“生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性”復(fù)習(xí)課的教學(xué)設(shè)計

鄭金姬 荊林海2

（1北京市第十四中學(xué) 北京 100055 2北京教育科學(xué)院基礎(chǔ)教育教學(xué)研究中心 北京 100045）

《高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》注重學(xué)生在現(xiàn)實生活背景中學(xué)習(xí)生物學(xué)，倡導(dǎo)學(xué)生在解決實際問題的過程中深入理解生物學(xué)的核心概念，這一理念在高考命題中貫穿始終。教學(xué)圍繞“水華”問題展開討論，學(xué)生需要將已有的生態(tài)學(xué)知識運用其中，在分析和解決實際問題的過程中，提升對原有核心概念的理解。

1 教學(xué)背景分析

1.1 教材分析 “生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性”是人教版《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》模塊中第5章第5節(jié)的內(nèi)容，從群體水平揭示了生命系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)機(jī)制在維持穩(wěn)態(tài)中的重要作用。生態(tài)系統(tǒng)是由生產(chǎn)者、消費者、分解者及非生物成分組成的功能系統(tǒng)，能量和物質(zhì)時刻在這些成分之間移動和轉(zhuǎn)化，使生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能保持穩(wěn)定是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。因此，分析生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的整體性，進(jìn)而闡明生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性為本節(jié)課的教學(xué)重點（圖1）。同時，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注人類活動對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，鼓勵學(xué)生探討治理水華的合理方案，有助于提高學(xué)生的個人素養(yǎng)及公共參與意識。

圖1 單元結(jié)構(gòu)框架圖

1.2 學(xué)情分析 本節(jié)課是生態(tài)學(xué)單元復(fù)習(xí)的最后一節(jié)課。學(xué)生已系統(tǒng)復(fù)習(xí)了種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)等生態(tài)學(xué)相關(guān)知識，形成了基本的概念體系，但在分析實際問題時，還不能整體、系統(tǒng)地看待生命現(xiàn)象，知識結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步完善，對系統(tǒng)分析的方法也所知甚少。此外，高三學(xué)生已具有很多生物學(xué)概念和原理知識儲備，提升學(xué)生對生物學(xué)學(xué)科觀點的理解也是本節(jié)課的重要任務(wù)。

2 核心概念及重要概念

本文涉及的核心概念和重要概念是人教版《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》模塊中第5章第5節(jié)的內(nèi)容，課程標(biāo)準(zhǔn)中的要求是“闡明生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性”。

2.1 核心概念 生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性包括結(jié)構(gòu)、功能的穩(wěn)定和能量輸入、輸出的穩(wěn)定。生態(tài)系統(tǒng)中各組分通過能量流動、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞緊密聯(lián)系在一起。若生態(tài)系統(tǒng)的某一成分發(fā)生變化，必然會引發(fā)一系列的相應(yīng)變化，該過程就是反饋，其中負(fù)反饋是生態(tài)系統(tǒng)維持自身穩(wěn)定的重要調(diào)節(jié)機(jī)制。

在自然條件下，生態(tài)系統(tǒng)總是朝著種類多樣化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化和功能完善化的方向發(fā)展，直至生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到最穩(wěn)定的成熟狀態(tài)。

2.2 重要概念

穩(wěn)定性分2類：抵抗力和恢復(fù)力。抵抗力是指生態(tài)系統(tǒng)對于干擾的抵抗和避免能力，而恢復(fù)力是指受到干擾破壞后恢復(fù)至原有狀態(tài)的能力。這2種穩(wěn)定性通常是相互排斥的，例如水生生態(tài)系統(tǒng)，其生物量中一般缺乏長期貯存的營養(yǎng)物質(zhì)和能量，所以對環(huán)境擾動的抵抗力較低。當(dāng)污染物進(jìn)入水生生態(tài)系統(tǒng)時，其結(jié)構(gòu)和功能會發(fā)生巨大變化，但這種系統(tǒng)的恢復(fù)力高，控制向水體排放污水便能使生態(tài)系統(tǒng)快速恢復(fù)。

每一個特定的生態(tài)系統(tǒng)，其穩(wěn)定性取決于一系列條件：生態(tài)系統(tǒng)自身的特點（進(jìn)化歷史的長短、物種數(shù)目及其相互作用的特征和強(qiáng)度等），受干擾的方式（干擾性質(zhì)、大小、持續(xù)時間等）和估計穩(wěn)定性的指標(biāo)（抵抗力、恢復(fù)力等）。

3 教學(xué)目標(biāo)

1）知識目標(biāo)：理解生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；把握生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能的內(nèi)在聯(lián)系。

2）能力目標(biāo)：從材料中獲取信息，運用系統(tǒng)分析的方法，解釋水華的原因，并結(jié)合生態(tài)學(xué)知識，為治理水華提出合理建議。

