“生态系统的稳定性”复习课的教学设计

郑金姬 荆林海2

（1北京市第十四中学 北京 100055 2北京教育科学院基础教育教学研究中心 北京 100045）

《高中生物课程标准》注重学生在现实生活背景中学习生物学，倡导学生在解决实际问题的过程中深入理解生物学的核心概念，这一理念在高考命题中贯穿始终。教学围绕“水华”问题展开讨论，学生需要将已有的生态学知识运用其中，在分析和解决实际问题的过程中，提升对原有核心概念的理解。

1 教学背景分析

1.1 教材分析 “生态系统的稳定性”是人教版《稳态与环境》模块中第5章第5节的内容，从群体水平揭示了生命系统自我调节机制在维持稳态中的重要作用。生态系统是由生产者、消费者、分解者及非生物成分组成的功能系统，能量和物质时刻在这些成分之间移动和转化，使生态系统的结构和功能保持稳定是人类生存和发展的基础。因此，分析生态系统结构和功能的整体性，进而阐明生态系统的稳定性为本节课的教学重点（图1）。同时，引导学生关注人类活动对生态系统稳定性的影响，鼓励学生探讨治理水华的合理方案，有助于提高学生的个人素养及公共参与意识。

图1 单元结构框架图

1.2 学情分析 本节课是生态学单元复习的最后一节课。学生已系统复习了种群、群落、生态系统等生态学相关知识，形成了基本的概念体系，但在分析实际问题时，还不能整体、系统地看待生命现象，知识结构有待进一步完善，对系统分析的方法也所知甚少。此外，高三学生已具有很多生物学概念和原理知识储备，提升学生对生物学学科观点的理解也是本节课的重要任务。

2 核心概念及重要概念

本文涉及的核心概念和重要概念是人教版《稳态与环境》模块中第5章第5节的内容，课程标准中的要求是“阐明生态系统的稳定性”。

2.1 核心概念 生态系统的稳定性包括结构、功能的稳定和能量输入、输出的稳定。生态系统中各组分通过能量流动、物质循环和信息传递紧密联系在一起。若生态系统的某一成分发生变化，必然会引发一系列的相应变化，该过程就是反馈，其中负反馈是生态系统维持自身稳定的重要调节机制。

在自然条件下，生态系统总是朝着种类多样化、结构复杂化和功能完善化的方向发展，直至生态系统达到最稳定的成熟状态。

2.2 重要概念

稳定性分2类：抵抗力和恢复力。抵抗力是指生态系统对于干扰的抵抗和避免能力，而恢复力是指受到干扰破坏后恢复至原有状态的能力。这2种稳定性通常是相互排斥的，例如水生生态系统，其生物量中一般缺乏长期贮存的营养物质和能量，所以对环境扰动的抵抗力较低。当污染物进入水生生态系统时，其结构和功能会发生巨大变化，但这种系统的恢复力高，控制向水体排放污水便能使生态系统快速恢复。

每一个特定的生态系统，其稳定性取决于一系列条件：生态系统自身的特点（进化历史的长短、物种数目及其相互作用的特征和强度等），受干扰的方式（干扰性质、大小、持续时间等）和估计稳定性的指标（抵抗力、恢复力等）。

3 教学目标

1）知识目标：理解生态系统的稳定性；把握生态系统的结构与功能的内在联系。

2）能力目标：从材料中获取信息，运用系统分析的方法，解释水华的原因，并结合生态学知识，为治理水华提出合理建议。

3）情感态度与价值观目标：关注人类活动对生态系统稳定性的影响，树立生态学和可持续发展的观念。

4 教学过程

4.1 回顾基础知识，解释太湖的水华现象 关于水华的原因，学生很容易想到富营养化。从20世纪60年代起，太湖的富营养化日趋严重，期间虽发生过几次小规模的水华，但过一段时间水华便会自行消失，直到90年代水华大规模暴发，才引起重视。对于该现象，学生能从生态系统稳定性的2个方面进行解释，并能说出这种调节能力是有限度的。

4.2 认识生态系统结构与功能的整体性

4.2.1 生态系统的结构与稳定性 水华是在一定的营养、气候、水文条件和生物环境下形成的藻类过度繁殖和聚集现象，治理水华首先要清楚藻类数量急剧增加的原因。正所谓“牵一发而动全身”，生态系统中每一个结构的变化都有可能引起整个系统的改变。系统分析的方法正是研究此类复杂系统时常用的方法，本节课将从太湖生态系统的基本结构入手，运用系统分析的方法探寻水华原因（图2）。

