半封閉人工生態(tài)系統(tǒng)實驗的創(chuàng)新

實驗在生物生態(tài)教學中，能為學生提供認知材料和學習情境，激發(fā)學生的學習興趣，對科學方法和思想的獲得，以及對研究能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，都有十分重要的意義。

我設計一個半封閉人工小生態(tài)系統(tǒng)的實驗，希望同學們試著做，體會生物學實驗的重要性，同時也鞏固一下生態(tài)系統(tǒng)中生態(tài)因子之間的相互關系。

生態(tài)系統(tǒng)是指在一定時間和空間內，由生物群落與其環(huán)境組成的一個整體。各組成要素間借助物種流動、能量流動、物質循環(huán)、信息傳遞和價值流動，而相互聯(lián)系、相互制約，并形成具有自調節(jié)功能的復合體。

它有四種成分組成：非生物的物質和能量、生產者、消費者、分解者，生產者、消費者和分解者是緊密聯(lián)系、缺一不可的。其中，生產者和分解者是聯(lián)系生物群落與無機環(huán)境的兩大“橋梁”；生產者與各級消費者以捕食關系建立的食物鏈和食物網(wǎng)是生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結構，是能量流動和物質循環(huán)的渠道。

生態(tài)系統(tǒng)的結構應該包含兩部分內容：生態(tài)系統(tǒng)的成分和食物鏈及食物網(wǎng)。

一、半封閉人工生態(tài)小系統(tǒng)的制作過程

1.非生物的物質和能量。

第一步，找一個大的透明塑料瓶，先在底部中央用電烙鐵燙一個直徑0.5cm左右的小孔，在距底部2／5以上的部位，每隔1cm左右用電烙鐵烙一個0.3cm左右的小孔，有繪畫特長的同學，可以先在塑料瓶壁上繪制出圖案，再用電烙鐵烙出自己喜歡的各種圖形。

第二步，往瓶里裝一些含大量腐殖質的優(yōu)質栽培營養(yǎng)土，壓實。注意：土的高度要低于瓶下部2／5處1cm左右，以免以后澆水時水溢出。

第三步，把瓶放到陽臺，“非生物的物質和能量”這一環(huán)節(jié)就做好了。

2.生產者。

買一些帶根的青年小白菜，選擇一顆根部受損害較輕的，首先把外部的大片葉用剪刀從根部去掉(注意：不要傷及根部)，留下3～4片小葉即可，然后把它種植到瓶里，澆足底水，放在陽臺上。不要讓陽光直射，以免植株因水分過度蒸發(fā)而死亡，等到小白菜完全成活后，方可置于陽光下，讓其茁壯生長。

另外，要及時澆水，澆水要遵循“見干見濕”的原則，即土壤干了再澆水，每次澆水要做到徹底澆透。大約兩周左右，小白菜就會長滿整瓶。

這樣，“生產者”這一環(huán)節(jié)就做好了。

3.消費者。

同學們都喜歡飼養(yǎng)小動物，而那些既飼養(yǎng)方便又能給人帶來快樂的，是所有同學的首選。在這所有的家養(yǎng)小動物中，推薦蟋蟀和蟈蟈(即冬嘶)，這兩種小動物取之簡單，在花園里、農田里，都有它們的蹤影，或捉或買，很方便。

蟈蟈是昆蟲綱、直翅目、冬蜥科的昆蟲，蟋蟀是昆蟲綱、直翅目、蟋蟀科的昆蟲，這兩種小動物的雄性個體前翅上有發(fā)音器。它們的翹翅左右摩擦，從而震動發(fā)音，發(fā)出音調，再經過兩前翅和身體之間形成的類似“共鳴箱”結構的共鳴，就可以“演唱”出動聽晚耳的“歌聲”，而雌性個體是不會“叫”的。

等到小白菜幾乎要長滿瓶的時候，將一只雄性的蟈蟈或蟋蟀放到瓶中，蓋上瓶蓋，將瓶置于陽臺上即可。注意，因為，冬蜥科的昆蟲和蟋蟀科的昆蟲都有雄性間好斗的特性，所以，一個瓶子只能放置一個雄性個體。

這樣，“消費者”這一環(huán)節(jié)就做好了。

4.分解者。

土壤里有大量的細菌和真菌以及某些原生動物，能分解動植物的殘體、糞便和各種復雜的有機化合物，吸收某些分解產物，最終能將有機物分解為簡單的無機物，并把它們釋放到環(huán)境中去。

另外，也可以放置一兩條蚯蚓，蚯蚓是腐食性環(huán)節(jié)動物，可以充分利用有機廢物，像小白菜的殘枝敗葉，蟈蟈、蟋蟀的糞便，都是蚯蚓的食物，蚯蚓把這些東西吃下以后，可以將其轉化為肥料，供小白菜生長發(fā)育的需要。蚯蚓的活動還能疏松土壤，促進根的發(fā)育和吸收營養(yǎng)物質。

這樣，“分解者”這一環(huán)節(jié)就做好了，整個人工生態(tài)小環(huán)境也就做好了，我們把它叫做“生態(tài)瓶”。

二、生態(tài)瓶的食物鏈和物質循環(huán)及能量流動

1.生態(tài)系統(tǒng)中的食物鏈。

生態(tài)系統(tǒng)中，由食物關系把多種生物聯(lián)接起來，一種生物以另一種生物為食，另一種以第三種生物為食……彼此形成一個以食物聯(lián)接起來的鏈鎖關系。

