“生态系统稳定性”教学设计

徐 婧 (人大附中北京经济技术开发区学校 北京 100176)

2016年,教育部发布《中国学生发展核心素养》。生物学学科的核心素养为生命观念、理性思维、科学探究和社会责任。培养核心素养的生物学课程应积极倡导以小组自主合作探究为主的学习活动,通过逐层深入的问题,引导学生形成理性思维,培养学生的好奇心和探索欲,促进学生对生物学学科本质的理解,形成一定的生命观念,并愿意参与相关的社会问题的讨论,能运用科学知识和方法指导实际生活,形成社会责任意识。

关于生态系统的稳定,《普通高中生物学课程标准(2017年版)》(以下简称“课程标准”)在内容标准明确了核心概念。

大概念:2生态系统中的各种成分相互影响,共同实现系统的物质循环、能量流动和信息传递,生态系统通过自我调节保持相对稳定的状态。

重要概念:2.3生态系统通过自我调节作用抵抗和消除一定限度的外来干扰,保持或恢复自身结构和功能的相对稳定。2.4人类活动对生态系统的动态平衡有着深远的影响,依据生态学原理保护环境是人类生存和可持续发展的必要条件。

次位概念:2.3.1解释生态系统具有保持或恢复自身结构和功能相对稳定,并维持动态平衡的能力。2.3.2举例说明生态系统的稳定性会受到自然或人为因素的影响,如气候变化、自然事件、人类活动或外来物种入侵。2.3.3阐明生态系统在受到一定限度的外来干扰时,能够通过自我调节维持稳定。2.3.4概述生物多样性对维持生态系统的稳定性以及人类生存和发展的重要意义,并尝试提出人与环境和谐相处的合理化建议。

为帮助学生理解上述概念,课程标准中教学提示建议:设计保持和提高某个生态系统的方案;
调查当地环境中存在的主要问题,提出保护建议或行动计划。学业要求:从生态系统具备有限自我调节能力的视角,预测和论证某一因素对生态系统的干扰可能引发的多种潜在变化(生命观念、科学探究、社会责任)。

松毛虫灾害的案例在选修3现代生物科技专题中专题5“生态工程”5.1“生态工程的基本原理”一节以资料分析形式呈现。松毛虫灾害问题在中国广泛存在,20世纪以来,科学家对马尾松林和松毛虫的研究很多,在种群数量和空间特征、种间关系、生物群落与无机环境之间的相互作用、防御的分子机理等方面都有大量的研究成果。因此,将马尾松人工林的生态系统稳定性分析作为典型的人工生态系统进行结构、功能和稳定性的研究很有意义。

本节内容是高三一轮复习专题20“生态系统及其稳定性、生态工程”小结,课程设计采用真实情境下的案例进行分析。以马尾松人工林生态系统为例,以导致马尾松人工林松毛虫爆发的因素为主要问题导向,通过一系列科学研究的资料和数据,分析该生态系统的结构、功能和稳定性,寻找导致马尾松人工林发生松毛虫灾害的多方面因素,并构建这些因素之间的联系,提出根本的解决方案:利用生态工程物种多样性原理提高生态系统的物种多样性,只有个体层次、群体层次、生物群落与无机环境之间相互作用都维持相对稳态,整个生态系统才能维持稳态,从而构建生态系统的结构功能观。

知识层面:在一轮复习中,学生已复习了必修3第5章“生态系统及其稳定性”和选修3“生态工程”的内容,对生态系统的结构、功能和稳定性有了一定的认识。但学生对生态系统及其稳定性还未形成系统的认识,对人工生态系统和自然生态系统还没有系统的比较。

能力层面:能阐明生态系统由生产者、消费者和分解者等生物因素及非生物因素组成生态系统,各组分紧密联系使生态系统成为具有一定结构和功能的统一体,生产者和消费者通过食物链和食物网形成复杂的营养结构,生态系统中的物质在生物群落和无机环境之间不断循环、能量在生物群落中单向流动并逐级递减,生态系统中信息的传递对生命活动的正常进行、生物群落的繁衍和种间关系的调节起着重要的作用。具有一定的科学常识和社会活动经验,可通过小组合作进行学习,但缺少对实际案例的分析经验,对于生态系统的复杂程度了解不够。

