安徽省高中生物第四章種群和群落4.2種群數(shù)量的變化教案新人教.docx

第四章 種群和群落 4.2 種群數(shù)量的變化項目內(nèi)容課題種群數(shù)量的變化修改與創(chuàng)新教學(xué)目標(biāo)1、知識目標(biāo)（1）解釋種群數(shù)量增長的一般規(guī)律（2）說明建構(gòu)種群數(shù)量增長數(shù)學(xué)模型的方法2、能力目標(biāo)（1）通過各種形式的活動，嘗試建構(gòu)種群數(shù)量增長的數(shù)學(xué)模型（2）運(yùn)用種群數(shù)量變化規(guī)律解決生產(chǎn)生活中的實際問題3、情感態(tài)度與價值觀目標(biāo)（1）認(rèn)同數(shù)學(xué)模型在科學(xué)研究中的應(yīng)用（2）參與瀕危生物保護(hù)措施與生物入侵防范措施的討論，關(guān)注人類活動對種群數(shù)量變化的影響教學(xué)重、難點1、重點:嘗試建構(gòu)種群增長的數(shù)學(xué)模型 根據(jù)建構(gòu)的數(shù)學(xué)模型解釋種群數(shù)量的變化2、難點:建構(gòu)種群增長的數(shù)學(xué)模型課時安排2課時教學(xué)過程1 引導(dǎo)學(xué)生回憶：影響種群密度的種群數(shù)量特征有哪些？2 講述：正是由于諸多因素的影響，使得種群密度不是一成不變的，那么變化中是否蘊(yùn)藏著規(guī)律呢？我們興趣小組的同學(xué)開展了探究實驗。請他們?yōu)榇蠹疫M(jìn)行介紹。3 講述：興趣小組的同學(xué)花了好幾天的功夫得到了這樣的結(jié)果，雖然不能解釋其中的原因，卻為我們提出了一個很好的問題。酵母菌種群為什么會出現(xiàn)這樣的變化呢？這就是我們今天這節(jié)課要來學(xué)習(xí)的問題：種群數(shù)量的變化。（板書“第二節(jié) 種群數(shù)量的變化”）（1） “J”型曲線的構(gòu)建資料1 大腸桿菌1 提問：科學(xué)家很早就對種群數(shù)量變化這個問題產(chǎn)生了興趣。我們知道實驗材料的選擇很關(guān)鍵，請問，什么樣的材料適合研究數(shù)量變化呢？2 介紹：的確，繁殖快決定了細(xì)菌成為科學(xué)家的首選，其中大腸桿菌由于結(jié)構(gòu)簡單、分布廣泛所以也成了最常用的科研材料之一。除此以外，大腸桿菌的繁殖方式也很簡單，就是一分為二、二分為四的分裂生殖。3 提問：（任務(wù)1）科學(xué)家做了一個這樣的實驗，把1個大腸桿菌放在營養(yǎng)和生存空間沒有限制的情況下進(jìn)行培養(yǎng)，隨著時間的推移，得到如下數(shù)據(jù)。請仔細(xì)觀察數(shù)據(jù)，你能得出怎樣的結(jié)論？時間（min）細(xì)菌數(shù)量（個）202404608801610032120641401281602561805124 播放視頻并講述：大家都能認(rèn)同在這種情況下，大腸桿菌每20min分裂一次，繁殖一代了嗎？如果你還不相信，請仔細(xì)觀察這段在顯微鏡下拍攝的視頻。你所看到的1秒鐘相當(dāng)于實際的1分鐘，很快這個起始數(shù)量為2的大腸桿菌種群就擴(kuò)大到鋪滿了整個視野。為什么會這么快呢？5 提問：（任務(wù)2）剛才興趣小組的同學(xué)使用坐標(biāo)圖表述了酵母菌種群數(shù)量的變化趨勢，咱們是不是也可以試著為這群起始數(shù)量為1的大腸桿菌種群來繪制一幅坐標(biāo)圖呢？下面就請大家在學(xué)案上完成任務(wù)2。注意，你需要使用表格中所有的數(shù)據(jù)。（學(xué)生板圖大腸桿菌種群增長坐標(biāo)圖）6 點評： 對學(xué)生在黑板上建構(gòu)的坐標(biāo)圖進(jìn)行點評，引導(dǎo)學(xué)生達(dá)成共識。7 提問： 從圖中我們可以看到種群數(shù)量呈現(xiàn)出什么變化趨勢？8 講述：我們運(yùn)用坐標(biāo)圖這種數(shù)學(xué)方法描述了種群數(shù)量變化這樣一個生物學(xué)問題，所以就把這種坐標(biāo)圖稱為一種數(shù)學(xué)模型。