融入学术研究成果的“生态系统的信息传递”一节教学设计

姚亭秀

(北京市第八十中学 北京 100102)

1 教材分析与设计思路

人教版高中生物学必修3第5章第4节“生态系统的信息传递”内容，与之前学习的生态系统的能量流动、物质循环一起，构成生态系统的三大功能，三者共同维系生态系统的稳定，也为学习下一节“生态系统的稳定性”奠定基础。本节的主要内容是生态系统中的信息种类和作用，以及信息传递在农业生产中的应用，前者是重点和难点。教师应在教学中引导学生理解生态系统信息传递的作用，认同信息传递对调节稳态的重要意义，并渗透对学生学科核心素养的培养。将学术研究成果与相关内容合理整合，可以使学生在剖析科研成果中深化学习、体悟生物学核心概念，提高其科学思维、科学探究等生物学科素养。

2 教学目标

基于课程标准并围绕培养学生的核心素养，制订如下教学目标：

(1) 通过对实验数据的关联性分析，认同生命系统是一个稳态和平衡的系统，该系统的稳态调节离不开信息传递。

(2) 通过对真实研究素材统计结果的讨论，能对实验现象和结果进行解释、分析，剖析生态系统中信息传递的作用。

(3) 能够合理设计实验方案，对生态系统中的信息种类进行初步判断。

(4) 能够利用生态系统中信息传递的作用,对农业生产的可持续发展提出有价值的建议。

3 教学过程

3.1 导入 教师以“犬吠含义知多少？”引出学生对犬吠作用的思考，为后续犬吠功能的探究实验分析埋下伏笔。

3.2 分析实验 剖析现象 教师借助平板电脑，为学生提供真实的研究实验素材[1]，将播放器安在树上隐蔽的位置(各播放器的间隔距离约为50m，以保证两个研究领域之间的播放声音互不干扰)，采用数码相机记录浣熊听到10s的犬吠声或北海狮叫声后的行为反应，并进行数据统计(图1a、图1b)。每播放6天的犬吠声或北海狮叫声(每天播放10s、安静20s，播放10s、安静20s，循环进行)，停播1天，以此循环4次，28天为一个周期，之后进行数据统计(图1c、图1d，图2，图3)[1]。出示实验结果并提出问题： 三个实验结果依次得出怎样的结论？学生以小组的形式分析实验结果、表述实验结论后达成统一： 实验结果1说明，在播放犬吠声之后，浣熊留在研究区域继续觅食的几率和接下来一分钟内用于觅食的时间都降低；在整整一个月的重复实验后，它们逗留在研究区域的时间变短，觅食总时间也下降。实验结果2说明，浣熊食物的数量都有所提升。实验结果3说明，红黄道蟹的食物杜父鱼和竞争者玉黍螺数量都下降。

图1 实验处理后短期(a、 b)及长期(c、 d)浣熊行为变化

图2 该生境中螃蟹、鱼、沙蚕、红黄道蟹一个月后的数量

图3 一个月的播放实验对杜父鱼和玉黍螺数量的影响

之后，教师提问： 三个实验结果之间有何关联，试用简单关联图描述。学生讨论后，绘制关联图，教师借学生绘制的关联图明确三个实验结果之间的逻辑关系(图4)。在此基础上，进一步提出问题： 本研究揭示“犬吠”具有怎样的功能？有了之前问题的铺垫，学生能快速说出：“犬吠”是一种信息，它能调节种间关系，维持生态系统的稳定。这样借助具体的学术研究成果，使学生对生态系统中信息传递的作用进行了剖析，并适时培养了学生获取信息、分析问题的能力，实现透过现象挖掘背后的生物学本质、在科研成果中深化学习的目的[2]。

