《生態(tài)系統(tǒng)的能量流動》（第1課時）公開課教案

9/9第5章生態(tài)系統(tǒng)及其穩(wěn)定性第2節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動[教學目標]知識目標：1．通過分析食物鏈讓學生掌握生態(tài)系統(tǒng)中能量流動的概念；2．通過模型的構建讓學生理解生態(tài)系統(tǒng)中能量流動的過程；3．通過定量分析讓學生理解生態(tài)系統(tǒng)中能量流動的特點并學會應用。能力目標：1．通過定量分析生態(tài)系統(tǒng)中能量的輸入與輸出，發(fā)展學生的思維遷移能力；2．學會整理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，進而得出科學結論；3．通過小組討論與導學式相結合的教學模式，培養(yǎng)學生的語言表達力，合作能力以及發(fā)散思維和求異思維能力的發(fā)展。情感目標：通過聯(lián)系實際，激發(fā)學生學習生物學的興趣，培養(yǎng)學生關心生態(tài)的意識和進行生命科學價值觀的教育；[教學重點]種群的基本特征及相互間的聯(lián)系和影響。[教學難點]生態(tài)系統(tǒng)能量流動的過程。[課時安排]2課時[教學過程]視頻引入：播放視頻“追逐太陽的黃金水母”。問題引導：水母為什么要追逐太陽？學生探討：與水母共生的藻類需要陽光。教師引導：陽光是生命界能量的來源，通過“能量”這個紐帶生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者、消費者、分解者和無機環(huán)境聯(lián)系成為了一個整體，這節(jié)課我們就來分析一下生態(tài)系統(tǒng)的能量流動的相關問題。一、能量流動的概念教師引導：對于生態(tài)系統(tǒng)能量方面的系統(tǒng)研究開始與上個世紀初，其中美國科學家林德曼就是其中杰出的代表。通過實驗他獲得了一個小型湖泊內各種生物所含有的能量值，但是一時間他無法找出它們之間的內在聯(lián)系，此時他的一位來自中國的同學給他說了兩句古老的中國諺語，使得他茅塞頓開，推動了其研究的進程。諺語展示：“大魚吃小魚，小魚吃蝦米，蝦米吃泥巴。”問題引導：這個諺語說得不夠確切，假設小魚是小型肉食性魚類，大魚是大型肉食性魚類，泥巴上長滿了小蝦米喜歡吃的藻類，那么這條諺語描述的是哪個生物學概念？學生回答：食物鏈。教師引導：正是當時生態(tài)學界剛提出不久的食物鏈這個概念，讓林德曼意識到能量流動的渠道和方向。下面就以這條食物鏈的第三營養(yǎng)級——“小魚”為例，請同學們思考和分析一下它的能量的來源和去路。學生回答：從蝦米那里獲得能量，自身消耗一部分，再傳遞給大魚一部分，死亡后給分解者一部分。問題引導：一個個體如此，如果是整個小魚種群呢？學生回答：也是如此。概念總結：把生態(tài)系統(tǒng)中能量的輸入、轉化、傳遞和散失的過程稱為生態(tài)系統(tǒng)的能量流動。[該圖的表示方法可以稱之為概念圖模型，但是這個模型太過簡單，對于不同營養(yǎng)級這四個基本過程還是存在差異的，下面我們來嘗試將其補充完善。]二、能量流動的過程學生討論：①自然界中能量的存在形式；②自然界中與能量傳遞有關的生物間關系；③細胞中蘊含能量的物質；④細胞中與能量儲存、釋放有關的代謝。師生總結：學生活動：將總結的概念加入剛才總結的簡易模型中，分別嘗試構建第一營養(yǎng)級和第二營養(yǎng)級的能量流動概念模型。