大家都聽說過航模，那是一種模擬飛機(jī)等物體的物理模型；而今天我們認(rèn)識了數(shù)學(xué)模型。事實上，數(shù)學(xué)模型在大家的其他學(xué)科中也有應(yīng)用。比如物理中的各種公式就是另外一種形式的數(shù)學(xué)模型，它們是表達(dá)式。9 提問：（任務(wù)3） 坐標(biāo)圖這種數(shù)學(xué)模型最大的優(yōu)點是什么？可是如果我要問你，經(jīng)過30代以后這群大腸桿菌種群的數(shù)量是多少，你能從圖上一眼找到答案嗎？顯然，我們得求助于其他數(shù)學(xué)模型了，最好的辦法就是找一個更加具有通用性的表達(dá)式了。因此，接下來就請大家列出，這個起始數(shù)量為1的大腸桿菌種群，繁殖t代后的種群數(shù)量Nt的表達(dá)式。（學(xué)生板書大腸桿菌種群增長表達(dá)式）10 點評：對學(xué)生列出的表達(dá)式進(jìn)行點評，引導(dǎo)全體學(xué)生達(dá)成共識。11 講述：其實，咱們剛才構(gòu)建的這個表達(dá)式還必須符合這樣一個前提，那就是隨著種群數(shù)量的增加，不考慮個體間相互抑制的作用。所以我們得到這個數(shù)學(xué)模型需要建立在這樣一種假設(shè)的基礎(chǔ)上，即種群增長不受種群密度的制約。而咱們構(gòu)建的表達(dá)式是否正確還需要經(jīng)過實驗的驗證，比如就過30代后數(shù)數(shù)看到底有多少大腸桿菌，然后與我們通過表達(dá)式計算的結(jié)果進(jìn)行比較。匹配說明模型無誤，不匹配則需要對模型進(jìn)行修訂。12 小結(jié)：通過剛才的幾個任務(wù)我們認(rèn)識了數(shù)學(xué)模型，其實就是指用數(shù)學(xué)形式來描述問題。它的構(gòu)建則一般需要經(jīng)歷“已知、假設(shè)、表達(dá)、檢驗”這樣四個基本步驟。這樣咱們就建構(gòu)了種群數(shù)量增長的數(shù)學(xué)模型。（板書“一、建構(gòu)種群數(shù)量增長的數(shù)學(xué)模型”）13 提問：（任務(wù)4）我們知道自然界許多種群起始數(shù)量不一定是1，下一代不一定是上一代的2倍，而且繁殖速率要慢得多。那么怎么建構(gòu)它們的種群數(shù)量增長模型呢？這里給大家這樣一個種群，在食物、空間充足的前提下，種群的數(shù)量每年以一定的倍數(shù)增長，第二年是第一年的倍。已知該種群的起始數(shù)量為N0，t為時間，Nt表示t年后該種群的數(shù)量。請大家嘗試建構(gòu)這個種群的增長模型，使用表達(dá)式的形式。（學(xué)生板圖種群增長的一般表達(dá)式）14 點評：對學(xué)生列出的表達(dá)式進(jìn)行點評，引導(dǎo)全體學(xué)生達(dá)成共識。15 講述： 我們也可以嘗試建構(gòu)坐標(biāo)圖這種數(shù)學(xué)模型，根據(jù)表達(dá)式可以想象得到它也應(yīng)該呈現(xiàn)出指數(shù)增長的趨勢。只是注意將起始數(shù)量變?yōu)镹0就行。（二） 資料2 草履蟲“S”型曲線的構(gòu)建介紹：（任務(wù)5） 下面給大家介紹科學(xué)家利用另外一種材料進(jìn)行的研究。這是什么？草履蟲和細(xì)菌一樣是單細(xì)胞生物，分裂生殖，給它們提供足夠的空間并不斷更換培養(yǎng)液，請大家預(yù)測這個草履蟲種群的數(shù)量變化趨勢，并解釋理由。2 講述：（任務(wù)6）實際是不是這樣呢？這是科學(xué)家獲得的實驗數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)圖的數(shù)學(xué)模型，得到這樣的圖像。很顯然，呈現(xiàn)出和前面幾個例子一樣的不斷增長的趨勢。通過剛才的分析，我們認(rèn)識到在食物、空間充足、條件適宜的情況下，種群會出現(xiàn)指數(shù)增長的趨勢。大家觀察這種曲線外形類似什么英文字母？所以我們將它稱為“J”型曲線。這種曲線只在近乎理想的條件下才會出現(xiàn)。下面請大家和我一起在坐標(biāo)圖中畫出“J”型曲線。注意：橫縱坐標(biāo)，標(biāo)上條件。（板圖“J”型曲線）3 提問： 大家設(shè)想一下，我們現(xiàn)實生活中有沒有哪種生物會一直呈現(xiàn)“J”型增長呢？