基于“學(xué)習(xí)即研究”觀點(diǎn)的生物學(xué)探究性課堂

摘 要：基于“學(xué)習(xí)即研究”觀點(diǎn)的探究性課堂有助于提升學(xué)生的科學(xué)思維。本文以“影響種群數(shù)量變化的因素”教學(xué)為例，通過分析文獻(xiàn)資料培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。在探究過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建概念模型，并對模型進(jìn)行遷移應(yīng)用，從而提升學(xué)生的社會責(zé)任，培養(yǎng)其生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：“學(xué)習(xí)即研究”觀點(diǎn)；探究性課堂；科學(xué)思維

文章編號：1003-7586（2024）09-0034-04 中圖分類號：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 教材分析及設(shè)計(jì)思路

“影響種群數(shù)量變化的因素”是人教版普通高中教科書《生物學(xué)·選擇性必修2·生物與環(huán)境》第1章第3節(jié)的內(nèi)容。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）對本節(jié)相應(yīng)的內(nèi)容要求是“學(xué)生能夠舉例說明陽光、溫度和水等非生物因素以及不同物種之間的相互作用都會影響生物的種群特征”；對應(yīng)的學(xué)業(yè)要求是“分析和解釋影響種群數(shù)量變化規(guī)律的因素，并應(yīng)用于相關(guān)實(shí)踐活動中”。

基于此，本課例以2015年新疆博州地區(qū)小范圍內(nèi)的蝗蟲暴發(fā)為主線，圍繞“分析影響蝗蟲數(shù)量變化的非生物和生物因素”這一核心問題，從“穩(wěn)態(tài)與平衡觀”出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)例中的各種影響因素及因果關(guān)系，構(gòu)建影響蝗蟲種群數(shù)量變化因素的概念模型，進(jìn)而讓學(xué)生理解外因是通過內(nèi)因發(fā)揮作用的，培養(yǎng)學(xué)生宏觀的系統(tǒng)思維和微觀的邏輯思維。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）運(yùn)用科學(xué)探究的方法分析科研資料，總結(jié)影響種群數(shù)量變化的生物因素和非生物因素，培養(yǎng)抽象概括能力。

（2）通過分析影響種群數(shù)量變化的內(nèi)因和外因，構(gòu)建概念模型，初步形成穩(wěn)態(tài)與平衡觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀的生命觀念，激發(fā)科學(xué)探究的樂趣，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的科學(xué)態(tài)度。

（3）依據(jù)概念模型提出防治蝗蟲的具體措施，并認(rèn)識到人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響，培養(yǎng)社會責(zé)任意識。

3 教學(xué)過程

3.1 導(dǎo)入真實(shí)情境，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

教師播放“2015年新疆博州小范圍蝗災(zāi)”視頻作為導(dǎo)入，并介紹：蝗災(zāi)是新疆博州地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)常見的自然災(zāi)害之一，主要發(fā)生在博河沿岸和部分山坡農(nóng)田及農(nóng)牧交界處。蝗蟲的生命周期分為產(chǎn)卵期、若蟲期和成蟲期，雌性蝗蟲通常會在堅(jiān)硬的土壤中產(chǎn)卵，卵隨后孵化為若蟲。在若蟲期，幼蟲又被稱為跳蝻，其翅膀幼嫩，善于跳躍，但不能遷飛。成蟲期其翅膀較堅(jiān)硬，且具備遷飛能力。蝗蟲主要以草本植物為食，當(dāng)其數(shù)量劇增時，將對農(nóng)業(yè)和食品安全造成極大的威脅，還會破壞當(dāng)?shù)刂脖唬鹜恋鼗哪蚱粕鷳B(tài)平衡。

設(shè)計(jì)意圖：

教師以新疆博州地區(qū)小范圍的蝗蟲暴發(fā)作為真實(shí)情境導(dǎo)入新課，激發(fā)學(xué)生的探究興趣，并初步了解蝗蟲的生活史，為后續(xù)的資料分析及蝗蟲治理方案的探討奠定基礎(chǔ)。