1、能量來源：太陽能2、能量流動的概念模型（1）對于生產(chǎn)者（第一營養(yǎng)級）（2）對于初級消費者（第二營養(yǎng)級）對于頂級消費者（最高營養(yǎng)級）（4）對于分解者問題引導：各級消費者要不要加一個以“糞便”形式傳遞給分解者的箭頭？學生討論：不需要，糞便屬于未同化的能量，在分析時應屬于上一營養(yǎng)級中指向分解者的部分里。（5）總結問題引導：每個營養(yǎng)級同化的能量都有三個去路：傳遞給下一個營養(yǎng)級，傳遞給分解者（最高營養(yǎng)級除外）和自身呼吸消耗，所以大家發(fā)現(xiàn)每個營養(yǎng)級的能量會怎么樣？學生回答：越來越少。[到目前我們的這種問題的分析都采用的描述的方法，屬于定性的分析，是不是真的越來越少，一定要有實驗數(shù)據(jù)的支撐。最早完成這一實驗的就是林德曼。]二、能量流動的特點1、林德曼的研究（1）研究對象：賽達伯格湖教師引導：林德曼發(fā)表于1941年的《一個老年湖泊內的食物鏈動態(tài)》和1942年的《生態(tài)學的營養(yǎng)動態(tài)概說》奠定了他在生態(tài)學的地位，他的研究成果主要來自于一個小型的高原琥珀——賽達伯格湖。資料展示：賽達伯格湖位于高原地帶，面積大約50公頃，是一個較小且封閉的天然湖泊。該地區(qū)氣候較為寒冷，人口稀少，保留了原始景觀。問題引導：美國有許多大型湖泊，包括賽達伯格湖的附近，為什么選擇該湖泊作為研究對象？師生總結：營養(yǎng)結構簡單；受外界因素干擾較小，是一個相對穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)等。（2）研究方法：定性分析→定量分析教師引導：定量分析是指依據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用數(shù)學模型計算出分析對象的各項指標及其數(shù)值，找出變化規(guī)律。我們將林德曼的數(shù)據(jù)放入剛在總結的概念圖模型中就會得到相應圖解。2、特點問題引導：圖解中的單位是J/(cm2·a)。圖中還多了一個概念——“未利用”，是指在研究時間內未被自身呼吸消耗，也未被后一營養(yǎng)級和分解者利用的能量。那么這部分能量以什么形式存在于生態(tài)系統(tǒng)中呢？師生總結：主要以沉積物的形式，如泥炭、枯枝落葉層等，對于賽達伯格湖而言是形成了大量的泥炭沉積在湖底，很難被利用。問題探究：下面從兩個角度準備了6個問題，讓大家體會定量分析的過程。從生態(tài)系統(tǒng)層次：①該生態(tài)系統(tǒng)一年流入的總能量是多少？光能利用率為多少？②該生態(tài)系統(tǒng)含有能量最多和最少的生物類群分別是什么？③該生態(tài)系統(tǒng)能量流動的渠道是什么？能否反向進行？營養(yǎng)級層次：④流入某一營養(yǎng)級的能量，能否全部流到下一營養(yǎng)級？⑤生產(chǎn)者能量的各條去路占其總能量的比例分別是多少？⑥營養(yǎng)級之間的能量傳遞效率各是多少？師生總結：①固定的總能量是464.6，利用率為0.1%。問題引導：展示不同地域的光能利用率，思考為什么水浴生態(tài)系統(tǒng)的光能利用率較低？學生回答：很多陽光被水面反射。師生總結：②能量最多的是生產(chǎn)者，最少的是肉食動物。問題引導：為什么不是身體微小的分解者？學生回答：分解者的數(shù)量龐大，肉食動物數(shù)量太少。師生總結：③渠道是食物鏈（網(wǎng)），不能反向進行，因為食物關系是不能反向的。