2022-2023學年人教版(2019)選擇性必修二 1.2種群數(shù)量的變化 教案

數(shù)學模型構(gòu)建在高中生物教學的應用研究——《種群數(shù)量的變化》（第一課時）教學案例一、教材分析選擇性必修2《生物與環(huán)境》模塊包括種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)、環(huán)境保護等內(nèi)容，這些內(nèi)容是生物學課程必不可少的組成部分，是學生全面理解生命現(xiàn)象及其內(nèi)在規(guī)律必需的知識，也是發(fā)展學生核心素養(yǎng)所需的支撐性內(nèi)容。第1章《種群及其動態(tài)》，學生將在群體水平上探討生命系統(tǒng)大的組成，結(jié)構(gòu)和發(fā)展變化規(guī)律。第2節(jié)《種群數(shù)量的變化》包括三部分內(nèi)容，其中第一部分是建構(gòu)種群增長模型的方法。而建立數(shù)學模型的方法是本模塊科學方法教育的側(cè)重點。二、教學目標的確定課程標準與本節(jié)相對應的“內(nèi)容要求”是：嘗試建立數(shù)學模型解釋種群的數(shù)量變動；相對應的“學業(yè)要求”是：運用數(shù)學模型表征種群數(shù)量變化的規(guī)律，分析和解釋影響這一變化的規(guī)律的因素，并應用于相關(guān)的實踐活動中（生命觀念、科學思維、社會責任）。根據(jù)上述要求，結(jié)合教材內(nèi)容，確定本節(jié)的教學目標如下：1.通過結(jié)合細菌數(shù)量增長的實例,構(gòu)建種群數(shù)量增長的模型，掌握建立數(shù)學模型的科學方法。2.通過“J”形和“S”形曲線分析,理解種群數(shù)量變化的影響因素，培養(yǎng)科學思維。3.嘗試運用環(huán)境容納量解決實際問題，滲透社會責任。三、教學設計思路數(shù)學模型是用來描述一個系統(tǒng)或它的性質(zhì)的數(shù)學形式。在數(shù)學模型的建構(gòu)過程中，遵循著“現(xiàn)象—本質(zhì)—現(xiàn)象”的思路，這是一種常用的科學思維方法。本節(jié)課的教學以“問題探討”導入，引導學生親歷建構(gòu)數(shù)學模型的過程。教學中重點引導學生自主探究“如何建構(gòu)數(shù)學模型”和“如何利用數(shù)學模型解決生產(chǎn)生活中的實際問題”等具體教學流程如下圖所示。情景導入以“問題探討”中細菌繁殖為情景導入課程，激發(fā)學習興趣。情景導入以“問題探討”中細菌繁殖為情景導入課程，激發(fā)學習興趣。建構(gòu)數(shù)學模型探究活動1：以“問題探討”中細菌繁殖情況為例，學生進行數(shù)學模型建構(gòu)的探究，并歸納、總結(jié)建構(gòu)數(shù)學模型的一般步驟。建構(gòu)數(shù)學模型探究活動1：以“問題探討”中細菌繁殖情況為例，學生進行數(shù)學模型建構(gòu)的探究，并歸納、總結(jié)建構(gòu)數(shù)學模型的一般步驟。探究活動2：分析細菌繁殖和自然界種群增長的實例：澳大利亞野兔和環(huán)頸雉，歸納“J”形增長形成條件。探究活動2：分析細菌繁殖和自然界種群增長的實例：澳大利亞野兔和環(huán)頸雉，歸納“J”形增長形成條件。種群的“J”形增長種群的“J”形增長探究活動3：通過計算和繪制曲線圖，理清模型中各參數(shù)的意義和種群增長速率。探究活動3：通過計算和繪制曲線圖，理清模型中各參數(shù)的意義和種群增長速率。種群的“S”形增長種群的“S”形增長探究活動4：分析高斯培養(yǎng)大草履蟲的實驗，歸納“S”形增長形成條件并繪制種群增長速率曲線圖。探究活動5探究活動5：應用所學的解決實際問題：探討K值在保護珍稀野生動物和有害生物防治的應用。比較“J”形增長和“S”形增長的異同比較“J”形增長和“S”形增長的異同課堂總結(jié)四、教學實施的程序4.1情景導入展示“問題探討”中細菌繁殖的假設資料，提出問題：71h后，由一個細菌分裂產(chǎn)生的細菌數(shù)量是多少？用什么方法描述、解釋和預測種群數(shù)量的變化？設計意圖：設置情景導入問題，引發(fā)學生思考。4.2建立數(shù)學模型首先老師引導學生以上述細菌種群數(shù)量變化為研究對象，計算一個細菌在20min、40min或者更長的時間后變成多少個細菌，學生經(jīng)過計算探究出結(jié)果并填入課本第8頁表格。表1時間（min)020406080100120140160180數(shù)量（個）1學生根據(jù)細菌增長數(shù)據(jù)歸納出第n代細菌數(shù)量的計算公式：Nn=2n。再以時間為橫坐標，細菌數(shù)量為縱坐標，把細菌種群的增長曲線畫在課本第八頁圖1-4。老師提出問題：在剛才的探究活動中，我們分別使用了什么數(shù)學模型來展示細菌種群的增長？這些形式都有哪些優(yōu)缺點？（引導學生回答）生：圖表、公式和曲線圖，公式準確而不直觀，曲線圖直觀但不準確。