“生态系统的稳定性”单元教学设计

赵　蕾　乔文军

（1北京市第十四中学　北京　100055　2北京教育科学研究院基础教育研究中心　北京　100191）

生态系统是最高层次的生命系统，其多样性和复杂性是其他生命系统所无法企及的。每一个生命都存在于特定的生态系统中，而生态系统中的每一个类群都时刻影响着其他类群和无机环境。生态系统中各组分及其之间的相互作用共同维系了生态系统的稳定性。但除极少的生态系统（如池塘生态系统）外，大部分生态系统连其边界也不能确定，而各组分之间的相互作用有大有小、有显有隐、有短时效也有长时效。因此，寻找到能服务于内容的教学资源并不容易，若能同时提升到德育层次更是不易。在本节课的设计中，将寓德资源与教学内容相整合，通过资源分析帮助学生落实科学生态观，在思辨中产生共鸣，提高学生对自然的责任意识。

1　教材分析

人教版生物学必修3《稳态与环境》以不同生命系统（包括个体、种群、群落、生态系统在多变的环境中稳态维持及调节理论）为主线。“阐明生态系统的稳定性”是稳态与环境模块中的核心内容之一，在本模块中具有重要地位。该部分内容是在群落和生态系统结构和功能学习基础上的升华，帮助学生将生态系统结构与功能相联系，理解稳态实现的调节机制。

2　学情分析

生态系统的稳定性就是维持生态系统结构和功能相对稳定的状态。这种稳态主要体现在生物多样性高低、组分协调性、结构复杂化和功能完善化上。而稳态的维持却是通过生命系统自身的调节而实现，调节能力大，维持稳态能力强；反之则弱。在已经初步了解了“反馈与稳态”关系的基础上，学生通过本单元的学习，要对“反馈调节对于各个生命系统维持稳态具有重要意义”的观点形成较深刻的认识，并进一步体会必修3《稳态与环境》的思想主线。在理解自然规律的基础上，学生能够对提高人工生态系统稳定性提出可行的建议和策略，也是对本节课的教学反馈。

2.1知识背景学生在学习必修3《稳态与环境》模块的相关内容过程中，已经初步建立生命系统的稳态及其与环境的关系，也就是说稳态的实现离不开系统内各组分之间的相互作用，即自我调节。在结构和功能的知识基础上，结合群落演替的动态变化过程，学习本节内容。

2.2能力背景高二学生基本适应高中生物学的学习节奏。初中阶段侧重于了解生命现象，而高中阶段透过现象寻找本质的生物学习思维方式也基本建立。其次，利用数学模型研究生物学问题在“生物的进化”中也有基础。

2.3求知欲生态环境问题与学生的实际生活联系密切，生态系统的研究对于人类所面临的许多全球资源与环境问题具有重要意义。寻找理论与实际的联系，首先要理解生态系统自身的调节和稳态的维持。

3　教学目标

1）知识目标：阐述生态系统的自我调节能力；例说抵抗力稳定性和恢复力稳定性；简述提高生态系统稳定性的措施。

2）能力目标：能够绘制曲线图并分析曲线间的变化联系；通过数据分析，能提出问题并解决问题，理解生态系统结构复杂性与功能完善性的内在联系。

3）情感态度与价值观目标：通过资源分析，认同生态系统稳定性的重要性，以及生态系统中各组成部分的和谐、稳定、生死与共的密切关系。能够关注人类活动对生态系统稳定性的影响，确认人类在生态系统整体中的正确位置，从而提升对自然的责任意识。

4　教学过程

4.1创设情境，导入新课山东烟台昆嵛山国家级自然保护区被誉为“胶东植物王国”。自20世纪80年代以来，这里的森林时常会遭受虫灾，一段时间后虫灾便会自行消失，从未发生过毁灭性的虫灾。干扰一直存在，而生态系统表现出一种相对平衡稳定的状态，称为生态系统的稳定性。

4.2生态系统的自我调节能力及其决定因素以山东昆嵛山的“有虫不成灾”为引入，落脚于生态系统的自我调节能力。通过对森林害虫及其天敌的种群数量调查，引导学生采取由数据到图形的转换，更加直观地发现害虫数量变化与其天敌数量变化之间的关系，即为生态系统自我调节能力的一种体现。而这样的调节过程学生不难联系到之前学习过的（负）反馈调节，进而认识到负反馈调节对于从个体到生态系统等不同层面的生命系统维持稳态的重要性。