图2 太湖生态系统的基本结构

在分析生物因素对水华的影响时，学生提出较集中的方案是调查太湖中鱼类数量变化及食物构成的问题。由于太湖缺少鱼类种群数量的连续监测资料，渔获量的长期连续统计资料就成为研究湖泊鱼类种群数量变化的唯一数据来源。虽然渔获量和实际种群数量有一定差别，但基本可以反映鱼类数量的相对比例。因此，教师提供以下资料：1）太湖中鲚鱼、鲌鱼等重要鱼类的食性分析（学生通过各种鱼类消化道中食物的平均出现率，构建食物链）；2）太湖鲌鱼产量占总渔获量比例；3）鲌鱼和鲚鱼历年渔获量变化趋势比较；4）鲚鱼年龄组成中幼年个体比例；5）太湖历年机动船总功率和鲌鱼产量变化趋势等。

经过获取信息、逻辑推理、激烈的交流讨论，学生逐渐了解到人类的过度捕捞对太湖的影响不容小觑，是引起水华的重要原因。教师在此基础上补充说明：太湖历史上曾有鱼类103种，由于20世纪50年代末至60年代初在太湖通江水道上修建水闸，造成太湖与长江的联系隔断。结果洄游性鱼类已基本消失；半洄游性鱼类如鲢鱼、鳙鱼、青鱼、草鱼逐渐减少，仅靠人工放养维持较低数量；而湖泊定居性鱼类成为太湖的主要鱼类。据2003年统计资料显示，太湖中仅有48种鱼类。

通过分析，学生了解到生态系统的营养结构变得越来越简单。这种设计不仅能对学生已有的知识进行回顾和检测，还能使学生认识到食物链、年龄组成等生态学知识在实际研究中的具体应用，激发了学生的学习热情，从中领悟系统分析方法在生态学研究中的重要性，凸显了“系统与相互作用”这一科学主题。同时，也使学生关注人类活动对生态系统稳定性的影响，渗透STS思想，有助于提升学生的科学素养。

4.2.2 生态系统的功能与稳定性 生态系统结构的改变对物质循环、能量流动、信息传递会产生什么影响？为什么？为了使学生更好地理解成分-结构-功能之间的整体性，教师搜集了一些学生容易理解的研究数据，做到有理有据，突出实证观点。表1中“连接指数”是反映系统内部联系复杂程度的指标；“平均路径长度”指每个循环流经食物链的平均长度。

表1 1960—2002年太湖特征变化［3］

通过对专业术语的解读和数据分析，学生不仅对生态系统结构与功能的内在联系有了新的认识，对本节课中关于“生态系统中的各种组成成分通过能量流动和物质循环、信息传递，紧密地联系在一起”这一核心概念也有了更深入的理解。

学生已知生态系统中能量输入和输出的比值可间接反映生态系统的稳定性情况，由表2的数据可知如今的太湖抗干扰能力极差，借用生态学家的话来说，该生态系统又回到了“幼年期”，也就可以解释为什么近几年的太湖频频暴发大规模水华。

表2 太湖与北部湾2个生态系统的P/R比较［5－6］

4.3 拓展应用：治理水华 太湖的水华治理迫在眉睫。由于长期的富营养化、过度捕捞等多种干扰，太湖生态系统的结构和功能已遭受严重破坏，仅靠系统自身的恢复力稳定性需要漫长的时间，而人类的补救措施可以缩短这一进程。因此，在治理水华的思路上，师生共同明确了通过改变和优化结构，达到改善系统功能的目的，而这一思路的理论依据正是源于本节课重要的核心概念：生态系统的结构决定功能，从而影响生态系统的稳定性。

经过师生共同讨论与分析，梳理出以下几个方案：1）减少 N、P 输入，增加 N、P 输出；2）适当增加太湖生物种类，提高营养结构复杂度；3）优化组合多种方法等（图3）。

图3 水华治理方案［7］

在上述治理方案中，学生不仅考虑了自然生态系统的自动调节机制在生态恢复工作中的关键作用，还将生态效益与经济效益相结合，使生态学和可持续发展的观念落到实处。

5 教学反思

《高中生物课程标准》注重学生在现实生活的背景中学习生物学，倡导学生在解决实际问题的过程中深入理解生物学的核心概念。本节课是基于问题情境的高三复习课，以社会热点问题——“太湖的水华”作为问题情境，使学生在推测和实证中，深入理解生态系统结构与功能及稳定性之间的内在联系，内化核心概念。

自然生态系统是通过生物与环境、生物与生物之间的协同进化而形成的不可分割的有机整体。研究此类复杂系统离不开系统分析的思想与方法。该方法在生态学研究中无处不在，将其提炼出来不仅不会增加学生的负担，还能使学生进一步关注局部与整体的关系，加深理解生命系统的自我调节机制在维持稳态中的重要作用。由于时间关系，本节课关于食物链的长短与信息传递的内在联系讨论得不够充分，需要在今后的教学中继续改进。

主要参考文献

［1］中华人民共和国教育部.普通高中生物课程标准.北京：高等教育出版社，2003.

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［5］李云凯，刘恩生，王辉，等.基于Ecopath模型的太湖生态系统结构与功能分析.应用生态学报，2014,25(7):2033.

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［8］钱学森.一个科学新领域：开放的复杂巨系统及其方法论.上海理工大学学报，2011,33（6）:526.

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