師生共同歸納數(shù)學模型的定義：數(shù)學模型是用來描述一個系統(tǒng)或它的性質(zhì)的數(shù)學形式。老師進一步提出疑問，我們的數(shù)學模型能否準確計算出180min后的細菌種群數(shù)量呢？學生計算加以驗證。并引導學生總結(jié)建立數(shù)學模型的一般步驟：觀察研究對象，提出問題——提出合理假設——根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，用適當?shù)臄?shù)學形式對事物的性質(zhì)進行表達，即建立數(shù)學模型——通過進一步實驗或觀察等，對模型進行檢驗或修正。設計意圖：引導學生體驗數(shù)學模型的建立過程，初步形成建模的科學思維，培養(yǎng)學生歸納總結(jié)的能力。4.3種群的“J”形增長老師提出疑問：在自然界中，種群的數(shù)量變化情況是怎樣的呢？老師引導學生閱讀課本第8頁“思考·討論”分析自然界種群增長的實例，提出問題：野兔和環(huán)頸雉種群的增長曲線是否和細菌增長曲線類似？呈什么形？種群出現(xiàn)這種增長的原因是什么？用什么公式來表示這種增長形式？學生閱讀并思考得出“J”形增長曲線得概念，歸納出種群“J”形增長的條件:在食物和空間條件充裕、氣候適宜、沒有天敵和其他精裝物種等條件下。其數(shù)學公式為Nt=N0λt圖1時間增長速率λ=1.5圖1時間增長速率λ=1.5λ=1.2λ=1.0λ=0.8圖2老師指導學生探究模型中各參數(shù)的意義，特意設計不同條件下，λ的值常常不同，請在學生根據(jù)老師給出的圖中畫出λ=1.2、λ=1.0、λ=0.8時種群增長的函數(shù)圖像如圖2。歸納出λ的取值必須大于1且恒定。設計意圖：通過對野兔和環(huán)頸雉的分析加深對數(shù)學模型的認識，通過對模型中各參數(shù)的意義探究提高學生科學思維的嚴謹性。4.4種群的“S”形增長老師利用問題：如果遇到資源、空間等方面的限制，種群還會呈“J”形增長嗎？上述實例（野兔、環(huán)頸雉和細菌）中種群增長趨勢能否一致持續(xù)下去？引發(fā)學生思考。學生經(jīng)討論分析認為趨勢不能持續(xù)，不會呈“J”形增長。老師引導學生仔細閱讀課本第9頁生態(tài)學家高斯培養(yǎng)大草履蟲的實驗并討論以下問題：為什么高斯實驗結(jié)果（教材圖1-5）不呈“J”形曲線，出現(xiàn)這種圖形的原因是什么？觀察曲線，根據(jù)曲線的斜率變化繪制大草履蟲的種群增長速率圖。大草履蟲種群增長最快的位置在哪里？實驗第五天后，大草履蟲的數(shù)量基本維持在375個左右，這個數(shù)值意味著什么？老師通過上述問題引發(fā)學生思考，理解并形成“S”形曲線、K值的概念。然后提出在實際生活中，種群數(shù)量變化由哪些應用？老師引導學生小組討論：1保護瀕危的動物大熊貓應該根據(jù)什么原理采取什么措施？海洋捕撈如何獲取可持續(xù)的經(jīng)濟效益。學生小組討論得出依據(jù)K值的概念，建立自然保護區(qū)，改善棲息環(huán)境，提高K值來保護瀕危的大熊貓。以及在種群為K/2時進行捕撈可持續(xù)獲取較大的捕撈量，從而使經(jīng)濟效益最大化。設計意圖：通過對已知實驗結(jié)果和圖像分析，培養(yǎng)學生獲取、處理圖像信息的能力；培養(yǎng)學生利用生物學知識解決實際問題的能力。4.5課堂總結(jié)布置任務：請學生利用表格總結(jié)種群呈“J”形增長和“S”形增長的前提條件、種群數(shù)量的變化趨勢，以及這兩種模型中的各參數(shù)的具有含義。設計意圖：通過對比總結(jié)，培養(yǎng)學生比較、歸納的能力。五、教學反思本節(jié)課的教學過程中，仍有很大的改進空間，如情景導入可使用更多實際生活中的實例。學生探究過程可以形式更多樣比如計算種群增長速率和繪圖等可以改為小組合作探究，以提高課堂效率。思考問題后可以以提問的方式獲取學生的答案，提高學生的參與度。本節(jié)課的教學圍繞培養(yǎng)學生生物學學科核心素養(yǎng)的理念，以數(shù)學模型的建構(gòu)為主導開展教學，設計了一系列學生參與的教學活動。通過數(shù)學模型的建構(gòu)，培養(yǎng)了學生的科學思維；增強了學生的學習興趣。通過學習數(shù)學模型這個科學方法，讓學生掌握了應用數(shù)學工具解決生物學的難點問題，提高了學生的科學探究能力。本課應用數(shù)學模型展開教學，有助于老師導入新知識，提高教學效率，有效落實了高中生物學學科素養(yǎng)的培養(yǎng)。參考文獻[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版）［S］.北京：人民教育出版社，2018：3-4.[2]人民教育出版社，課程教材研究所，生物課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書教師教學用書（生物學選擇性必修2生物與環(huán)境）［S］.北京：人民教育出版社，2020：31[3]成茵茵,曾嘉敏,柯德森.核心素養(yǎng)視角下的高中生物學深度學習策略