3）情感態(tài)度與價值觀目標(biāo)：關(guān)注人類活動對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，樹立生態(tài)學(xué)和可持續(xù)發(fā)展的觀念。

4 教學(xué)過程

4.1 回顧基礎(chǔ)知識，解釋太湖的水華現(xiàn)象 關(guān)于水華的原因，學(xué)生很容易想到富營養(yǎng)化。從20世紀(jì)60年代起，太湖的富營養(yǎng)化日趨嚴(yán)重，期間雖發(fā)生過幾次小規(guī)模的水華，但過一段時間水華便會自行消失，直到90年代水華大規(guī)模暴發(fā)，才引起重視。對于該現(xiàn)象，學(xué)生能從生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的2個方面進(jìn)行解釋，并能說出這種調(diào)節(jié)能力是有限度的。

4.2 認(rèn)識生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的整體性

4.2.1 生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性 水華是在一定的營養(yǎng)、氣候、水文條件和生物環(huán)境下形成的藻類過度繁殖和聚集現(xiàn)象，治理水華首先要清楚藻類數(shù)量急劇增加的原因。正所謂“牽一發(fā)而動全身”，生態(tài)系統(tǒng)中每一個結(jié)構(gòu)的變化都有可能引起整個系統(tǒng)的改變。系統(tǒng)分析的方法正是研究此類復(fù)雜系統(tǒng)時常用的方法，本節(jié)課將從太湖生態(tài)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)入手，運用系統(tǒng)分析的方法探尋水華原因（圖2）。

圖2 太湖生態(tài)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

在分析生物因素對水華的影響時，學(xué)生提出較集中的方案是調(diào)查太湖中魚類數(shù)量變化及食物構(gòu)成的問題。由于太湖缺少魚類種群數(shù)量的連續(xù)監(jiān)測資料，漁獲量的長期連續(xù)統(tǒng)計資料就成為研究湖泊魚類種群數(shù)量變化的唯一數(shù)據(jù)來源。雖然漁獲量和實際種群數(shù)量有一定差別，但基本可以反映魚類數(shù)量的相對比例。因此，教師提供以下資料：1）太湖中鱭魚、鲌魚等重要魚類的食性分析（學(xué)生通過各種魚類消化道中食物的平均出現(xiàn)率，構(gòu)建食物鏈）；2）太湖鲌魚產(chǎn)量占總漁獲量比例；3）鲌魚和鱭魚歷年漁獲量變化趨勢比較；4）鱭魚年齡組成中幼年個體比例；5）太湖歷年機(jī)動船總功率和鲌魚產(chǎn)量變化趨勢等。

經(jīng)過獲取信息、邏輯推理、激烈的交流討論，學(xué)生逐漸了解到人類的過度捕撈對太湖的影響不容小覷，是引起水華的重要原因。教師在此基礎(chǔ)上補(bǔ)充說明：太湖歷史上曾有魚類103種，由于20世紀(jì)50年代末至60年代初在太湖通江水道上修建水閘，造成太湖與長江的聯(lián)系隔斷。結(jié)果洄游性魚類已基本消失；半洄游性魚類如鰱魚、鳙魚、青魚、草魚逐漸減少，僅靠人工放養(yǎng)維持較低數(shù)量；而湖泊定居性魚類成為太湖的主要魚類。據(jù)2003年統(tǒng)計資料顯示，太湖中僅有48種魚類。

通過分析，學(xué)生了解到生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)變得越來越簡單。這種設(shè)計不僅能對學(xué)生已有的知識進(jìn)行回顧和檢測，還能使學(xué)生認(rèn)識到食物鏈、年齡組成等生態(tài)學(xué)知識在實際研究中的具體應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，從中領(lǐng)悟系統(tǒng)分析方法在生態(tài)學(xué)研究中的重要性，凸顯了“系統(tǒng)與相互作用”這一科學(xué)主題。同時，也使學(xué)生關(guān)注人類活動對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，滲透STS思想，有助于提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

4.2.2 生態(tài)系統(tǒng)的功能與穩(wěn)定性 生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變對物質(zhì)循環(huán)、能量流動、信息傳遞會產(chǎn)生什么影響？為什么？為了使學(xué)生更好地理解成分-結(jié)構(gòu)-功能之間的整體性，教師搜集了一些學(xué)生容易理解的研究數(shù)據(jù)，做到有理有據(jù)，突出實證觀點。表1中“連接指數(shù)”是反映系統(tǒng)內(nèi)部聯(lián)系復(fù)雜程度的指標(biāo)；“平均路徑長度”指每個循環(huán)流經(jīng)食物鏈的平均長度。

