种群数量的变化

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种群数量的变化
——教学设计（生物必修3）
一、指导思想与理论依据
建构主义教学观认为学习不仅受外界因素的影响，更主要地是受学习者本身的认知方式、学习动机、情感、价值观等的影响，所以科学学习不是接受现成的知识信息，而是基于原有经验的概念转变。因此这节课的设计思路是建立在学生已有知识的基础上展开的。
其次，建构主义启示我们，每一种理论与法则的建立都隐含着科学家们的科学探索精神和科学方法的运用（知识的建构过程）。无论科学知识发生怎样的变化，这种精神和科学方法的运用是始终如一的，它们才是科学的本质。所以透过现象揭示本质（即建构数学模型解释种群数量变化）是本节课的重心。
二、教学背景分析
1.教材分析
本节课是必修3第四章《种群和群落》的第二节内容，安排在《种群的特征》之后，使学生有种群和群落的相关知识做为铺垫。其次，了解种群数量变化是学习群落的结构和演替的基础。
内容上，本节课分为三个部分：第一部分是建构种群增长模型的方法，是本模块科学方法教育的侧重点，也是新课改新增的一个内容，体现了课改的理念注重对学生方法和能力的培养。第二部分是种群数量的变化情况，在讲述J型和S型增长曲线的同时，让学生进一步体会建构数学模型的方法；对K值的理解重视联系社会实际，对学生进行情感态度与价值观的教育。第三部分是“探究培养液中酵母菌种群数量的变化”，是一项有着多方面意义和价值的探究活动。
2.学情分析
学生对生物学已经有了一定的认识，对数学模型的概念也并不陌生，在学习生物学的其他内容的时候，学生已运用过数学方法解决生物学的问题，例如，对遗传规律的认识、酶活性的变化规律曲线图等。其次，通过必修1的学习，同学们已经有了一定的探究实验的能力，因此，本节是在学生已有知识的基础上，重新建构新的知识──建构揭示生物学规律的数学模型，在认知上并不是非常困难。
三、教学目标
课程标准中对这一节内容的要求是“尝试建立数学模型解释种群的数量变动”。该条内容标准有两层涵义：其一，“尝试建立数学模型”属模仿性技能目标，旨在通过原形示范（细菌的数量增长）和具体指导，学生能完成建立数学模型；其二，“解释种群的数量变动”属理解水平的知识目标，旨在把握数学模型（抽象）与种群的数量变动（具体）之间的内在逻辑联系。因此本节课的教学目标确定如下：
1.知识目标
①学会用数学模型解释种群数量的变化。
②说明建构种群增长模型的一般方法。
2.情感态度与价值观
关注人类活动对种群数量变化的影响，增强保护濒危物种的意识，增强环境保护维持人与自然和谐发展的意识。
3.能力目标
尝试建构种群增长的数学模型，培养学生透过现象揭示本质的同察能力和严密的思维品质。
四、教学重点和难点
1.教学重点
尝试建构种群增长的数学模型，并据此解释种群数量的变化。
2.教学难点
建构种群增长的数学模型。
五、教学策略
本节课的设计思路是按照探究实验的一般方法进行的：
1、从生产实践提出问题——种群数量的变化规律是什么？
2、设置不同的前提条件，作出假设——设计实验——验证修正
活动探究1——假设：在资源和空间无限的情况下
构建数学模型：Nt=N02t，J型增长曲线
设计实验验证
活动探究2——假设：在资源和空间有限的情况下
构建数学模型：S型增长曲线
科学家的实验验证
活动探究3——预测在自然环境下，种群的增长又如何？
在情况满足的情况下，存在J型增长曲线和S型增长曲线，
但受到内因和外因的影响多数种群的增长是波动的。
实例验证