事實上，最簡單的起始數(shù)量為1的大腸桿菌種群如果一直按照指數(shù)增長下去，只需3天就足夠鋪滿我們整個地球。所以在現(xiàn)實條件下“J”型增長絕對不會是常態(tài)，那又會是怎樣的變化趨勢呢？資料3 高斯的草履蟲實驗1 介紹：（任務(wù)7） 這是生態(tài)學(xué)家高斯利用草履蟲完成的實驗。他在05mL培養(yǎng)液中放入5只草履蟲開始進(jìn)行培養(yǎng)、計數(shù)，最終得到這樣一幅圖像。請觀察，與咱們剛才的草履蟲實驗結(jié)果有何差異？2 講述：我們觀察到種群數(shù)量沒有呈現(xiàn)一直增長下去的趨勢，而是達(dá)到了一個最大值并穩(wěn)定下來。當(dāng)然前提必須是環(huán)境條件不破壞。高斯通過數(shù)據(jù)分析，得出這個最大值是375只。也就是在這種條件下，05mL培養(yǎng)液最多能夠容納375只草履蟲。推而廣之，在現(xiàn)實條件下，其他生物種群數(shù)量是不是也會出現(xiàn)這樣一個最大值呢？科學(xué)家陸陸續(xù)續(xù)做了許多實驗，充分證明許多種群在實驗培養(yǎng)條件下，都呈現(xiàn)出這種變化趨勢。生物學(xué)上就把這種在環(huán)境條件不破壞的情況下，一定空間所能維持的種群最大數(shù)量稱為K值，也叫環(huán)境容納量。3 提問：大家觀察這種曲線像什么英文字母呢？4 提問：（任務(wù)8） 我們認(rèn)識了現(xiàn)實條件下，種群會呈現(xiàn)出“S”型增長。如果現(xiàn)在給你一個種群，我們已知它在理想條件下的“J”型曲線，就是剛才大家畫的這樣。請大家在同一個坐標(biāo)系中畫出現(xiàn)實條件下它的種群數(shù)量變化曲線。（學(xué)生板圖“S”型曲線）5 點評：對學(xué)生繪制的“S”型曲線進(jìn)行點評，引導(dǎo)全班學(xué)生達(dá)成共識。6 提問：兩條曲線間的差異是什么原因造成的？（教師板圖“環(huán)境阻力”）1 提問：（任務(wù)9）通過剛才的學(xué)習(xí)，咱們再來看看生物興趣小組的實驗結(jié)果，大家能夠給出解釋了嗎？ 2 在學(xué)生分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)充提問： 如：大致呈現(xiàn)出什么樣的變化趨勢呢？ 有沒有K值？一直維持K值嗎？為什么，可能原因是？3 講述： 具體的原因需要經(jīng)過進(jìn)一步的實驗來求證了。如果你對這個實驗感興趣，可以在課下和興趣小組的同學(xué)以及我進(jìn)一步探討。自然種群的數(shù)量變化1講述：我們運(yùn)用種群數(shù)量增長模型解釋了一些生產(chǎn)生活中的實際問題。事實上，大部分自然種群的數(shù)量不會是單純的增加或減少。請大家觀察這幅圖片。科學(xué)家從19281977年長達(dá)52年間對一個歐洲灰鷺種群數(shù)量進(jìn)行追蹤調(diào)查，最終繪制出這樣的變化曲線。我們看到有些階段種群數(shù)量增加，有些則減少，也就是呈現(xiàn)出一種什么狀態(tài)？（板書“三、自然種群：波動”）2 提問：什么因素會造成種群數(shù)量的波動呢？3 介紹：科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)灰鷺數(shù)量減少的年份大多經(jīng)歷了寒冬；而數(shù)量持續(xù)增加的年份則是持續(xù)暖冬?？梢姎夂虻拇_對種群數(shù)量起到了很大的影響。除此以外，食物的多少、天敵的多少還有就是像禽流感這樣的傳染病使很多鳥都死去，勢必引起種群數(shù)量的變動。像食物、天敵這樣，就要涉及到不同種生物之間的關(guān)系，這將是什么水平研究的問題呢？那我們下節(jié)課在“群落”中再繼續(xù)去探討它們對種群數(shù)量的影響?；貞洸⒄f出：影響種群密度的數(shù)量特征通過遷移訓(xùn)練，鞏固對數(shù)學(xué)模型的理解，同時加深對指數(shù)增長的理解。通過草履蟲實例，考察學(xué)生獲取信息能力和對“J”型增長規(guī)律的掌握情況。同時為后面分析高斯實驗做好