表1 1960—2002年太湖特征變化［3］

通過對專業(yè)術(shù)語的解讀和數(shù)據(jù)分析，學(xué)生不僅對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的內(nèi)在聯(lián)系有了新的認(rèn)識，對本節(jié)課中關(guān)于“生態(tài)系統(tǒng)中的各種組成成分通過能量流動和物質(zhì)循環(huán)、信息傳遞，緊密地聯(lián)系在一起”這一核心概念也有了更深入的理解。

學(xué)生已知生態(tài)系統(tǒng)中能量輸入和輸出的比值可間接反映生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性情況，由表2的數(shù)據(jù)可知如今的太湖抗干擾能力極差，借用生態(tài)學(xué)家的話來說，該生態(tài)系統(tǒng)又回到了“幼年期”，也就可以解釋為什么近幾年的太湖頻頻暴發(fā)大規(guī)模水華。

表2 太湖與北部灣2個生態(tài)系統(tǒng)的P/R比較［5－6］

4.3 拓展應(yīng)用：治理水華 太湖的水華治理迫在眉睫。由于長期的富營養(yǎng)化、過度捕撈等多種干擾，太湖生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能已遭受嚴(yán)重破壞，僅靠系統(tǒng)自身的恢復(fù)力穩(wěn)定性需要漫長的時間，而人類的補(bǔ)救措施可以縮短這一進(jìn)程。因此，在治理水華的思路上，師生共同明確了通過改變和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，達(dá)到改善系統(tǒng)功能的目的，而這一思路的理論依據(jù)正是源于本節(jié)課重要的核心概念：生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定功能，從而影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

經(jīng)過師生共同討論與分析，梳理出以下幾個方案：1）減少 N、P 輸入，增加 N、P 輸出；2）適當(dāng)增加太湖生物種類，提高營養(yǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度；3）優(yōu)化組合多種方法等（圖3）。

圖3 水華治理方案［7］

在上述治理方案中，學(xué)生不僅考慮了自然生態(tài)系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)機(jī)制在生態(tài)恢復(fù)工作中的關(guān)鍵作用，還將生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益相結(jié)合，使生態(tài)學(xué)和可持續(xù)發(fā)展的觀念落到實處。

5 教學(xué)反思

《高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》注重學(xué)生在現(xiàn)實生活的背景中學(xué)習(xí)生物學(xué)，倡導(dǎo)學(xué)生在解決實際問題的過程中深入理解生物學(xué)的核心概念。本節(jié)課是基于問題情境的高三復(fù)習(xí)課，以社會熱點問題——“太湖的水華”作為問題情境，使學(xué)生在推測和實證中，深入理解生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能及穩(wěn)定性之間的內(nèi)在聯(lián)系，內(nèi)化核心概念。

自然生態(tài)系統(tǒng)是通過生物與環(huán)境、生物與生物之間的協(xié)同進(jìn)化而形成的不可分割的有機(jī)整體。研究此類復(fù)雜系統(tǒng)離不開系統(tǒng)分析的思想與方法。該方法在生態(tài)學(xué)研究中無處不在，將其提煉出來不僅不會增加學(xué)生的負(fù)擔(dān)，還能使學(xué)生進(jìn)一步關(guān)注局部與整體的關(guān)系，加深理解生命系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)機(jī)制在維持穩(wěn)態(tài)中的重要作用。由于時間關(guān)系，本節(jié)課關(guān)于食物鏈的長短與信息傳遞的內(nèi)在聯(lián)系討論得不夠充分，需要在今后的教學(xué)中繼續(xù)改進(jìn)。

主要參考文獻(xiàn)

［1］中華人民共和國教育部.普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn).北京：高等教育出版社，2003.

［2］尚玉昌.普通生態(tài)學(xué).北京：北京大學(xué)出版社，2006：392.

［3］李云凱.太湖生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育的Ecopath with Ecosim動態(tài)模擬.中國水產(chǎn)科學(xué)，2009，16（2）：257.

［4］劉恩生.太湖魚類漁獲量和優(yōu)勢種年齡組成的變化規(guī)律及下行效應(yīng)分析.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005,32（4）：471.

［5］李云凱，劉恩生，王輝，等.基于Ecopath模型的太湖生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能分析.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2014,25(7):2033.

［6］陳作志,邱永松,賈曉平，等.基于Ecopath模型的北部灣生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能.中國水產(chǎn)科學(xué)，2008,15(3):460.

［7］劉恩生.生物操縱與非經(jīng)典生物操縱的應(yīng)用分析及對策探討.湖泊科學(xué)，2010,22（3）:307.

［8］錢學(xué)森.一個科學(xué)新領(lǐng)域：開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)及其方法論.上海理工大學(xué)學(xué)報，2011,33（6）:526.

［9］劉恩生,吳林坤,曹萍，等.太湖鲌魚數(shù)量變化規(guī)律及生態(tài)效應(yīng)分析.水利漁業(yè)，2007,27(3):70.