2019年全国卷Ⅰ理综卷第6题的分析与反思

重庆 韦 玲

种群的“J”型增长曲线和“S”型（逻辑斯谛）增长曲线是高中生物学阶段两个经典的数学模型。围绕这两个模型不仅可以考查种群增长的相关知识，还可以考查学生对数据的分析能力、对模型构建这种科学研究方法的掌握情况，进而考查学生的科学思维、科学探究等科学素养。因此，近年来高考试题对这两个模型的考查比较频繁。本文通过对2019年全国卷Ⅰ理综卷第6题的分析与释疑，希望能为“种群的增长”以及“模型构建”的教学提供一些启发。

1.试题再现

【示例】（2019年，全国卷Ⅰ，第6题）某实验小组用细菌甲（异养生物）作为材料来探究不同条件下种群增长的特点，设计了三个实验组，每组接种相同数量的细菌甲后进行培养，培养过程中定时更新培养基，三组的更新时间间隔分别为3 h、10 h、23 h，得到a、b、c三条种群增长曲线，如图1所示。下列叙述错误的是（ ）

图1

A.细菌甲能够将培养基中的有机物分解成无机物

B.培养基更换频率的不同，可用来表示环境资源量的不同

C.在培养到23 h之前，a组培养基中的营养和空间条件都是充裕的

D.培养基更新时间间隔为23 h时，种群增长不会出现“J”型增长阶段

【解析】根据题干中的关键信息“细菌甲（异养生物）”，可以推断出细菌甲是分解者，能够将培养基中的有机物分解成无机物，A项正确；培养基更新频率越高，说明营养物质的补给和代谢废物的排出越及时、生存空间越充足，因此更换频率的不同可以表示环境资源量的不同，B项正确；根据a曲线在23 h之前未曾出现拐点，呈“J”型曲线，表现为指数增长，可以合理推断a组培养基中的营养和空间条件都是充裕的，C项正确；在种群增长的早期，由于种群密度很低，即使资源空间有限，对于该种群来说也是充裕的，是对种群增长是没有阻力的，因此可以出现“J”型增长阶段，D项错误。

【答案】D

2.学生的困惑和释疑

【问题1】“J”型增长曲线和“S”型增长曲线的初期从图形上看很相似。在23 h之内，虽然a曲线还未曾出现拐点，类似“J”型增长曲线，但如何排除是“S”型增长的初期？（即如何判断C项正确？）

【释疑】如图2，a与b、c曲线的分叉点对应的时刻A显然大于3 h，这意味着a组种群数量的增长在3 h培养液更新前后没有发生变化，也就是说3 h时培养基中的营养和空间条件对于种群增长是没有限制的、是充裕的。因此可以合理推断，每3 h更新一次培养基足够频繁，a组种群增长所需的营养和空间条件始终是充裕的，将呈现出“J”型增长。那么，A时刻分叉点的出现便是由于b、c组没有及时更新培养基，这两组种群数量的增长在A时刻开始受到环境资源的限制；B时刻b、c两条曲线出现分叉则是由于b组在此时更新了培养基、减缓了环境阻力，和c组之间具有差异，因此，B时刻正对应题干信息中的10 h。

图2

【问题2】在23 h之内c组未更新过培养基，资源空间有限，且随着时间推移c组曲线逐渐趋于平缓，据此分析，c组种群将符合“S”型增长曲线。“J”型增长曲线和“S”型增长曲线成立的前提截然不同，不能将“S”型增长曲线的初期等同于“J”型增长曲线，那么为什么可以说c组种群在初期可以出现“J”型增长阶段？（即如何判断D项错误？）

【释疑】“J”型增长曲线和“S”型增长曲线成立的前提截然不同，前者资源空间充裕、增长率始终保持不变，而后者资源空间有限、增长率会随着种群数量的增长而不断减小，因此虽然从图形上看“J”型增长曲线和“S”型增长曲线的初期很相似，实则不会重合，确实不能将“S”型增长曲线的初期等同于“J”型增长曲线。但是在一个现实种群（如c组种群）的增长过程中却可以在不同阶段利用不同的模型进行模拟：在初期，种群密度很低、资源丰富、几乎没有环境阻力的情况下，可以适用“J”型增长曲线模型；而后期，种群增长逐渐受到资源空间限制，具有环境阻力，则可改用“S”型增长曲线进行模拟。

3.教学反思

3.1 明确模型的适用情境

模型是一种工具，可以用来揭示现实系统的内在机制和对系统行为进行预测。学习模型，不能局限于模型本身，而是应该为理解现实系统服务。在“J”型增长曲线和“S”型增长曲线的教学中，教师不仅要强调模型成立的前提、分析模型的特点，更要重视模型与现实种群增长的联系，明确两种模型适用的情境。“J”型增长曲线适用于实验室条件充裕或者适宜环境条件下的早期阶段的种群增长，在试题中，a组种群即处于理想的实验室条件下，而c组种群的初期即为适宜环境条件下种群增长的早期阶段，因此均可呈现出“J”型增长。

3.2 学会分析数据，用事实证据支持推论

“J”型增长曲线和“S”型增长曲线的初期从图形上看是很相似的，如何判断a组种群处于“J”型增长、资源空间充裕？单从曲线自身的趋势确实难以判断，需要关注图2中特定的数据——时刻A，才能得出正确的结论。在教学中，教师要加强训练学生挖掘、分析数据的能力，让学生有意识地在所给信息中寻求有力的事实证据来解答自己的疑问，进而得出相关结论，培养学生的科学思维。

3.3 明确现实系统与模型的差距

在学生的认知中，一个种群要么符合“J”型增长曲线，要么符合“S”型增长曲线，非黑即白得过于单纯。而事实上，现实系统是复杂多变的，而模型都是经过简化、理想化的，与现实系统存在着一定的差距。因此，一个现实系统的不同阶段根据其符合的前提条件可以用不同的模型进行模拟，如c组种群的增长初期符合“J”型增长曲线，后期符合“S”型增长曲线。即便这样，每个阶段的现实种群增长与相应模型之间也存在着一定的差距。一个模型在构建时考虑的因素越多、越全面，往往越能更真实地接近现实系统。所以模型在发展中，需要不断完善和修正，但不论如何完善，仍会与现实系统存在差距。在教学中，教师要让学生理解到模型与现实系统的差距，不应该将现实系统套入到一个模型中去理解，而应该将多个简化的模型带入到复杂的现实系统中，进而有助于学生更贴切、更真实地理解生命过程的每个阶段。