不同生态系统的自我调节能力不同，决定因素是什么？美国生态学家大卫·提尔曼在同一地区针对不同物种丰度的样地进行生态系统稳定性机制的研究。教师以科学史资料分析引导学生探讨生态系统结构与自我调节能力大小的关系。直接的数据分析可以肯定，结构越复杂，这种自我调节能力越强。原因是什么？随着层层深入的质疑，师生一起追寻生态系统的结构复杂性与功能完善性的内在根本联系。纯林中大量的松毛虫不但不能吸引更多种类和数量的天敌控制和减少松毛虫的数量，还会使松毛虫成灾，最终导致树木的凋零。原来，生物之间直接或间接的食物联系仅仅是生态系统中各组分相互作用的一个方面，捕食者并不完全依赖被捕食者完成生存和繁殖。换句话说，被捕食者并不是捕食者生存延续的唯一需求。

以松毛虫的天敌之一赤小峰为例说明。赤小峰是松毛虫的重要天敌，能寄生于松毛虫卵中从而遏制松毛虫的数量增加。但松毛虫不是赤小峰生存的唯一条件。羽化的赤小峰成虫依然需要进食以保证繁殖之需，这时它的食物来源是某些植物的花蜜。自然结构简单的纯林中成虫的食物来源少，直接影响雌性赤小峰成虫的产卵数量和质量。而且赤小峰也有天敌需要躲避，更加复杂的生态系统也会有更多的躲避场所。看来，食物来源多样化、栖息环境复杂化的生态系统更适合它们的生存和繁衍，结构简单的纯林却恰恰不能满足这些。通过教师提供资料，师生共同分析得出，生态系统作为一个整体，各组分之间错综复杂的相互关系及相互作用是负反馈调节的作用路径，作用路径越多，调节就越精细，生态系统维持自身稳态的能力就越强，进而维持了整体的存在和延续。

生态系统结构和稳定性之间的关系帮助学生建立起生态系统整体性意识。学生从害虫及其天敌的种群数量入手，发现其中的矛盾（松毛虫数量的增加没有引发其天敌数量的大爆发），进而为解决矛盾产生求知欲。害虫数量增加，天敌数量随之增加，进而抑制害虫数量增加。要达到这样的负反馈调节过程，需要生态系统中除害虫及其天敌以外曾被忽视的其他条件支持。如果条件不够，该调节过程将无法完成，最终导致害虫数量无法控制，偏离稳态。通过分析，生态整体观深深烙在学生的心上，牵一发而动全身。苏联作家列昂诺夫在《俄罗斯森林》里曾这样写道：“自然界是统一的有机体，从长远来看，牵动他的任何一点，都会对整个有机体产生影响，即使在最边远的部分也是如此。”

4.3生态系统稳定性概念形成通过上述分析，学生能够认识到生态系统通过负反馈调节对来自系统内、外的干扰具有一定的抵抗力，这称为抵抗力稳定性。但是，在保护区内也有一些村落，人们到附近的林地砍柴、放牧、甚至偷猎，严重影响了害虫天敌的生存和繁衍，天敌的匮乏使得这些地区虫灾不断。在这个过程中，可以理解为人类的过度活动中断了负反馈调节的作用路径，导致稳态失调。保护区管理人员划出一定的区域实行封山措施禁止人类继续干扰，几年后封山林地的虫灾不再发生，人们调查封山林地和未封山林地中的害虫类群以及天敌类群的种类和数量，发现封山林地天敌种类和数量大大超过未封山林地。干扰破坏了生态系统的结构，消除干扰后一段时间，生态系统又恢复了原有的结构和功能，这也体现了稳定性，称之为恢复力稳定性。在此基础上，教师引导学生总结生态系统稳定性概念。