情感层面:学生思维活跃,好奇心强。

1)通过马尾松人工林松毛虫爆发的案例,建立生态系统的结构决定其功能的观念,构建个体稳态、群体稳态和生态系统稳定之间的关系,构建稳态与平衡观念。

2)分析马尾松人工林大量资料中生物学事实和证据,运用归纳和概括、模型与建模、批判性思维等方法,引导学生认识生物科学的价值,对生态学实践应用作出合理的分析和判断。

3)分组研究资料中的科学研究过程,提高学生实践能力和团队合作能力。

4)利用生态工程的原理提出防治松毛虫的方案,引导学生参与讨论社会事务,作出理性解释和判断,培养学生解决生产、生活问题的担当和能力。树立“绿水青山就是金山银山”的理念,形成生态意识。

1)重点:分析说明马尾松人工林生态系统稳定性弱的原因;
分析生态系统的结构和功能对维持生态系统稳定性的作用;
利用生态工程原理提出提高生态系统稳定性的方案。

2)难点:分析个体、群体、生态系统3个层次共同维持稳态。

5.1 情境导入,激趣设疑

展示资料1:播放2019年5月新闻视频“吉林485万亩松林地遭遇松毛虫灾情”,并结合图片介绍马尾松和松毛虫。提出问题Q1:当松毛虫灾害造成大面积马尾松枯死时,生态系统稳定性发生了什么变化?使学生意识到生态系统中一个成分的稳态被破坏,整个生态系统的稳定性会受到影响,树立“绿水青山就是金山银山”的理念,形成生态意识。

5.2 初步分析现象

展示资料2:高安市马尾松林样地的林分状况(表1)及文字资料:1992—2001年,分别于每年3月上旬、6月中旬、8月中旬进行调查[1]。在各样地采用套袋剪枝的方法进行抽样调查。套袋用白色的确凉布制作,规格为35 cm(口袋直径)×55 cm(袋深);
每次调查随机抽样50枝,记录马尾松幼虫的数量[2]。

表1 高安市马尾松林样地的林分状况[1]

提出问题串,引发学生思考:

Q2:马尾松人工林的稳定性如何?

Q2-1:如何测量马尾松和松毛虫的种群密度?

Q2-2:从种群特征的角度分析,直接影响松毛虫的种群密度急增的因素是什么?

Q2-3:马尾松和松毛虫的种群空间结构分别是哪种类型?

展示图1、图2,提出问题Q2-4:马尾松人工纯林松毛虫发生量和有虫株率如何?Q2-5:实验结果说明什么?分析高安市不同样地马尾松毛虫幼虫发生量和有虫株率。

图1 江西高安1992—2001年不同样地马尾松毛虫幼虫发生量[1]

图2 江西高安1992—2001年不同样地马尾松毛虫有虫株率[1]

基于生物学事实和证据,带领学生复习种群和群落的相关基本内容,并分析得出结论:马尾松人工林结构单一,尤其是人工纯林无混交树种,松毛虫幼虫发生量和幼虫株率都明显高于其他混交林,马尾松人工纯林的稳定性低。

5.3 从群体层次深入分析产生现象的原因

提出问题Q3:导致马尾松人工林松毛虫爆发的因素有哪些?如何防治?要求学生进行5 min的小组讨论,每组提出一个原因,并提出对应的解决措施。按照回答顺序逐个分析。

因素1:自然气候。

展示资料3:1972—1994年间大兴安岭地区的降水量[3],期间,分别在1982年和1990年夏季发生松毛虫灾害大爆发(图3)。

图3 大兴安岭地区降水量年度变化图[3]

提出问题Q3-1:松毛虫的爆发与该地区的降水量之间呈现怎样的关系?通过分析得出,1972—1994年松毛虫灾害在大兴安岭地区发生2次大爆发,都发生在2~3年的干旱少雨后降雨量激增的情况下[3]。由此推断,自然气候是导致松毛虫爆发的因素之一。人类无法控制自然因素,但通过研究掌握其发生规律,进而预测松毛虫灾害的爆发时期。

因素2:竞争者。

展示资料4:马尾松无灾区、偶灾区、常灾区食叶害虫比例分布情况(图4)[2]。

图4 无灾区5种食叶害虫的比例[2]

表2 食叶类群各群落指数及其检验结果[2]

提出问题串,引发学生进一步思考。

Q3-2-1:马尾松毛虫与其他食叶害虫之间是什么关系?