3、运用迁移——运用所学的知识解决生活实践中的问题，及课首的问题。
设计三个探究的意图在于凸显科学探究的方法：从简单到复杂，从个别到一般。其中探究1和探究2都是在实验室里进行，从简单的生物细菌和草履虫开始研究，然后再过渡到自然环境中复杂的生物，即探究3，并把从研究细菌和草履虫得到的规律推广和运用到自然界中大部分的生物。
最后，学习和探究的目的都是为了解决现实生活中的问题，所以回到课首，解决现实中的问题，这样即做到了前后照应，又可以圆满的结课。
六、教学资源准备
学生以小组的形式参与课堂探究，座位可以设置为小组对坐式。做好课件和其他相关准备。
七、教学过程
教学内容 教学活动 学生活动 教学意图
问题探究 渔民经常被这样的问题所捆扰：不捕捞或者捕捞很少，鱼类资源得不到充分利用，捕捞过多，又会造成鱼类资源的枯竭，那应当捕捞多少才合适呢 什么时候捕捞才是最好的呢 如何解决这个难题呢？要解决这个问题，就要搞清楚种群的数量变化规律。引出课题——第二节 种群数量的变化 学生进行思考，但问题比较深奥 激发学生的探究欲望，从生产生活实践中提出问题。
活动探究1（学生基于已有的数学知识进行演算。） 选取研究对象——细菌开始研究：背景：在自然界中细菌无处不在，而且繁殖力强，周期短。假如现有一种细菌，在营养和生存空间没有限制，适宜的温度、湿度等环境下，每20 min左右通过分裂繁殖一代。请同学们完成下列讨论。 讨论：1.细菌的生殖方式是怎样的？2.72 h后，由一个细菌分裂产生的后代数量是多少？3.由一个细菌繁殖t代后，细菌数量是多少？4.如果培养皿中有N0个细菌，则繁殖t代后细菌总数量Nn应该是多少？（过渡）种群的数量变化除了用数学公式表示，还有没有更直观的数学表现形式？请同学们尝试绘制细菌的数量增长曲线，并描述曲线的增长趋势。小结：逻辑推理提出合理假设前提条件：在资源和空间都无限的情况下；建构模型：Nt=N02t，J型增长曲线（过渡）上述结论是同学们根据推理得出的假设，下一步，做实验验证。 学生基于已有的数学知识进行演算。学生讨论，充分陈述自己的观点。 从简单的生物开始。通过创设具体的情境，让学生感受活生生的生命现象。用数学语言揭示生物学问题时，要充分考虑到生物学自身的特点。认识到在生物学中有许多现象和规律可以用数学语言来表示。认识种群数量增长模型的另一种表现形式。
验证实验 有学生做了这样的实验：利用进行分裂生殖的单细胞的原生动物草履虫做实验，使用提纯的草履虫种群放在50ml的烧杯中，用稻草秸杆溶液培养，每天进行观察，记数、并作好记录，每天记录后马上更换到更大的容器中，并添加新的稻草秸杆培养溶液，连续观察、记录6天，结果如下表：时间第一天第二天第三天第四天第五天第六天个数15001580400678201618028130 曲线图见课件（过渡）可见前面的探究是正确的。 培养学生设计实验的能力，和分析实验的能力。认识科学是基于实验的基础上进行的。
活动探究2（更换实验条件，继续探究） 如果在验证的时候，我们不更换到更大容器中，不添加新的培养液，结果又会怎样？（请同学们讨论后，用坐标图的形式展示讨论结果，并阐述理由。）（请一两名学生上台展示，并阐述理由。）用高斯的实验验证同学们的结论。小结：逻辑推理提出合理假设前提条件：在资源和空间都有限的情况下；建构模型： S型增长曲线（过渡）上述讨论都是在实验室做的，在自然状况下，种群的增长又会怎样？ 学生独立操作完成图表，相互交流结果。 从资源和空间上思考种群增长问题。小组合作进行讨论
