資源簡介

高中生物-基于模型建構(gòu)的“調(diào)查種群密度”教學設(shè)計
“種群的數(shù)量特征”是新人教版高中生物學教材選擇性必修２《生物與環(huán)境》第１章“種群及其動態(tài)”第１節(jié)的內(nèi)容，種群密度是種群最基本的數(shù)量特征，種群密度的調(diào)查可以為害蟲預測預報、瀕危物種保護、生物資源評估、生物多樣性保護等提供重要依據(jù)。由于課時和客觀條件的限制，很多學生沒有實際調(diào)查過種群密度，以致出現(xiàn)很多認知的偏差。運用模型與建模思維可以重現(xiàn)生物演化進程中無法再現(xiàn)的場景，如：模擬原始地球環(huán)境中有機物起源的米勒實驗。將模型與建模的方法應(yīng)用于課堂教學之中，特別是利用生活中易于獲取的實物建構(gòu)物理模型，可以提高學生的科學思維和科學探究能力。
１．設(shè)計思路
本節(jié)課以常見材料(白芝麻、黑芝麻)建構(gòu)調(diào)查種群密度的物理模型，設(shè)計三個探究活動，在模型建構(gòu)中讓學生實踐“樣方法”“標志重捕法”。針對建模中遇到的問題，以兩個討論議題分析模型，提高學生建模與分析、運用模型的能力。以興趣引導、任務(wù)驅(qū)動、小組合作探究等活動，引導學生建模—析模—用模，應(yīng)用模型與建模的科學思維解決實際問題。
２．教學目標
基于《普通高中生物學課程標準(２０１７年版２０２０年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)的內(nèi)容要求、學業(yè)要求和學業(yè)質(zhì)量標準，并圍繞培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)的要求，制訂了如下教學目標：(１)通過觀察校園綠化帶照片，提出調(diào)查種群密度時遇到的問題。(２)掌握建模的方法，學會分析物理模型，找到符合自然界實際情況的調(diào)查方法，估算校園某種生物的種群密度。(３)聯(lián)系生活實際，認識調(diào)查種群密度對生活、生產(chǎn)、生物多樣性保護的意義，提高學生的科學思維能力及社會責任感。
３．教學過程
３．１問題引入——校園植物的種群密度調(diào)查
教師先講述調(diào)查種群密度對生產(chǎn)、生活、生物多樣性保護的重要意義，然后出示校園植物照片(如帶狀分布的石楠、不規(guī)則分布的鳶尾)，校園植物的分布可能不均勻、取樣地也可能不規(guī)則。教師須引導學生提出在調(diào)查校園植物種群密度時遇到的問題，也可以拓展問題：如何調(diào)查草原上鼠的種群密度？ 為草原上牧民防治鼠害提供建議。設(shè)計意圖：校園植物的種群密度調(diào)查可以吸引學生關(guān)注身邊的生物學問題，本環(huán)節(jié)重在吸引學生關(guān)注現(xiàn)實中的生物學問題，激發(fā)學生的求知欲。
３．２建模探究——分解為三個課堂探究活動
在課堂上以模型建構(gòu)的方式模擬種群密度的調(diào)查，教師將準備好的測量紙(圖１)、一定量的白芝麻、黑芝麻分發(fā)給各學習小組。
３．２．１活動一：調(diào)查白芝麻的總數(shù)量
教師提出問題：如何將白芝麻分布于測量紙？ 白芝麻是否必須均勻分布于測量紙？ 現(xiàn)實中的種群是如何分布的？ 學生分小組討論白芝麻分布的方式和樣方的選取方案，而后將白芝麻分布于測量紙上。統(tǒng)計樣方內(nèi)白芝麻的數(shù)量，并依據(jù)“計上不計下、計左不計右”的原則統(tǒng)計樣方線上的白芝麻。然后計算所選樣方白芝麻的平均值，與總面積求積得出白芝麻的總數(shù)量(圖２)。
３．２．２活動二：改變測量區(qū)域，如對折方格，再次調(diào)查白芝麻的總數(shù)量
將樣方形狀改變，進行模型轉(zhuǎn)換，啟發(fā)學生面對不規(guī)則取樣地時，應(yīng)因地制宜確定取樣方式。教師提出問題：面對不規(guī)則取樣地時，如何調(diào)查種群密度？改變測量區(qū)域后，樣方的選取方式也應(yīng)改變，教師引導學生討論并進行操作，將測量結(jié)果與第一次所測數(shù)據(jù)對比，相互驗證。
３．２．３活動三：以黑芝麻為標志物，模擬標志重捕法調(diào)查白芝麻總數(shù)量
教師提示：以黑芝麻為標志物，如何模擬標志重捕法？大部分學生的初步想法是將一定量黑芝麻摻入白芝麻中，但是有些同學很快就發(fā)現(xiàn)這樣操作會增加芝麻的總數(shù)量，建構(gòu)的模型不符合原型事實。經(jīng)過討論，有些學生提出可以用等量的黑芝麻替代等量的白芝麻，這樣的“等效替代法”符合標志重捕法的實際情況，也更符合自然界中對活動能力強的動物的調(diào)查。設(shè)計意圖：通過白芝麻、黑芝麻模擬生物原型，將種群密度調(diào)查分解為三個探究活動，使學生的科學思維能力得到螺旋式提升。在問題的分析與處理過程中培養(yǎng)學生的模型建構(gòu)能力，通過小組合作探討模型建構(gòu)是否準確模擬了生物原型，培養(yǎng)了學生的質(zhì)疑、實證、交流能力及科學思維能力。
３．３析模解釋——展示探究過程，共建科學思維能力