Q3-2-2:常灾区(纯林)与其他2个区相比,食叶害虫类群指数有何特点?

Q3-2-3:何种因素决定了不同受灾区食叶害虫的多样性?

通过分析得出,常灾区(纯林)马尾松毛虫所占比例最高,且食叶类群落的多样性指数和均匀度在3个区域中均最低,马尾松毛虫缺乏竞争者或竞争者的数量较少,是导致松毛虫爆发的原因之一。而造成食叶类昆虫种类少的主要原因可能是生产者,即马尾松的种类单一。可通过增加松毛虫竞争者的种类和数量降低松毛虫爆发的几率。

因素3:马尾松林分结构。

展示资料5:不同马尾松群落物种分布及多样性特征(表3、表4)[4]。

表3 不同马尾松群落类型物种分布情况[4]

表4 不同群落类型灌木层物种多样性特征对比[4]

提出问题串:

Q3-3-1:马尾松群落乔木-灌木-草本的分布体现了群落的什么结构?

Q3-3-2:马尾松人工纯林与其他群落的物种类型分布相比有何特点?

Q3-3-3:马尾松人工林的物种多样性有何特点?

Q3-3-4:生态系统中植物的多样性对动物的多样性有何影响?

Q3-3-5:从环境容纳量的角度解释人工林松毛虫数量多的原因?

通过分析得出,马尾松人工林的乔木-灌木-草本垂直结构中,各层次的物种数均最少,且多样性指数最低,马尾松在群落中的生态化优势最高,说明马尾松人工林的结构过于单一,抵抗力稳定性差,自我调节能力较弱。马尾松人工林结构的单一直接导致各类食叶昆虫种类单一,这是松毛虫灾害爆发的主要原因。可采取与其他树种混交的方式,提高马尾松人工林的物种丰富度,进而提升人工林的稳定性。

因素4:松毛虫天敌。

展示资料6:安徽省安庆地区马尾松松毛虫天敌资源种类及分布调查(表5,改自文献5)[5]。文字资料(天敌鸟类):鸟类分布广、种类多、捕食能力强、食量大,是松毛虫的重要天敌,在维护森林自然生态相对平衡中起重要作用,捕食松毛虫的鸟类有117种。不少研究证明鸟类可控制松毛虫,对松毛虫的种群起到明显的抑制作用[6]。

表5 马尾松毛虫不同区域天敌群落结构[5]

提出问题串:

Q3-4-1:松毛虫的天敌与松毛虫的种间关系如何?

Q3-4-2:常灾区(纯林)中为何松毛虫天敌种类较少?

通过分析得出,马尾松常灾区马尾松毛虫的天敌多样性指数和生态化优势最低,很多研究证明鸟类可控制松毛虫,对松毛虫的种群起到明显的抑制作用。而马尾松纯林区爆发松毛虫灾害的原因之一即为天敌鸟类的种类和数量较少,这与该地区主要为马尾松纯林,栖息条件和食物不能满足多种鸟类的要求有直接关系。可通过人工引入一些松毛虫的天敌鸟类以控制松毛虫的爆发。

因素5:土壤成分。

展示资料7:不同林分类型凋落物各组分的养分含量(表6)[7]。

表6 不同林分类型凋落物各组分的平均养分含量[7]

提出问题Q3-5:不同林分类型的凋落物养分不同的原因是什么?说明什么?

