2019年全國卷Ⅰ理綜卷第6題的分析與反思

重慶 韋 玲

種群的“J”型增長曲線和“S”型（邏輯斯諦）增長曲線是高中生物學階段兩個經典的數學模型。圍繞這兩個模型不僅可以考查種群增長的相關知識，還可以考查學生對數據的分析能力、對模型構建這種科學研究方法的掌握情況，進而考查學生的科學思維、科學探究等科學素養。因此，近年來高考試題對這兩個模型的考查比較頻繁。本文通過對2019年全國卷Ⅰ理綜卷第6題的分析與釋疑，希望能為“種群的增長”以及“模型構建”的教學提供一些啟發。

1.試題再現

【示例】（2019年，全國卷Ⅰ，第6題）某實驗小組用細菌甲（異養生物）作為材料來探究不同條件下種群增長的特點，設計了三個實驗組，每組接種相同數量的細菌甲后進行培養，培養過程中定時更新培養基，三組的更新時間間隔分別為3 h、10 h、23 h，得到a、b、c三條種群增長曲線，如圖1所示。下列敘述錯誤的是（ ）

圖1

A.細菌甲能夠將培養基中的有機物分解成無機物

B.培養基更換頻率的不同，可用來表示環境資源量的不同

C.在培養到23 h之前，a組培養基中的營養和空間條件都是充裕的

D.培養基更新時間間隔為23 h時，種群增長不會出現“J”型增長階段

【解析】根據題干中的關鍵信息“細菌甲（異養生物）”，可以推斷出細菌甲是分解者，能夠將培養基中的有機物分解成無機物，A項正確；培養基更新頻率越高，說明營養物質的補給和代謝廢物的排出越及時、生存空間越充足，因此更換頻率的不同可以表示環境資源量的不同，B項正確；根據a曲線在23 h之前未曾出現拐點，呈“J”型曲線，表現為指數增長，可以合理推斷a組培養基中的營養和空間條件都是充裕的，C項正確；在種群增長的早期，由于種群密度很低，即使資源空間有限，對于該種群來說也是充裕的，是對種群增長是沒有阻力的，因此可以出現“J”型增長階段，D項錯誤。

【答案】D

2.學生的困惑和釋疑

【問題1】“J”型增長曲線和“S”型增長曲線的初期從圖形上看很相似。在23 h之內，雖然a曲線還未曾出現拐點，類似“J”型增長曲線，但如何排除是“S”型增長的初期？（即如何判斷C項正確？）

【釋疑】如圖2，a與b、c曲線的分叉點對應的時刻A顯然大于3 h，這意味著a組種群數量的增長在3 h培養液更新前后沒有發生變化，也就是說3 h時培養基中的營養和空間條件對于種群增長是沒有限制的、是充裕的。因此可以合理推斷，每3 h更新一次培養基足夠頻繁，a組種群增長所需的營養和空間條件始終是充裕的，將呈現出“J”型增長。那么，A時刻分叉點的出現便是由于b、c組沒有及時更新培養基，這兩組種群數量的增長在A時刻開始受到環境資源的限制；B時刻b、c兩條曲線出現分叉則是由于b組在此時更新了培養基、減緩了環境阻力，和c組之間具有差異，因此，B時刻正對應題干信息中的10 h。

圖2

【問題2】在23 h之內c組未更新過培養基，資源空間有限，且隨著時間推移c組曲線逐漸趨于平緩，據此分析，c組種群將符合“S”型增長曲線?！癑”型增長曲線和“S”型增長曲線成立的前提截然不同，不能將“S”型增長曲線的初期等同于“J”型增長曲線，那么為什么可以說c組種群在初期可以出現“J”型增長階段？（即如何判斷D項錯誤？）

【釋疑】“J”型增長曲線和“S”型增長曲線成立的前提截然不同，前者資源空間充裕、增長率始終保持不變，而后者資源空間有限、增長率會隨著種群數量的增長而不斷減小，因此雖然從圖形上看“J”型增長曲線和“S”型增長曲線的初期很相似，實則不會重合，確實不能將“S”型增長曲線的初期等同于“J”型增長曲線。但是在一個現實種群（如c組種群）的增長過程中卻可以在不同階段利用不同的模型進行模擬：在初期，種群密度很低、資源豐富、幾乎沒有環境阻力的情況下，可以適用“J”型增長曲線模型；而后期，種群增長逐漸受到資源空間限制，具有環境阻力，則可改用“S”型增長曲線進行模擬。

3.教學反思

3.1 明確模型的適用情境

模型是一種工具，可以用來揭示現實系統的內在機制和對系統行為進行預測。學習模型，不能局限于模型本身，而是應該為理解現實系統服務。在“J”型增長曲線和“S”型增長曲線的教學中，教師不僅要強調模型成立的前提、分析模型的特點，更要重視模型與現實種群增長的聯系，明確兩種模型適用的情境。“J”型增長曲線適用于實驗室條件充?；蛘哌m宜環境條件下的早期階段的種群增長，在試題中，a組種群即處于理想的實驗室條件下，而c組種群的初期即為適宜環境條件下種群增長的早期階段，因此均可呈現出“J”型增長。

3.2 學會分析數據，用事實證據支持推論

“J”型增長曲線和“S”型增長曲線的初期從圖形上看是很相似的，如何判斷a組種群處于“J”型增長、資源空間充裕？單從曲線自身的趨勢確實難以判斷，需要關注圖2中特定的數據——時刻A，才能得出正確的結論。在教學中，教師要加強訓練學生挖掘、分析數據的能力，讓學生有意識地在所給信息中尋求有力的事實證據來解答自己的疑問，進而得出相關結論，培養學生的科學思維。

3.3 明確現實系統與模型的差距

在學生的認知中，一個種群要么符合“J”型增長曲線，要么符合“S”型增長曲線，非黑即白得過于單純。而事實上，現實系統是復雜多變的，而模型都是經過簡化、理想化的，與現實系統存在著一定的差距。因此，一個現實系統的不同階段根據其符合的前提條件可以用不同的模型進行模擬，如c組種群的增長初期符合“J”型增長曲線，后期符合“S”型增長曲線。即便這樣，每個階段的現實種群增長與相應模型之間也存在著一定的差距。一個模型在構建時考慮的因素越多、越全面，往往越能更真實地接近現實系統。所以模型在發展中，需要不斷完善和修正，但不論如何完善，仍會與現實系統存在差距。在教學中，教師要讓學生理解到模型與現實系統的差距，不應該將現實系統套入到一個模型中去理解，而應該將多個簡化的模型帶入到復雜的現實系統中，進而有助于學生更貼切、更真實地理解生命過程的每個階段。