图4 三个实验结果之间的逻辑关系

3.3 阅读教材 知识推进 教师提问：“生态系统中的信息种类有哪些？”引导学生通过阅读教材相关内容，明确生态系统的信息种类。然后教师出示练习题： 下列自然现象中，信息源为行为信息的是( )A.小狗在草丛中撒几滴尿；B.昆虫撞上蜘蛛网，引起蜘蛛网震动，蜘蛛迅速爬向振源；C.蜜蜂通过“跳舞”告诉同伴蜜源距蜂箱的远近；D.蝙蝠自身发出声波，对目标进行“回声定位”；E.吃草的小牛碰到薄荷等气味重的植物，立即躲开；F.蟋蟀鸣叫以争夺领地。根据学生的答题情况，判断对此知识点的掌握情况。

3.4 设计实验 能力培养 教师提供素材： 为了探索红铃麦蛾交配求偶的秘密，科研人员进行如下实验： ①将未交配的红铃麦雌蛾放在诱捕器中，将诱捕器悬挂于田间，一夜后，发现捕捉到许多同种雄蛾。②将未交配的红铃麦雌蛾先放到封闭的玻璃管中，再将封闭玻璃管放在诱捕器中，将诱捕器悬挂于田间，一夜后，发现未捕捉到雄蛾。③将未交配的红铃麦雌蛾腹部用小刀割掉，再将雌蛾放在诱捕器中，将诱捕器悬挂于田间，一夜后，发现未捕捉到雄蛾。随后提出问题： 红铃麦蛾交配求偶过程的信息类型是哪一种？你的判断依据是什么？

学生阅读素材后，会对红铃麦蛾求偶的信息种类进行推测，认为是物理信息或化学信息。教师追问： 如何确定该信息种类是物理信息还是化学信息？学生基于对物理信息、化学信息的共性和特性的认知而快速思考并设计实验。在学生表述实验设计后，教师提供另一项研究成果[3]： 将红铃麦雌蛾腹部末端3节剪下，浸入盛有二氯甲烷溶液的广口瓶中，将其捣碎为匀浆状，过滤、弃残渣后，放入收集瓶备用。滴微量上述溶液于一滤纸，再放入诱捕器，一晚可诱捕775头红铃麦雄蛾。且上海昆虫研究所人工化学合成了红铃麦蛾的性引诱剂——十六碳烯醇酯，1mg该物质可诱捕到150m外的雄蛾。这样学生既明确了这种求偶的信息为化学信息，也认识到该化学信息所具有的一些特性，如挥发性、高效性等，并体会到人类对自然界的认识，是靠观察、推测、实验、验证等一系列严谨的逻辑思维串联起来的。在此基础上教师进一步追问： 生态系统的信息传递具有怎样的功能？了解昆虫交配求偶的“秘密”，对人类生产实践有何指导意义？学生讨论发言后，教师总结生态系统中信息传递的两大功能： 影响种群繁衍、影响生命活动的正常进行。相关知识可用于解决生产实践的问题： 如利用信息素吸引益虫为农作物传粉从而提高农作物和畜产品产量，利用信息素诱捕害虫，从而通过影响害虫的性别比例降低其出生率、种群密度，实现对有害动物的控制等。

3.5 知识串联 拓展提升 教师提出问题：“信息传递是否仅存在于群体水平、个体水平？”引导学生明确细胞间存在信息传递，如借神经递质实现的神经细胞间的信息传递；细胞内存在信息传递，如遗传信息由DNA流向RNA、再到蛋白质的信息传递。使学生体会信息传递在维持稳态方面的重要意义，构建生物学核心概念——“信息交流对维持稳态具有重要作用”。

4 教学反思

学生通常很难直观地理解生态系统信息传递的作用，也难体会实验对生物学发展的重要意义，对信息传递的普遍性也缺乏足够认识。因此，建构生物学核心概念“信息交流对维持稳态具有重要作用”比较困难。本教学设计以真实的科学研究为素材，采取坐标图数据展示、现象描述等方式，引导学生获取、处理、转换信息，并使学生结合所学知识合理推测、解决问题，应用知识，实现对其科学思维、科学探究等生物学科素养的培养，为其终身学习奠定基础。