3.2 分析科研資料，培養(yǎng)探究能力

教師提供相關(guān)文獻(xiàn)和新聞資料，引導(dǎo)學(xué)生通過閱讀資料分析并歸納總結(jié)蝗蟲種群數(shù)量變化的影響因素，回答相關(guān)問題。

3.2.1 分析影響蝗蟲種群數(shù)量變化的非生物因素

資料一：2015年的3月至4月期間，新疆博州地區(qū)的平均氣溫比往年高1～3℃，6月份的平均氣溫達(dá)到23～27℃，這導(dǎo)致蝗蟲提前出土且發(fā)育速度加快。科研人員研究了不同溫度下東亞飛蝗的交配行為（見表1）。其中，有效交配率是指產(chǎn)卵次數(shù)占交配次數(shù)的百分比。

資料二：2015年4-6月，新疆博州地區(qū)干旱少雨，導(dǎo)致草原及草場植被相對稀疏。而蝗蟲的生存不需要額外補(bǔ)充水分，僅從植物中吸收營養(yǎng)即可維持生存，并且干旱的環(huán)境更有利于蝗蟲的孵化和跳蝻的發(fā)育。因此，大量的蝗蟲為進(jìn)食而進(jìn)入農(nóng)田系統(tǒng)，對農(nóng)田系統(tǒng)造成危害。

資料三：為進(jìn)一步研究蝗蟲種群數(shù)量的影響因素，科研人員研究了光周期對東亞飛蝗卵孵化前期及孵化歷期的影響（見圖1）。 ［1］孵化前期是從人工處理日期至孵化出跳蝻所經(jīng)歷的天數(shù)，孵化歷期是蝗蟲蟲卵孵化期持續(xù)天數(shù)。光照時長記為L，黑暗時長記為D。此外，也有科研人員研究了紅外光和紫外光照射對蝗蟲蟲卵孵化速度的影響（見圖2）。 ［2］

資料四：蝗蟲產(chǎn)卵地主要是水位下降后的湖灘、河灘以及雜草叢生的地區(qū)（土壤較為堅(jiān)硬）。農(nóng)田區(qū)域的土壤較為疏松，導(dǎo)致蝗蟲蟲卵的成活率很低。博州山坡草場植被單一，且隨該地區(qū)的開發(fā)擴(kuò)展，大量的草原以及草場被開墾為農(nóng)田，導(dǎo)致蝗蟲失去了原有的聚居地，開始遷入農(nóng)田尋求食物和棲息地。

學(xué)生展開自主或合作探究，根據(jù)資料一分析得出，蝗蟲在18℃時無交配現(xiàn)象；21℃時交配次數(shù)少，但無產(chǎn)卵；24～30℃時交配次數(shù)和產(chǎn)卵次數(shù)無顯著差異，但有效交配率提高。學(xué)生由此總結(jié)，溫度可通過影響蝗蟲的出生率和死亡率進(jìn)而影響蝗蟲的種群數(shù)量。學(xué)生根據(jù)資料二分析，干旱環(huán)境對蝗蟲食物和棲息地有影響，并且干旱環(huán)境有利于蝗蟲孵化及跳蝻發(fā)育，說明水分可通過影響蝗蟲的出生率、死亡率和遷入率、遷出率影響蝗蟲的種群數(shù)量。學(xué)生根據(jù)資料三的圖1分析，在光周期為L∶D＝0∶24時，蝗蟲孵化前期最長；在光周期為L∶D＝18∶6時，蝗蟲孵化歷期最短。這說明光周期對東亞飛蝗孵化有一定的影響，其中，光周期為L∶D＝18∶6時孵化效果最好。學(xué)生分析圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，紅光照射時長在10～20min范圍內(nèi)，隨光照時間的增加，蝗蟲蟲卵孵化的效果越明顯，22min左右的促進(jìn)效果最好，光照時間超過22min，則對孵化速率有抑制作用；在紫外光照射條件下，10min以內(nèi)的孵化速度無明顯影響，超出10min，孵化速率明顯下降，學(xué)生得出結(jié)論：光照可通過影響出生率和死亡率進(jìn)而影響蝗蟲的種群數(shù)量。學(xué)生根據(jù)料四分析，土壤的疏松程度也可以通過影響出生率、死亡率、遷入率、遷出率進(jìn)而影響蝗蟲的種群數(shù)量。學(xué)生通過四則資料歸納總結(jié)得出溫度、水分、光照、土壤的疏松程度等非生物因素可以通過影響出生率、死亡率、遷入率、遷出率，進(jìn)而影響蝗蟲的種群數(shù)量。