教師輔助分析“五點取樣”“等距取樣”是針對不同類型的取樣地采用的方法，引導學生分析教材中對分布不均勻的蒲公英種群的調(diào)查(圖３)，并拓展到弧形、扇形等不規(guī)則取樣地的種群密度調(diào)查。
３．３．１小組展示探究過程、結(jié)果與相互評價
各小組派代表匯報探究過程和調(diào)查結(jié)果，其他同學做出評價和建議。教師展示各小組白芝麻的真實數(shù)量，引導學生自我檢測所測數(shù)據(jù)。不同小組所測得白芝麻數(shù)量可能差異較大，同一小組在三個活動中得出的結(jié)果差異也可能較大。如果數(shù)據(jù)誤差較大，教師可引導學生討論、分析建模中存在的問題，并提出改進方案。本環(huán)節(jié)旨在通過展示與評價，讓學生的建模思維得以呈現(xiàn)。
３．３．２ 討論一：取樣方法只有“五點取樣”和“等距取樣”嗎
以教材中校園草坪上蒲公英的種群為例(圖３)，教師引導學生討論種群非均勻分布和樣方不規(guī)則時，如何選擇具有代表性的樣方。假如可以多選取幾個樣方，怎樣才能使結(jié)果更準確呢。學生經(jīng)過討論，認為應(yīng)該在分布密集和稀疏的樣方分別取樣，并照顧到相應(yīng)的分布比例。分析得出“五點取樣”和“等距取樣”均是為了排除主觀因素干擾，樣方的選取應(yīng)因地制宜，因種群分布制宜。
３．３．３討論二：標志重捕法中標志物的選取對調(diào)查結(jié)果有什么影響
標志重捕法適用于活動能力強的動物，如鼠、兔、河豚等的密度調(diào)查，需要先捕獲并標記一定量個體，然后將其放回到捕獲地，重捕后計算有標記個體所占比例，再與重捕數(shù)量求積即調(diào)查對象的總數(shù)。在標記物的選取上應(yīng)注意標記物不能過于醒目，不能影響被標記對象的正常生理活動，且標記物應(yīng)不易脫落，能維持一定時間，否則容易造成偏差。本節(jié)課模型建構(gòu)中應(yīng)注意用等量的黑芝麻替代白芝麻，這樣的“等效替代法”更符合自然界對活動能力強的動物的調(diào)查。
設(shè)計意圖：小組展示探究過程和結(jié)果能夠體現(xiàn)學生構(gòu)建模型的科學思維能力，通過小組的相互評價，學生能夠認識到模型構(gòu)建應(yīng)能真實模擬原型的形態(tài)、特征和本質(zhì)。在設(shè)計的兩個討論題中，學生能夠掌握自然界不規(guī)則取樣地的調(diào)查方法、標志重捕法的原理和注意事項。
３．４用模拓展——回歸初始問題，提出解決方案
經(jīng)過學習，回到校園植物種群密度調(diào)查的問題，學生提出解決方案：選取樣方應(yīng)照顧到個體分布稀少的樣方，面對不規(guī)則的樣方，應(yīng)先估算所選樣方的種群密度，然后根據(jù)樣方面積求出該種群的平均密度。設(shè)計意圖：經(jīng)過建模—析模，學生較容易解決校園植物密度調(diào)查的問題，學生對知識的獲得感和自信心得到了提升。通過運用模型建構(gòu)思維解決現(xiàn)實中的問題，學生可以認識到調(diào)查種群密度對害蟲預測預報、生物資源評估、生物多樣性保護等具有重要意義。
３．５遷移應(yīng)用——檢測學科核心素養(yǎng)達成情況
依據(jù)學生在建模過程中遇到的問題，教師預設(shè)隨堂練習檢測學生的模型建構(gòu)能力。
【例１】下列有關(guān)樣方法說法正確的是(　　)
A．五點取樣和等距取樣是樣方法取樣的常用方式
B．樣方法調(diào)查蒲公英種群密度時在分布密集的地塊進行隨機取樣
C．統(tǒng)計種群密度時，應(yīng)去掉采集數(shù)據(jù)中最大、最小值后取平均值
D．樣方法調(diào)查草地中的蒲公英時，不統(tǒng)計正好在樣方線上的個體
【參考答案】A
【例２】在對某種鼠的種群密度的調(diào)查中，第一次捕獲并標志３９只鼠，第二次捕獲３４只鼠，其中有標志鼠為１５只，由于該鼠被捕一次后更難捕捉，因此推測該鼠的種群數(shù)量最可能(　　)
A．小于８８只 B．大于８８只 C．小于７７只 D．大于７７只
【參考答案】A
【設(shè)計意圖】隨堂練習有助于教師及時檢驗學生的學科核心素養(yǎng)達成情況。為檢測學生運用科學思維分析和處理問題的能力，筆者選擇以上兩道情境化試題，旨在通過答題情況獲得學生對所學知識掌握情況。其中，例１考查調(diào)查種群密度的取樣和計算方法；例２考查標志重捕法的原理及學生對標記個體數(shù)量變動的處理能力。
４．教學反思
貼近生活的教學素材能激發(fā)學生的求知欲和探索熱情，教師要善于利用生活中的素材設(shè)計探究活動。本節(jié)課以學生身邊的植物種群密度調(diào)查為切入點，利用生活中易于獲取的實物建構(gòu)物理模型，以探究活動驅(qū)動學生積極動手、動腦，主動發(fā)現(xiàn)并解決問題。通過對建構(gòu)模型的質(zhì)疑、實證、交流及相互評價，鍛煉了學生的學科核心素養(yǎng)和創(chuàng)新精神。通過對模型與原型討論及標記物模擬效果的改進，培養(yǎng)了學生的科學思維及社會責任。

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