4.4分析具体事例，提升生态责任意识本节教学的最后一个环节是人类活动对生态系统稳定性的影响。在教学设计的最后，再回到山东昆嵛山林场。当时人们发现森林局部有较严重的虫灾，便用杀虫剂灭虫，希望避免或减少林场的损失。后来杀虫剂的用量和灭虫面积越来越大，杀虫剂用量增加几十倍，从开始显著的灭虫效果，到最后仅10%～25%的灭虫率，大面积毁灭性的虫灾使原本郁郁葱葱的森林几乎变成了荒山秃岭。过量的杀虫剂非但不能消灭虫灾，反而加速了森林生态系统的灭亡。人类善良的初衷换来了不可拯救的结局。

在这样的情境中，学生再也忍不住内心的呼唤：大面积赤松纯林的种植是罪魁祸首。纯林生态系统的结构过于简单，自我调节能力弱，不能抵御虫灾干扰。而人类的灭虫举措更是导致害虫天敌的大量死亡和迁移，生态系统的结构更加趋于简单，自我调节能力进一步减小。最终，过度干扰造成生态系统丧失了自我调节能力，恢复起来非常困难，至少不是几年甚至几十年能够完成的。由此，学生能够体会生态系统自我调节能力是有限的。

痛定思痛，人们重新确定了营林和防治虫害的方针，决定营造混交林，运用生物防治法。造林结束后，加强封山育林等措施，混交林结构日趋完善。2008年国家林业局网站上曾报道：生态系统稳定，山东昆嵛山现狼踪。狼在森林生态系统中属于最高营养级，它的出现说明生态系统营养结构更加复杂，自我调节能力增强，生态系统稳定性提高。人类曾经为了保护驯鹿而打狼。人类根据自己的好恶来对待狼，不但没能保护驯鹿，还破坏了整个生态系统。要全面认识和理解狼就必须理解它在生态系统中的作用。在保护驯鹿而不是毁灭驯鹿的过程中，狼扮演着极其重要的角色。生态系统中的所有生物之间都有着环环相扣的密切联系，人类大规模地消耗甚至灭绝任何一个物种，都有可能导致另一些物种的灾难，进而导致整个生态系统的紊乱和向系统的崩溃逼近。

在这样的资源分析中，学生需要不断地思考。杀虫剂的杀虫效果为什么越来越差？生态系统结构简单化引发生态系统自我调节能力的变化趋势怎样？科学造林应怎样做？对待害虫应该保持何种态度？所谓“害虫”，也是生态系统中不可或缺的重要一员，没有“害虫”，何来“益虫”！人类的举措是那样的愚蠢，这是对生态学知识无知、生态理论匮乏而又自以为是的结果。学生的反应是强烈的，因为他们是在具备一定的生态系统稳定性知识前提下去讨论去分析。这或许也能证实科学的力量。

尊重生态系统中的每一个成员，每一个细节。《寂静的春天》一书中，卡森沉重地写道：“……如果我们还打算给后代留下自然界的生命气息，就必须学会尊重这个精美细致但又十分脆弱的自然生命之网，以及网络上的每一个联结。”

5　教学反思

1）整合资源，在同一情境下展开各环节教学。在本节教学中，始终以森林虫害干扰为背景完成生态系统稳定性的教学，在设计思路形成和资料查找中遇到很多困难。但一节课处于同一背景下，这利于学生在一个问题上进行更加深入的思考和相关概念的理解。

2）从设计的角度，加强了高二学生的能力训练。每一个教学资料都来自研究事实，每一个研究事实需要学生从数据和图表开始进行逻辑分析。学生在教师的引导下能够完成从数据、图表到生态学相关理论的形成，达到了预设目标。

3）教学过程中能够主动回答问题的学生不多，有些学生虽然主动思考，但怯于表达。今后要在调动大多数学生的主动表达上仔细思考，力求一节课上多数学生都能表达自己的意见和看法。

4）始终以森林虫害干扰为背景完成生态系统稳定性的教学设计。虽然利于学生在一个问题上进行更加深入的思考和相关概念的理解，但是生态系统面临的干扰类型多种多样，在后续的教学中或者结合相关练习题还应补充其他的干扰形式和可能的干扰结果。例如火灾干扰，河流污染等。

［1］兰莹,张志.杨树防护林蛀干害虫及其天敌的调查与分析.吉林林业科技,2014，43(3):34.

［2］Perter H Raven，George B Johnson.生物学.6 版.北京：清华大学出版社，2008.

［3］陈昌洁.松毛虫综合管理.北京：中国林业出版社，1990.