3.2.2 分析影響蝗蟲種群數(shù)量變化的生物因素

資料五：博州地區(qū)連續(xù)多年使用化學(xué)農(nóng)藥，導(dǎo)致蜘蛛、螞蟻和鳥類等蝗蟲天敵的種群數(shù)量下降，控害作用降低。專家發(fā)現(xiàn)，土壤中存在的大量真菌協(xié)同各種病原體使昆蟲染上疾病，致使蝗蟲蟲卵的最高孵化率僅為5％。在干旱氣候下，由于氣溫升高，導(dǎo)致土壤中的真菌死亡，提高了蝗蟲蟲卵的存活率。

資料六：羊草和針茅為某草原的主要牧草。研究人員為了解草原植被類型與蝗蟲暴發(fā)的關(guān)聯(lián)，將相同數(shù)量的跳蝻置于樣地，統(tǒng)計(jì)跳蝻存活率和發(fā)育歷期，結(jié)果如圖3所示。

資料七：東亞飛蝗有孤雌生殖和兩性生殖兩種生殖方式。研究發(fā)現(xiàn)，孤雌生殖方式在進(jìn)化方面比兩性生殖方式更有優(yōu)勢，尤其是在大量化學(xué)農(nóng)藥存在的情況下，孤雌生殖能夠使得整個種群的抗藥性發(fā)展更快。

資料八：東亞飛蝗有群居型和散居型。研究表明，當(dāng)散居型東亞飛蝗密度增大時，少量蝗蟲聚集后能釋放群居信息素4-乙烯基苯甲醚（4VA），吸引更多的蝗蟲聚集，進(jìn)而使蝗蟲由散居轉(zhuǎn)為群居，造成蝗災(zāi)。聚集型蝗蟲還可通過分泌毒性物質(zhì)苯乙腈來降低其被天敵捕食的概率，從而進(jìn)一步提高種群數(shù)量。

學(xué)生通過小組討論，分析資料五得出，捕食、寄生等種間關(guān)系可通過影響出生率和死亡率進(jìn)而影響蝗蟲的種群數(shù)量。學(xué)生分析資料六得出，東亞飛蝗的種群數(shù)量在針茅草地更容易暴發(fā)，判斷依據(jù)是跳蝻在針毛草地的存活率高，發(fā)育歷期短；草原植被類型（主要是捕食關(guān)系）能通過影響出生率、死亡率進(jìn)而影響蝗蟲的種群數(shù)量。學(xué)生分析資料七得出，特殊的生殖方式可通過影響出生率和死亡率進(jìn)而影響蝗蟲種群數(shù)量。學(xué)生分析資料八得出，種群內(nèi)部的因素也可通過影響出生率和死亡率以及蝗蟲的分布，進(jìn)而影響蝗蟲種群數(shù)量。學(xué)生通過以上四則資料的分析，可總結(jié)種間關(guān)系（如捕食、寄生、種間競爭）、特殊的生殖方式、種群內(nèi)部的調(diào)節(jié)等生物因素通過影響出生率、死亡率、遷入率、遷出率影響蝗蟲種群數(shù)量。此外，學(xué)生還發(fā)現(xiàn)人類活動也會影響蝗蟲種群數(shù)量的變化。