（1）單向流動問題引導：單向流動的含義是能量在營養(yǎng)級之間的流動只能從低營養(yǎng)級到高營養(yǎng)級，為什么不能逆轉？不能循環(huán)？學生回答：生物間的捕食關系是一定的；散失的熱能不能被生物體再利用。師生總結：④不能，能量的去路還有呼吸消耗、傳遞給分解者和未利用。師生總結：⑤如圖，順序是未利用＞呼吸＞下一營養(yǎng)級＞分解者問題引導：對于其他營養(yǎng)級是不是都是這個順序？對于整個生態(tài)系統(tǒng)呢？學生回答：對于其他營養(yǎng)級基本都是如此，對于整個生態(tài)系統(tǒng)而言，最高營養(yǎng)級的能量反而最少。問題引導：對于其他生態(tài)系統(tǒng)是不是也都是如此呢?請分析兩個水域生態(tài)系統(tǒng)能量最終流向比較表。學生回答：每個生態(tài)系統(tǒng)都是不一樣的。教師介紹：賽達伯格湖是沼澤高原型湖泊，生物種類較少，又相對封閉，分解者分解能力較低，因此未利用的能量比例較高，以泥炭的形式沉積湖底。而銀泉屬于流水型的河流，生物種類較多，因此呼吸消耗較多，而且大量沉積物隨水流入下游，沉積物很少，未利用能量較低。因此，一定要具體問題具體分析，不能所有問題一概而論。師生總結：⑥營養(yǎng)級之間的能量傳遞效率各是多少？（2）逐級遞減問題引導：逐級是什么含義？能量為什么會逐級減少學生回答：“逐級”是指能量沿著食物鏈從低營養(yǎng)級到高營養(yǎng)級。減少的原因是能量要自身呼吸散失一部分、分解者利用一部分和未利用一部分。教師引導：相鄰營養(yǎng)級間能量傳遞效率大約是10%~20%，這又被稱為林德曼定律。問題引導：對于食物鏈藻類→蝦米→小魚→大魚，如果藻類固定了10000KJ的能量，至少傳遞多少到大魚？如果大魚獲得了10KJ的能量，至少需要藻類固定多少太陽能？學生回答：至少傳遞給大魚的能量為10000×(10%)3=10KJ；至少需要藻類固定的太陽能為10÷(20%)3=1250KJ。問題引導：既然能量逐級減少，那么與能量守恒定律是否矛盾？請用數(shù)據(jù)來分析。師生總結：從某營養(yǎng)級的角度：師生總結：從某營養(yǎng)級的角度：從生態(tài)系統(tǒng)角度：三、生態(tài)金字塔教師引導：實驗數(shù)據(jù)的整理有生態(tài)金字塔教師引導：實驗數(shù)據(jù)的整理有很多形式。①表格，用于記錄原始實驗數(shù)據(jù)；②柱狀圖，將所含能量的多少轉化圖形面積的大小，置于坐標系內，各個營養(yǎng)級的能量大小一目了然非常直觀。如果將能量條疊放在一起就形成了能量金字塔。1、能量金字塔問題引導：每一級代表一個種群還是一個營養(yǎng)級？能量金字塔的排放順序是怎樣的？學生回答：每一級代表一個營養(yǎng)級，第一營養(yǎng)級在最下面，高營養(yǎng)級一次向上排放。問題分析：解釋一下影響林德曼的第二個中國諺語：“一山不容二虎”。學生回答：能量流動是逐級遞減的，虎的營養(yǎng)級高，含有能量少，不足以供應更高的營養(yǎng)等級的生存。2、生物量金字塔教師引導：將所含有機物的多少轉化圖形面積的大小，就會形成生物量金字塔。3、生物量金字塔教師引導：將所含個體數(shù)多少轉化圖形面積的大小，就會形成數(shù)量金字塔。問題引導：三種生態(tài)金字塔會不會出現(xiàn)倒置的情況？師生總結：能量金字塔不會倒置，生物量金字塔一般不會，數(shù)量金字塔有可能（如一棵樹上生活這大量的昆蟲）。[通過本節(jié)課的學習，我們了解生態(tài)學家研究生態(tài)學問題