通过分析得出,马尾松人工纯林凋落物中不同营养元素的含量不同,其中N元素含量最低,P和Ca 2种元素在7种林分类型中含量最高。因此,施肥可影响寄主植物的生长状况,也会间接影响松毛虫的生长发育。研究表明,施肥能促使松毛虫幼虫体形增大,体重增加。还有研究表明,施加氮肥可提高马尾松毛虫的死亡率,并可有效控制松毛虫的繁殖量[6]。因此,可通过在马尾松人工林中施加一定量的氮肥以降低松毛虫灾害爆发的概率。

展示资料8:1983—2014年潜山县马尾松毛虫发生面积的变化情况(图5)[8]。

图5 1983—2014年潜山县马尾松毛虫发生面积[8]

提出问题Q3-6:松毛虫灾害爆发有何特点?从生态系统营养结构的角度分析原因。

通过分析得出,松毛虫爆发会呈现出一定的周期性,一般情况下爆发后第2年松毛虫数量就会急剧减少,从营养结构的角度分析,松毛虫爆发后,马尾松的数目会下降,鸟类天敌的数目增多,松毛虫的食物不足,且被鸟类捕食的量增多,因此,松毛虫的数量会下降。这就是生态系统的负反馈调节机制。因此,马尾松林多样性越高,营养结构越复杂,自我调节能力越强,越不易爆发松毛虫灾害。

5.4 从个体层次深入分析产生现象的原因

展示资料9:不同受害程度松树马尾松毛虫死亡率及松树体内一些物质的变化(表7~表9)[9]。

表7 不同受害程度松树的松针饲养的马尾松毛虫平均死亡率、化蛹率、生殖力(1994年,江西高安)[9]

表8 不同受害程度松树的松针内氨基酸含量值(mg/100 mg)[9]

表9 不同受害程度松树的松针内单宁含量和总酚含量(mg/g)[9]

图6 受害马尾松邻枝针叶茉莉酸甲酯的变化[10]

提出问题串:

Q4:马尾松对松毛虫有何调节作用?

Q4-1:此实验的结果说明什么?

Q4-2:受虫害后,松针内氨基酸(代表营养)有何变化?

Q4-3:松针内单宁和总酚(代表化学防御物质)有何变化?

Q4-4:内源茉莉酸甲酯(代表植物防御机制的关键激素)有何变化?

Q4-5:马尾松在个体层次是如何防御松毛虫的?

通过分析得出,在个体层次,当马尾松被松毛虫侵害后,松针体内的营养物质含量下降,化学防御物质的含量升高,且参与防御的关键激素茉莉酸甲酯的含量升高,说明马尾松会通过一系列的机制抵御松毛虫的侵害。

5.5 提出解决问题的措施

提出问题Q5:防治松毛虫灾害的措施有哪些?

图7 导致松毛虫爆发的多因素分析

归纳总结导致松毛虫爆发的因素,即自然气候条件、松毛虫的竞争者少、马尾松林的林分结构较为单一、松毛虫的天敌种类及数量少、土壤成分等都是导致松毛虫灾害发生的原因。针对上述原因,防治松毛虫灾害最根本的措施是提高马尾松人工林的多样性。指导学生分析马尾松人工林的稳定性,认识到生态系统保持相对稳定状态是非常复杂的调节过程,与生态系统不同成分之间的相互作用有关,也与生态系统与无机环境的相互影响有关。

采用课堂点评与学案2种评价方式。课堂点评:对探究小组汇报设置学生互评和教师点评环节,通过点评和质疑,促进学生的反思和科研思维发展。学案:学案中包含详细的课堂资料及相关问题,有利于学生进行课堂思考及归纳总结;
高考题可让学生学以致用,引导学生认识生态系统的复杂性。

生态系统部分的内容层次较为清晰,但基本都停留在概念理解层次,传统的高三一轮复习都是按照教材的内容整理生态系统的结构、功能和稳定性,构建生态系统稳态的整体概念框架。而对概念的应用都是在各层次割裂的情境中进行分析。本节设计通过马尾松人工林案例,充分利用科研文献,围绕一个核心问题,就一个案例分层次分析各自维持稳态的机制,将本章内容进行系统总结,以此构建生态系统结构、功能和稳定性的核心概念。

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