活动探究3（从特殊到一般） 请同学们预期自然界中种群的增长规律。如果有类似于实验室的增长类型，请举例说明？同学们一般能举例出J型和S型的增长实例，老师还可以补充举例，如：“J”型增长实例： 澳大利亚兔灾“J”型增长实例：外来种入侵——水葫芦等并类比细菌的增长公式，推导出适合于J型曲线的一般公式：模型假设：食物充足，空间不限，气候适宜，没有敌害等；建立模型： Nt ＝ N0λt参数意义：N0 －种群初始数量；　　　　　λ－ 种群每年增长倍数； t － 时间思考：同种种群的K值，是不是固定不变？当种群数量达到K值时，能在K值维持稳定吗？小结：在情况满足的情况下，自然界中确实存在J型增长曲线和S型增长曲线，但受到内因和外因的影响多数种群的增长是波动的。内因：出生率和死亡率等外因：气候、食物、天敌等 学生讨论教材中“思考与讨论”素材。学生讨论教材中东亚飞蝗种群数量的波动。讨论影响种群数量波动的因素。 通过具体实例，加深对数学模型的理解，并用生物学语言解释“S”型曲线（数学模型）明确在自然环境中“J”型种群增长的原因。学会从特殊到一般的探究过程。从多因素思考种群数量的变化？理解人为因素在种群数量变化中起的作用。渗透人与自然共同发展及可持续发展的情感教育。
归纳提升一、知识结构二、过程与方法 比较种群增长的“J”型曲线和“S”型曲线 “J”型曲线“S”型曲线前提条件资源空间无限资源空间有限有无最大值无有，K值增长速率越来越快先增后减，K/2时最大其他Nt=NoλtK为环境容纳量回忆整节课的内容，总结建构数学模型的一般方法。 学生讨论建立种群数量的数学模型的方法。 把握学习方法要旨。结合本节的问题探讨，认识建立种群增长模型的程序和方法。从具体的生物现象与规律建立抽象的数学模型，又用抽象的数学模型来解释具体的生物学现象与规律，这是学习本节的要旨。
运用迁移 运用本节课所学的内容，回到课首解决实际中的问题。明确，在K/2的时候捕鱼最好，因为这个时候鱼的种群增长速率最快，鱼类资源的恢复能力最强，又能够获得最好的经济效益。 学会知识的迁移运用和解决实际问题。
八．教学效果评价
本节生物教学充分体现了以学生为主体，教师为主导的探究型教学思想，收到了良好的教学效果。较为成功的方面有以下几点：从现实生活中的问题出发，提高了学生的学习兴趣。通过分组讨论，锻炼了学生的自学能力和探究能力。通过相互交流学习，培养了学生的表达能力和协作精神。通过类比推理，培养了学生的逻辑思维能力。运用数学知识解决生物问题，让学生体会到学科间的相互渗透，意识到学好每科的重要性，学生亲自推导效果明显比教师的传统讲授记忆牢固，而且有很大的挑战性。
遗憾的方面有以下几点：在时间控制上，有些前松后紧，这就说明了在备课过程中忽视了备学生的重要环节，在以后的教学中，要真正的做到时间分配的合理性，充分发挥学生的能动性，细致到每分钟的教学活动。其次，信息技术方面，不够熟悉网页的制作，课件互动上面还不够。最后，学生反应方面，不够活跃。在以后的探索中，将努力把好的方面发扬光大，不足的方面及时修正。
九．教学设计特色
本节课与以往的教学设计相比有以下特点：首先，教学理念新颖，充分体现了新课程理念，面向全体学生，倡导探究式学习，注重与现实生活的联系，真正改变了学生的学习方式，以探究性学习为主体来获取知识，强调了学习过程和方法的培养。其次，教学方法独特，是以建构主义理论为基础，建构数学模型的一般步骤为思路，按照创设情境、问题探讨、层层深入展开课题的，遵循了学生的认知规律。
提出问题
提出合理假设
逻辑推理后（或根据实验
数据），用数学语言表达
进一步实验或观察，对模型
进行检验或修正
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