設(shè)計(jì)意圖：

學(xué)生通過文獻(xiàn)資料分析，探究影響蝗蟲種群數(shù)量變化的生物因素和非生物因素，既培養(yǎng)其科學(xué)探究能力和抽象概括能力，又可以在整理分析科研資料過程中形成邏輯閉環(huán)與自洽，并歸納總結(jié)出相應(yīng)結(jié)論，促進(jìn)語言表述的嚴(yán)謹(jǐn)性和思維品質(zhì)的邏輯性的進(jìn)一步提升。

3.3 構(gòu)建概念模型、培養(yǎng)建模能力

通過對結(jié)論的整合，教師引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建種群數(shù)量變化影響因素的概念模型（見圖4）。

設(shè)計(jì)意圖

：在探究影響蝗蟲種群數(shù)量變化的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生厘清生物因素與非生物因素及外因與內(nèi)因之間的關(guān)系，并按照邏輯思維的順序，對相關(guān)因素進(jìn)行科學(xué)建模，形成概念圖，有利于學(xué)生初步形成穩(wěn)態(tài)與平衡觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀等生命觀念，為下一步的模型遷移運(yùn)用奠定理論基礎(chǔ)，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。

3.4 解決實(shí)際問題，培養(yǎng)社會責(zé)任

在構(gòu)建種群數(shù)量變化影響因素的概念模型基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)模型提出蝗蟲的防治方案，并列舉這些措施的理論依據(jù)。除了學(xué)生提出的常見措施之外，教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)資料八思考：還能提出哪些利用生物技術(shù)防治蝗蟲的方案？經(jīng)師生共同討論提出可人工合成4VA誘導(dǎo)蝗蟲集聚再集中消殺；也可根據(jù)4VA的化學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拮抗劑，以阻止4VA與其受體結(jié)合，從而減少蝗蟲在野外的聚集；還可通過基因編輯技術(shù)人工孵化無法合成4VA的蝗蟲，釋放至野外，以達(dá)到持續(xù)控制的目的。

設(shè)計(jì)意圖：

教師指導(dǎo)學(xué)生小組合作，依據(jù)科研資料及概念模型中的理論，探討防治蝗蟲的方案，從而提升學(xué)生解決問題的意識和能力，既培養(yǎng)了學(xué)生的知識遷移能力，又促進(jìn)其社會責(zé)任意識的發(fā)展。

4 教學(xué)反思

基于“學(xué)習(xí)即研究”觀點(diǎn)的生物學(xué)探究性課堂體現(xiàn)了“學(xué)習(xí)過程就是研究過程”的學(xué)習(xí)本質(zhì)，指向了“學(xué)習(xí)者就是研究者”的要求。 ［3］本課例以探究蝗蟲種群數(shù)量變化的影響因素為主線，以教師提供的真實(shí)科研資料為載體，體現(xiàn)了真情境、真科學(xué)的探究性課堂特色。教師引導(dǎo)學(xué)生將種群作為一個系統(tǒng)進(jìn)行研究，從穩(wěn)態(tài)與平衡觀的角度分析不同材料中的影響因素及與種群數(shù)量變化的因果關(guān)系，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維。在研究蝗蟲防治方案的學(xué)習(xí)活動中，學(xué)生通過討論與協(xié)商，提出科學(xué)建議，提升科學(xué)思維，同時培養(yǎng)社會責(zé)任意識，進(jìn)一步現(xiàn)實(shí)了課堂從知識傳授向素養(yǎng)發(fā)展的轉(zhuǎn)變。

參考文獻(xiàn)

［1］史豆豆，薛瑋，胡鵬飛，等.光周期對東亞飛蝗卵孵化的影響［J］.廣西植保，2022，35（2）：5-9.

［2］張洪波.紅外和紫外照射對蝗蟲卵孵化影響的研究［J］.黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008（2）：72-74.

［3］吳敏.基于“學(xué)習(xí)即研究”觀點(diǎn)的物理素養(yǎng)型課堂——以“導(dǎo)體的電阻”為例［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2022，51（29）：3-5.