基于模型建構的“調查種群密度”教學設計

河南 張玄可

“種群的數量特征”是新人教版高中生物學教材選擇性必修2《生物與環境》第1章“種群及其動態”第1節的內容，種群密度是種群最基本的數量特征，種群密度的調查可以為害蟲預測預報、瀕危物種保護、生物資源評估、生物多樣性保護等提供重要依據。由于課時和客觀條件的限制，很多學生沒有實際調查過種群密度，以致出現很多認知的偏差。運用模型與建模思維可以重現生物演化進程中無法再現的場景，如：模擬原始地球環境中有機物起源的米勒實驗。將模型與建模的方法應用于課堂教學之中，特別是利用生活中易于獲取的實物建構物理模型，可以提高學生的科學思維和科學探究能力。

1.設計思路

本節課以常見材料(白芝麻、黑芝麻)建構調查種群密度的物理模型，設計三個探究活動，在模型建構中讓學生實踐“樣方法”“標志重捕法”。針對建模中遇到的問題，以兩個討論議題分析模型，提高學生建模與分析、運用模型的能力。以興趣引導、任務驅動、小組合作探究等活動，引導學生建模—析模—用模，應用模型與建模的科學思維解決實際問題。

2.教學目標

基于《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)的內容要求、學業要求和學業質量標準，并圍繞培養學生學科核心素養的要求，制訂了如下教學目標：

(1)通過觀察校園綠化帶照片，提出調查種群密度時遇到的問題。

(2)掌握建模的方法，學會分析物理模型，找到符合自然界實際情況的調查方法，估算校園某種生物的種群密度。

(3)聯系生活實際，認識調查種群密度對生活、生產、生物多樣性保護的意義，提高學生的科學思維能力及社會責任感。

3.教學過程

3.1問題引入——校園植物的種群密度調查

教師先講述調查種群密度對生產、生活、生物多樣性保護的重要意義，然后出示校園植物照片(如帶狀分布的石楠、不規則分布的鳶尾)，校園植物的分布可能不均勻、取樣地也可能不規則。教師須引導學生提出在調查校園植物種群密度時遇到的問題，也可以拓展問題：如何調查草原上鼠的種群密度？為草原上牧民防治鼠害提供建議。

設計意圖：校園植物的種群密度調查可以吸引學生關注身邊的生物學問題，本環節重在吸引學生關注現實中的生物學問題，激發學生的求知欲。

3.2建模探究——分解為三個課堂探究活動

在課堂上以模型建構的方式模擬種群密度的調查，教師將準備好的測量紙(圖1)、一定量的白芝麻、黑芝麻分發給各學習小組。

種群密度調查模型

注：10×10正方格中每個小方格邊長不小于1 cm。

3.2.1活動一：調查白芝麻的總數量

教師提出問題：如何將白芝麻分布于測量紙？白芝麻是否必須均勻分布于測量紙？現實中的種群是如何分布的？學生分小組討論白芝麻分布的方式和樣方的選取方案，而后將白芝麻分布于測量紙上。統計樣方內白芝麻的數量，并依據“計上不計下、計左不計右”的原則統計樣方線上的白芝麻。然后計算所選樣方白芝麻的平均值，與總面積求積得出白芝麻的總數量(圖2)。

圖2 學生探究活動

3.2.2活動二：改變測量區域，如對折方格，再次調查白芝麻的總數量

將樣方形狀改變，進行模型轉換，啟發學生面對不規則取樣地時，應因地制宜確定取樣方式。教師提出問題：面對不規則取樣地時，如何調查種群密度？改變測量區域后，樣方的選取方式也應改變，教師引導學生討論并進行操作，將測量結果與第一次所測數據對比，相互驗證。

3.2.3活動三：以黑芝麻為標志物，模擬標志重捕法調查白芝麻總數量

教師提示：以黑芝麻為標志物，如何模擬標志重捕法？大部分學生的初步想法是將一定量黑芝麻摻入白芝麻中，但是有些同學很快就發現這樣操作會增加芝麻的總數量，建構的模型不符合原型事實。經過討論，有些學生提出可以用等量的黑芝麻替代等量的白芝麻，這樣的“等效替代法”符合標志重捕法的實際情況，也更符合自然界中對活動能力強的動物的調查。

設計意圖：通過白芝麻、黑芝麻模擬生物原型，將種群密度調查分解為三個探究活動，使學生的科學思維能力得到螺旋式提升。在問題的分析與處理過程中培養學生的模型建構能力，通過小組合作探討模型建構是否準確模擬了生物原型，培養了學生的質疑、實證、交流能力及科學思維能力。

