的调查，教师将准备好的测量纸(图１)、一定量的白芝麻、黑芝麻分发给各学习小组。
３．２．１活动一：调查白芝麻的总数量
教师提出问题：如何将白芝麻分布于测量纸？ 白芝麻是否必须均匀分布于测量纸？ 现实中的种群是如何分布的？ 学生分小组讨论白芝麻分布的方式和样方的选取方案，而后将白芝麻分布于测量纸上。统计样方内白芝麻的数量，并依据“计上不计下、计左不计右”的原则统计样方线上的白芝麻。然后计算所选样方白芝麻的平均值，与总面积求积得出白芝麻的总数量(图２)。
３．２．２活动二：改变测量区域，如对折方格，再次调查白芝麻的总数量
将样方形状改变，进行模型转换，启发学生面对不规则取样地时，应因地制宜确定取样方式。教师提出问题：面对不规则取样地时，如何调查种群密度？改变测量区域后，样方的选取方式也应改变，教师引导学生讨论并进行操作，将测量结果与第一次所测数据对比，相互验证。
３．２．３活动三：以黑芝麻为标志物，模拟标志重捕法调查白芝麻总数量
教师提示：以黑芝麻为标志物，如何模拟标志重捕法？大部分学生的初步想法是将一定量黑芝麻掺入白芝麻中，但是有些同学很快就发现这样操作会增加芝麻的总数量，建构的模型不符合原型事实。经过讨论，有些学生提出可以用等量的黑芝麻替代等量的白芝麻，这样的“等效替代法”符合标志重捕法的实际情况，也更符合自然界中对活动能力强的动物的调查。设计意图：通过白芝麻、黑芝麻模拟生物原型，将种群密度调查分解为三个探究活动，使学生的科学思维能力得到螺旋式提升。在问题的分析与处理过程中培养学生的模型建构能力，通过小组合作探讨模型建构是否准确模拟了生物原型，培养了学生的质疑、实证、交流能力及科学思维能力。
３．３析模解释——展示探究过程，共建科学思维能力
教师辅助分析“五点取样”“等距取样”是针对不同类型的取样地采用的方法，引导学生分析教材中对分布不均匀的蒲公英种群的调查(图３)，并拓展到弧形、扇形等不规则取样地的种群密度调查。
３．３．１小组展示探究过程、结果与相互评价
各小组派代表汇报探究过程和调查结果，其他同学做出评价和建议。教师展示各小组白芝麻的真实数量，引导学生自我检测所测数据。不同小组所测得白芝麻数量可能差异较大，同一小组在三个活动中得出的结果差异也可能较大。如果数据误差较大，教师可引导学生讨论、分析建模中存在的问题，并提出改进方案。本环节旨在通过展示与评价，让学生的建模思维得以呈现。
３．３．２ 讨论一：取样方法只有“五点取样”和“等距取样”吗
以教材中校园草坪上蒲公英的种群为例(图３)，教师引导学生讨论种群非均匀分布和样方不规则时，如何选择具有代表性的样方。假如可以多选取几个样方，怎样才能使结果更准确呢。学生经过讨论，认为应该在分布密集和稀疏的样方分别取样，并照顾到相应的分布比例。分析得出“五点取样”和“等距取样”均是为了排除主观因素干扰，样方的选取应因地制宜，因种群分布制宜。
３．３．３讨论二：标志重捕法中标志物的选取对调查结果有什么影响
标志重捕法适用于活动能力强的动物，如鼠、兔、河豚等的密度调查，需要先捕获并标记一定量个体，然后将其放回到捕获地，重捕后计算有标记个体所占比例，再与重捕数量求积即调查对象的总数。在标记物的选取上应注意标记物不能过于醒目，不能影响被标记对象的正常生理活动，且标记物应不易脱落，能维持一定时间，否则容易造成偏差。本节课模型建构中应注意用等量的黑芝麻替代白芝麻，这样的“等效替代法”更符合自然界对活动能力强的动物的调查。
设计意图：小组展示探究过程和结果能够体现学生构建模型的科学思维能力，通过小组的相互评价，学生能够认识到模型构建应能真实模拟原型的形态、特征和本质。在设计的两个讨论题中，学生能够掌握自然界不规则取样地的调查方法、标志重捕法的原理和注意事项。
３．４用模拓展——回归初始问题，提出解决方案
经过学习，回到校园植物种群密度调查的问题，学生提出解决方案：选取样方应照顾到个体分布稀少的样方，面对不规则的样方，应先估算所选样方的种群密度，然后根据样方面积求出该种群的平均密度。设计意图：经过建模—析模，学生较容易解决校园植物密度调查的问题，学生对知识的获得感和自信心得到了提升。通过运用模型建构思维解决现实中的问题，学生可以认识到调查种群密度对害虫预测预报、生物资源评估、生物多样性保护等具有重要意义。
３．５迁移应用——检测学科核心素养达成情况
依据学生在建模过程中遇到的问题，教师预设随堂练习检测学生的模型建构能力。
【例１】下列有关样方法说法正确的是(　　)
A．五点取样和等距取样是样方法取样的常用方式
B．样方法调查蒲公英种群密度时在分布密集的地块进行随机取样
C．统计种群密度时，应去掉采集数据中最大、最小值后取平均值
D．样方法调查草地中的蒲公英时，不统计正好在样方线上的个体
【参考答案】A
【例２】在对某种鼠的种群密度的调查中，第一次捕获并标志３９只鼠，第二次捕获３４只鼠，其中有标志鼠为１５只，由于该鼠被捕一次后更难捕捉，因此推测该鼠的种群数量最可能(　　)
A．小于８８只 B．大于８８只 C．小于７７只 D．大于７７只
【参考答案】A
【设计意图】随堂练习有助于教师及时检验学生的学科核心素养达成情况。为检测学生运用科学思维分析和处理问题的能力，笔者选择以上两道情境化试题，旨在通过答题情况获得学生对所学知识掌握情况。其中，例１考查调查种群密度的取样和计算方法；例２考查标志重捕法的原理及学生对标记个体数量变动的处理能力。
４．教学反思
贴近生活的教学素材能激发学生的求知欲和探索热情，教师要善于利用生活中的素材设计探究活动。本节课以学生身边的植物种群密度调查为切入点，利用生活中易于获取的实物建构物理模型，以探究活动驱动学生积极动手、动脑，主动发现并解决问题。通过对建构模型的质疑、实证、交流及相互评价，锻炼了学生的学科核心素养和创新精神。通过对模型与原型讨论及标记物模拟效果的改进，培养了学生的科学思维及社会责任。