在這個人工生態(tài)小環(huán)境中，含大量腐殖質的優(yōu)質栽培營養(yǎng)土，富含大量的可供小白菜生長發(fā)育的礦質元素，陽臺上窗臺外的陽光，以及通過生態(tài)瓶的外壁上的小孔進出的空氣，共同組成了“非生物的物質和能量”；小白菜從生態(tài)瓶中的土壤里吸收水分和礦質營養(yǎng)，從空氣中吸收CO₂利用陽光，將水和CO₂合成糖類，再進一步合成其他有機物，以滿足生長發(fā)育的需要，所以，小白菜是“生產者”。

在生態(tài)瓶里，蟈蟈或蟋蟀是動物，自己不能利用C02和水合成有機物，它們以小白菜的嫩葉為食，所以，蟈蟈或蟋蟀是“消費者”；土壤里有大量的分解者，主要是細菌和真菌以及某些原生動物，以及蚯蚓，它們能夠充分利用蟈蟈或蟋蟀的糞便和小白菜的殘枝敗葉，分解為簡單的無機物，并把它們釋放到小生態(tài)環(huán)境中去，所以，它們是“分解者”。

在這個生態(tài)瓶中，共有兩條食物鏈：

A、捕食性食物鏈：其構成形式是：小白菜一蟈蟈或蟋蟀；

B、腐生性食物鏈：小白菜殘體及蟈蟈或蟋蟀的糞便一蚯蚓一微生物(或者小白菜殘體及蟈蟈或蟋蟀的糞便一微生物)。

2.物質循環(huán)鏈。

生態(tài)瓶里，物質循環(huán)是各種物質在半封閉的條件下，在一定的程度上，各種物質反復循環(huán)利用，并且體現(xiàn)物質是能量的載體，使能量隨食物鏈流動。

生態(tài)瓶的物質循環(huán)如下圖所示：

3.能量流動鏈。

生態(tài)系統(tǒng)的能量流動具有單向性和逐級遞減。生態(tài)瓶的能量流動如下圖所示：

4.能色量流動和物質循環(huán)的區(qū)別和聯(lián)系。

能量流動和物質循環(huán)的區(qū)別在于：物質循環(huán)中，多種物質反復循環(huán)利用，而能量流動則是單向流動，并逐級遞減；二者的聯(lián)系在于物質循環(huán)是能量的載體，使能量隨食物鏈流動而流動，能量流動作為動力，使得物質反復循環(huán)利用。

5.生態(tài)平衡。

生態(tài)系統(tǒng)中的能量流和物質循環(huán)在通常情況下總是平穩(wěn)地進行著，與此同時，生態(tài)系統(tǒng)的結構也保持相對的穩(wěn)定狀態(tài)，這叫做生態(tài)平衡。在這個半封閉人工小生態(tài)系統(tǒng)中，生產者、消費者以及分解者在一定時間內，結構和功能處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，其物質和能量的輸入輸出接近平衡。

6.生態(tài)瓶內小環(huán)境。

一般情況下，不用給蟈蟈或蟋蟀添加其他食物，瓶里小白菜每天的生物同化量，足夠蟈蟈或蟋蟀取食，而小白菜的殘枝敗葉和蟈蟈或蟋蟀的排泄物，也可以滿足一兩條蚯蚓和微生物的分解需要。

但是，這個生態(tài)瓶不是完全的密閉狀態(tài)，而是半封閉，為了調節(jié)瓶內的溫度、濕度以及C02的含量，瓶壁上應鑿很多小孔，防止溫度和濕度過高。另外，如果瓶內的土壤干燥，要及時澆水，以滿足小白菜對水的需求。

這個系統(tǒng)維護起來方便、簡單，非常適合中學生制作，既學習了生物知識；掌握了實驗操作技能，又結識一個“小伙伴”，欣賞它們快樂、悅耳的歌聲。

三、學生自己動手做實驗的意義

1.培養(yǎng)了學生學習的興趣。

實驗教學可以充分調動學生學習興趣，通過看得見、感受得到的實驗現(xiàn)象，能使學生始終處在良好的情緒狀態(tài)中學習，充分調動學生的學習興趣，使得學生學習的主動性、積極性都得到充分的發(fā)揮。

通過自己動手做實驗，使學生認識到生態(tài)系統(tǒng)各成分間是緊密聯(lián)系、缺一不可的，體會進行保護生態(tài)環(huán)境的重要性；再者，通過自己動手制作并維護生態(tài)瓶，可以讓學生認識到生態(tài)系統(tǒng)是一個生物與環(huán)境組成的統(tǒng)一整體，生物與環(huán)境是相互聯(lián)系、相互影響的。

2.培養(yǎng)學生動手能力和培養(yǎng)學生觀察能力。

實驗操作是培養(yǎng)學生動手能力的最好機會和途徑；讓學生有目的地去實驗，集中注意力去觀察，尤其要觀察每一點細微的變化和現(xiàn)象，學會準確描述實驗現(xiàn)象和結果。

3.培養(yǎng)學生的思維能力和學生的探究能力。

在實驗探究教學過程中，要積極引導學生主動參與實驗探究活動，培養(yǎng)學生的科學探究能力。另外，讓學生養(yǎng)成帶著問題學習的習慣，在實驗中積極思考，那么學生的分析和解決問題的能力就可以得到明顯提高。