构建“种群数量增长”的高效学习课堂*

郑灿伟 （广东广雅中学 广东广州 510160）

种群数量研究是研究种群特征的重要方面，而了解种群数量是如何增长的，则是研究种群数量变化的重要方式。在本节教学中，通过理解“稳态与平衡”等生命观念，学习归纳与概括、模型与建模等科学思维，构建“种群数量增长”的高效学习课堂。

1 应用情境承载知识

情境是生物学知识的载体，情境的合理创设可吸引学生的注意力，激发学生的学习热情[1]。在本节教学中，可引入以下情境，例如，欧洲小龙虾泛滥、澳大利亚野兔数量增长、高斯研究草履虫数量变化实验、家中如何有效灭鼠等。情境的引入，有利于活跃课堂气氛、吸引学生的注意，促进教学活动有序开展，培养学生解决实际问题的能力。

2 创设问题引导学习

注重问题设计，突出探究导向，通过一系列问题带动学生思维活动，培养归纳与概括的思维方法，构建知识概念。例如，对于“大肠杆菌的数量变化”的探究，可创设以下问题，层层递进学习J型增长模型。

问题1：细菌每20 min 就通过分裂繁殖一代，如何用横坐标表示时间，纵坐标表示数量，绘制该坐标曲线？

问题2：该曲线如何用数学方程式进行表示？（构建数学方程式Nt＝2t）

问题3：如果细菌的初始数量为N0个，如何修正原方程式？（引入初始值N0对公式进行修正，Nt＝N02t）

问题4：若在自然界中，某种昆虫的增长倍数是λ，如何对公式进行修正？（引入增长倍数λ，进一步完善公式：Nt＝Noλt）

再如，对于“高斯研究大草履虫数量变化实验”的实验分析，可通过创设以下问题带动学习进程，使学生掌握S 型增长的特点。

问题1：为何大草履虫数量在实际生活中不是J 型增长？（引入资源和空间等限制因素）

问题2：为何大草履虫数量增长曲线会呈现S型增长？（解析S 型增长曲线变化过程）

问题3：若用曲线表示时间与大草履虫的增长速率的关系，应如何绘制？（推导S 型增长曲线的增长速率）

问题4：草原上散养某种家畜，若要持续地收获该家畜种群中的个体，最好在哪个时间段进行捕获？为什么？（应用S 型增长曲线的增长速率，解决实际问题）

3 深化概念理解本质

概念是生物学知识体系的基础，学生在学习生态学概念的基础上，才能建立相关的生命观念。学生通过抽象与概括种群数量变化现象，建立稳态与平衡的生命观念，提高在新的情境中解决有关问题的能力。

例如，关于“环境容纳量”概念的学习，学生可能会误以为“环境容纳量是指种群的最大数量”，然而这是一个错误概念。如图1 所示，若从数量分析，该种群的最大数量是a 点，显然不是环境容纳量[2]。准确地说，环境容纳量是环境对具体某种生物在一定空间中的一个预设值，种群数量变化会围绕该预设值发生上下波动，最终达到动态平衡。因此，环境容纳量的合理表示是“环境条件不受破坏的情况下，一定空间中所能维持的种群最大数量”，强调的是“所能维持的种群最大数量”，而不是“达到的最大数量”。通过对“环境容纳量”概念的学习，学生自然而然地掌握了“稳态与平衡”的生命观念。

图1 S 型曲线的环境容纳量

4 扩展思维提高素养

本节课既基于生物数量增长现象推理数量变化过程，构建相应的数学模型(方程式和曲线图)，并进行综合应用，即“现象→推理→建模→运用”的“模型与构建”的科学思维过程；又可继续深化思维训练，通过以下几个方面的探究过程，以深化思维的深度与广度。

探究1：S 型曲线增长初期是否就是J 型增长？

首先，若从数学模型角度分析，J 型是不受环境制约的增长模型，增长率不变；S 型曲线是始终都会受环境制约的增长模型，密度越大，制约作用越强，增长率逐渐降低。因此，2 条曲线是不可能出现重合的情况[3]。其次，考虑种群的实际增长过程，由于种群增长初期，资源和空间相当充裕，环境阻力几乎可忽略不计，可认定此时是J 型增长的阶段；而随着种群数量增加到一定程度，环境阻力出现，此时种群数量呈现S 型的增长过程。如图2 所示，a→b 段是J 型增长，b→c 段转化为S 型增长。

图2 2012年广东高考第27 题图

探究2：影响种群数量变化的因素有哪些？

让学生尝试说出影响生物数量变化的因素，并了解这些非生物因素或生物因素是如何影响生物的生长、繁殖，从而影响了种群数量变化。

探究3：种群数量S 型增长的过程，是否出生率逐渐升高，死亡率逐渐降低？

当出生率和死亡率这2 条曲线数值相等时，该交叉点就是环境容纳量（图3）。应用“推理与演绎”的思维方式，分析原因可能是出生率降低，死亡率升高（图3a）；或出生率不变，死亡率升高（图3b）；或出生率降低，死亡率不变（图3c）；然而，实际情况更接近图3d 所示，即种群数量是在一个较大的密度范围内达到动态平衡[4]，从而培养学生“稳态与平衡”的生命观念。

图3 出生率和死亡率随着种群密度增加的变化情况

5 结语

构建高效的学习课堂，关键在于有所取舍和有效整合，通过情境引发学习行为，通过问题设置引导学习进程，通过辨析强化概念学习，通过探究达到思维深度和广度的提升，从而提高学生的生物学学科核心素养。