3.3析模解釋——展示探究過程，共建科學思維能力

教師輔助分析“五點取樣”“等距取樣”是針對不同類型的取樣地采用的方法，引導學生分析教材中對分布不均勻的蒲公英種群的調查(圖3)，并拓展到弧形、扇形等不規則取樣地的種群密度調查。

3.3.1小組展示探究過程、結果與相互評價

各小組派代表匯報探究過程和調查結果，其他同學做出評價和建議。教師展示各小組白芝麻的真實數量，引導學生自我檢測所測數據。不同小組所測得白芝麻數量可能差異較大，同一小組在三個活動中得出的結果差異也可能較大。如果數據誤差較大，教師可引導學生討論、分析建模中存在的問題，并提出改進方案。本環節旨在通過展示與評價，讓學生的建模思維得以呈現。

3.3.2討論一：取樣方法只有“五點取樣”和“等距取樣”嗎

以教材中校園草坪上蒲公英的種群為例(圖3)，教師引導學生討論種群非均勻分布和樣方不規則時，如何選擇具有代表性的樣方。假如可以多選取幾個樣方，怎樣才能使結果更準確呢。學生經過討論，認為應該在分布密集和稀疏的樣方分別取樣，并照顧到相應的分布比例。分析得出“五點取樣”和“等距取樣”均是為了排除主觀因素干擾，樣方的選取應因地制宜，因種群分布制宜。

圖3 校園草坪蒲公英(灰色小點)分布圖

3.3.3討論二：標志重捕法中標志物的選取對調查結果有什么影響

標志重捕法適用于活動能力強的動物，如鼠、兔、河豚等的密度調查，需要先捕獲并標記一定量個體，然后將其放回到捕獲地，重捕后計算有標記個體所占比例，再與重捕數量求積即調查對象的總數。在標記物的選取上應注意標記物不能過于醒目，不能影響被標記對象的正常生理活動，且標記物應不易脫落，能維持一定時間，否則容易造成偏差。本節課模型建構中應注意用等量的黑芝麻替代白芝麻，這樣的“等效替代法”更符合自然界對活動能力強的動物的調查。

設計意圖：小組展示探究過程和結果能夠體現學生構建模型的科學思維能力，通過小組的相互評價，學生能夠認識到模型構建應能真實模擬原型的形態、特征和本質。在設計的兩個討論題中，學生能夠掌握自然界不規則取樣地的調查方法、標志重捕法的原理和注意事項。

3.4用模拓展——回歸初始問題，提出解決方案

經過學習，回到校園植物種群密度調查的問題，學生提出解決方案：選取樣方應照顧到個體分布稀少的樣方，面對不規則的樣方，應先估算所選樣方的種群密度，然后根據樣方面積求出該種群的平均密度。

設計意圖：經過建模—析模，學生較容易解決校園植物密度調查的問題，學生對知識的獲得感和自信心得到了提升。通過運用模型建構思維解決現實中的問題，學生可以認識到調查種群密度對害蟲預測預報、生物資源評估、生物多樣性保護等具有重要意義。

3.5遷移應用——檢測學科核心素養達成情況

依據學生在建模過程中遇到的問題，教師預設隨堂練習檢測學生的模型建構能力。

【例1】下列有關樣方法說法正確的是

( )

A.五點取樣和等距取樣是樣方法取樣的常用方式

B.樣方法調查蒲公英種群密度時在分布密集的地塊進行隨機取樣

C.統計種群密度時，應去掉采集數據中最大、最小值后取平均值

D.樣方法調查草地中的蒲公英時，不統計正好在樣方線上的個體

【參考答案】A

【例2】在對某種鼠的種群密度的調查中，第一次捕獲并標志39只鼠，第二次捕獲34只鼠，其中有標志鼠為15只，由于該鼠被捕一次后更難捕捉，因此推測該鼠的種群數量最可能

( )

A.小于88只 B.大于88只

C.小于77只 D.大于77只

【參考答案】A

【設計意圖】隨堂練習有助于教師及時檢驗學生的學科核心素養達成情況。為檢測學生運用科學思維分析和處理問題的能力，筆者選擇以上兩道情境化試題，旨在通過答題情況獲得學生對所學知識掌握情況。其中，例1考查調查種群密度的取樣和計算方法；例2考查標志重捕法的原理及學生對標記個體數量變動的處理能力。

4.教學反思

貼近生活的教學素材能激發學生的求知欲和探索熱情，教師要善于利用生活中的素材設計探究活動。本節課以學生身邊的植物種群密度調查為切入點，利用生活中易于獲取的實物建構物理模型，以探究活動驅動學生積極動手、動腦，主動發現并解決問題。通過對建構模型的質疑、實證、交流及相互評價，鍛煉了學生的學科核心素養和創新精神。通過對模型與原型討論及標記物模擬效果的改進，培養了學生的科學思維及社會責任。