構建“種群數(shù)量增長”的高效學習課堂*

鄭燦偉 （廣東廣雅中學 廣東廣州 510160）

種群數(shù)量研究是研究種群特征的重要方面，而了解種群數(shù)量是如何增長的，則是研究種群數(shù)量變化的重要方式。在本節(jié)教學中，通過理解“穩(wěn)態(tài)與平衡”等生命觀念，學習歸納與概括、模型與建模等科學思維，構建“種群數(shù)量增長”的高效學習課堂。

1 應用情境承載知識

情境是生物學知識的載體，情境的合理創(chuàng)設可吸引學生的注意力，激發(fā)學生的學習熱情[1]。在本節(jié)教學中，可引入以下情境，例如，歐洲小龍蝦泛濫、澳大利亞野兔數(shù)量增長、高斯研究草履蟲數(shù)量變化實驗、家中如何有效滅鼠等。情境的引入，有利于活躍課堂氣氛、吸引學生的注意，促進教學活動有序開展，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。

2 創(chuàng)設問題引導學習

注重問題設計，突出探究導向，通過一系列問題帶動學生思維活動，培養(yǎng)歸納與概括的思維方法，構建知識概念。例如，對于“大腸桿菌的數(shù)量變化”的探究，可創(chuàng)設以下問題，層層遞進學習J型增長模型。

問題1：細菌每20 min 就通過分裂繁殖一代，如何用橫坐標表示時間，縱坐標表示數(shù)量，繪制該坐標曲線？

問題2：該曲線如何用數(shù)學方程式進行表示？（構建數(shù)學方程式Nt＝2t）

問題3：如果細菌的初始數(shù)量為N0個，如何修正原方程式？（引入初始值N0對公式進行修正，Nt＝N02t）

問題4：若在自然界中，某種昆蟲的增長倍數(shù)是λ，如何對公式進行修正？（引入增長倍數(shù)λ，進一步完善公式：Nt＝Noλt）

再如，對于“高斯研究大草履蟲數(shù)量變化實驗”的實驗分析，可通過創(chuàng)設以下問題帶動學習進程，使學生掌握S 型增長的特點。

問題1：為何大草履蟲數(shù)量在實際生活中不是J 型增長？（引入資源和空間等限制因素）

問題2：為何大草履蟲數(shù)量增長曲線會呈現(xiàn)S型增長？（解析S 型增長曲線變化過程）

問題3：若用曲線表示時間與大草履蟲的增長速率的關系，應如何繪制？（推導S 型增長曲線的增長速率）

問題4：草原上散養(yǎng)某種家畜，若要持續(xù)地收獲該家畜種群中的個體，最好在哪個時間段進行捕獲？為什么？（應用S 型增長曲線的增長速率，解決實際問題）

3 深化概念理解本質

概念是生物學知識體系的基礎，學生在學習生態(tài)學概念的基礎上，才能建立相關的生命觀念。學生通過抽象與概括種群數(shù)量變化現(xiàn)象，建立穩(wěn)態(tài)與平衡的生命觀念，提高在新的情境中解決有關問題的能力。

例如，關于“環(huán)境容納量”概念的學習，學生可能會誤以為“環(huán)境容納量是指種群的最大數(shù)量”，然而這是一個錯誤概念。如圖1 所示，若從數(shù)量分析，該種群的最大數(shù)量是a 點，顯然不是環(huán)境容納量[2]。準確地說，環(huán)境容納量是環(huán)境對具體某種生物在一定空間中的一個預設值，種群數(shù)量變化會圍繞該預設值發(fā)生上下波動，最終達到動態(tài)平衡。因此，環(huán)境容納量的合理表示是“環(huán)境條件不受破壞的情況下，一定空間中所能維持的種群最大數(shù)量”，強調的是“所能維持的種群最大數(shù)量”，而不是“達到的最大數(shù)量”。通過對“環(huán)境容納量”概念的學習，學生自然而然地掌握了“穩(wěn)態(tài)與平衡”的生命觀念。

圖1 S 型曲線的環(huán)境容納量

4 擴展思維提高素養(yǎng)

本節(jié)課既基于生物數(shù)量增長現(xiàn)象推理數(shù)量變化過程，構建相應的數(shù)學模型(方程式和曲線圖)，并進行綜合應用，即“現(xiàn)象→推理→建模→運用”的“模型與構建”的科學思維過程；又可繼續(xù)深化思維訓練，通過以下幾個方面的探究過程，以深化思維的深度與廣度。

探究1：S 型曲線增長初期是否就是J 型增長？

首先，若從數(shù)學模型角度分析，J 型是不受環(huán)境制約的增長模型，增長率不變；S 型曲線是始終都會受環(huán)境制約的增長模型，密度越大，制約作用越強，增長率逐漸降低。因此，2 條曲線是不可能出現(xiàn)重合的情況[3]。其次，考慮種群的實際增長過程，由于種群增長初期，資源和空間相當充裕，環(huán)境阻力幾乎可忽略不計，可認定此時是J 型增長的階段；而隨著種群數(shù)量增加到一定程度，環(huán)境阻力出現(xiàn)，此時種群數(shù)量呈現(xiàn)S 型的增長過程。如圖2 所示，a→b 段是J 型增長，b→c 段轉化為S 型增長。

圖2 2012年廣東高考第27 題圖

探究2：影響種群數(shù)量變化的因素有哪些？

讓學生嘗試說出影響生物數(shù)量變化的因素，并了解這些非生物因素或生物因素是如何影響生物的生長、繁殖，從而影響了種群數(shù)量變化。

探究3：種群數(shù)量S 型增長的過程，是否出生率逐漸升高，死亡率逐漸降低？

當出生率和死亡率這2 條曲線數(shù)值相等時，該交叉點就是環(huán)境容納量（圖3）。應用“推理與演繹”的思維方式，分析原因可能是出生率降低，死亡率升高（圖3a）；或出生率不變，死亡率升高（圖3b）；或出生率降低，死亡率不變（圖3c）；然而，實際情況更接近圖3d 所示，即種群數(shù)量是在一個較大的密度范圍內達到動態(tài)平衡[4]，從而培養(yǎng)學生“穩(wěn)態(tài)與平衡”的生命觀念。

圖3 出生率和死亡率隨著種群密度增加的變化情況

5 結語

構建高效的學習課堂，關鍵在于有所取舍和有效整合，通過情境引發(fā)學習行為，通過問題設置引導學習進程，通過辨析強化概念學習，通過探究達到思維深度和廣度的提升，從而提高學生的生物學學科核心素養(yǎng)。