1.2种群数量的变化教学设计-2025-2026学年高二上学期生物人教版选择性必修2

该高中生物学教学设计聚焦种群数量变化规律及数学模型建构，通过“手上细菌繁殖”问题导入，衔接种群基本特征，搭建从具体案例到抽象模型的学习支架，涵盖“J”形、“S”形增长、数量波动及环境容纳量原理。 特色在于融合科学思维与探究实践，以澳洲野兔、高斯实验等实例引导建模，酵母菌种群数量实验强化计数与数据分析，结合K值保护大熊猫、K/2渔业捕捞等应用培养态度责任。助力教师高效教学，提升学生科学思维与解决实际问题能力。

课题 第1章 第2节 种群数量的变化（2-3个课时） 时间 教材分析 第2节“种群数量的变化”采用建立模型的方法研究种群数量的变化。在食物和空间条件充裕、气候适宜,没有天敌和竞争物种等条件下,种群数量呈“J”形增长,种群的增长速率将越来越快,呈指数增长。在食物和空间有限,种内竞争加剧、捕食者数量增多等情况下，种群数量呈“S”形增长。在自然界中.由于气候、食物,天敌,传染病等因素,大多数的种群数量都是波动的，甚至会出现下降或消亡。 本节是在学习《种群的基本特征》的基础上对种群的进一步认识。学生对数学应用生物学已经比较熟悉，但在生物学中进行构建数学模型还是比较陌生。通过本节内容的学习，可以使学生学习如何构建数学模型。 学情分析 学生在必修课程中已经学习了“细胞的分子构成”“细胞的结构”以及“细胞的代谢”等内容，对生物学有了一定的认识，具备使用显微镜、建构模型等能力,已初步具备结构与功能观、生命的系统观、物质与能量观等,但是学生的稳态与平衡观、科学探究能力等有待进一步提升。 教学目标 1.通过探究培养液中酵母菌种群数量的变化等活动，尝试建立数学模型表征和解释种群的数量变化。 2.举例说明种群的“J”形增长、“S”形增长、波动等数量变化情况。 3.阐明环境容纳量原理在实践中的应用。 教学重难点 1.教学重点 (1)建构种群增长模型的方法 (2)种群的“J”形增长和“S”形增长。 2.教学难点 建构种群增长的数学模型 教学内容及流程 学习任务 教学过程(第1课时) 备注 问题探讨 【问题探讨】我们的手上难免沾染细菌。细菌的繁殖速率很快，因而我们要经常洗手。假设在营养和生存空间没有限制的情况下，某种细菌20min就通过分裂繁殖一代。 1.第n代细菌数量的计算公式是什么？ 设细菌初始数量为N0，第一次分裂产生的细菌为第一代，数量为N0×2，第n代的数量为Nn=N0×2n。 2.72h后，由一个细菌分裂产生的细菌数量是多少？2216 3.在一个培养瓶中，细菌的数量会一直按照这个公式描述的趋势增长吗？如何验证你的观点？ 不会。因为培养瓶中的营养物质和空间是有限的。 描述、解释和预测种群数量的变化，常常需要建立 数学模型，思考如何建立数学模型呢？ 通过身边常见的例子导人，激发学生的学习动机。 建构种群增长模型的方法 【教师讲述】数学模型：直观、准确地描述一个系统的数量变化的数学形式。例如列表，公式，曲线等等都是数学模型！ Nn = 1×２n 曲线更加直观，怎么建立模型呢？ 曲线图与数学方程式比较，有哪些优缺点？ ·曲线图：直观，但不够精确。 ·数学方程式：精确，但不够直观。 据公式Nn=2n计算一个细菌产生的后代在不同时间的数量，填入下表。 【教师讲述】模型建构法：数学模型 ·以上得出的公式和增长曲线，只是对理想条件下的细菌数量增长的推测。 ·同学们思考在自然界中，种群的数量变化是怎样的呢？ 初步建立建模的思 维培养学生归纳总结的能力。 结合"问题探讨"中的实例,充分运用学生已经获得的经验,引导学生分析建构数学模型的方法,组织学生讨论并总结出建立数学模型的一般步骤,并尝试进行模型形式的转换。通过讨论,让学生明确对模型进行检验或修正是科学研究中必不可少的步骤。 种群增长的“J”形曲线 【教师讲述】实例1：澳洲野兔，从零到100亿只 1859年，24只野兔；1926年，全澳洲的野兔数量超过了100亿只！ 实例2：环颈雉被引入美国：在20世纪30年代时，人们将环颈雉引入到美国的一个岛屿，在1937～1942年期间，这个环颈雉种群的增长如右图。 讨论1.这两个资料中种群增长有什么共同点? 种群数量增长迅猛，且呈无限增长趋势。 讨论2.种群出现这种增长的原因是什么？ 食物充足，缺少天敌等。 讨论3.这种种群增长的趋势能不能一直持续下去？为什么？不能，因食物和空间有限。 【教师讲述】J形曲线1.产生条件（理想状态）：食物和空间条件充裕；气候适宜；没有天敌和其他竞争物种等条件下。 2.增长特点：种群数量每年以一定的倍数增长，第二年是第一年的λ倍。 3.计算公式（建立数学模型）： ·一年后种群的数量为N1=N0λ1 ·两年后种群的数量为N2=N1·λ=N0λ2 ·t年后种群的数量为Nt=N0λt 4.λ值的生物学意义： ①当λ=1时，种群数量如何变化？ 种群数量不变（相对稳定） ②当λ>1时，种群数量如何变化？ 种群数量增长 ③当λ<1时，种群数量如何变化？ 种群数量下降 ④当λ＞1时，种群一定呈“J”形增长吗？ 不一定。只有λ＞1且为定值时，种群增长才为“J”形增长。 【教师讲述】J形增长”数学模型 假设1：理想状态；假设2：后一年的数量始终是前一年的λ倍 【教师讲述】5.实例：水葫芦（凤眼莲）产于南美，1901年作为花卉引入中国。由于水葫芦繁殖迅速，又几乎没有竞争对手和天敌，我国目前有184万吨。它对其生活的水面采取了野蛮的封锁策略，挡住阳光，导致水下植物得不到足够光照而死亡。 通过对野兔和环颈雉两个种群数量增长案例的分析，加深学生对细菌种群增长模型的认识，并进一步建立建模的思维。 通过对已有实验结果和图像的分析，培养学生获取、处理图像信息的能力。 通过对比总结，培养学生比较、归纳的能力。 种群增长“S”形曲线 【教师讲述】1.思考自然条件下有哪些环境阻力? 自然因素：气候、食物、被捕食、传染病等 人为因素：人类的活动 直接因素：出生率、死亡率、迁入、迁出 2.如果考虑这些环境压力，那么曲线将如何变化? 生态学家高斯曾经做过单独培养大草履虫的实验：在0.5mL培养液中放入5个大草履虫，然后每隔24h统计一次大草履虫的数量。 3.大草履虫哪几天增长较快? 何时处于稳定? 大草履虫的数量在第二天和第三天增长较快，第五天以后基本维持在375个左右。 4.经过一定时间的增长后，种群数量为什么会基本保持不变? 资源和空间是有限的。当种群密度增大时，种内竞争就会加剧，当死亡率升高至与出生率相等时，种群的增长就会停止，有时会稳定在一定的水平。 5.自然条件下，为什么种群增长到K值左右便会趋于稳定？ ①自然条件下，资源和空间总是有限的。 ②当种群密度增大时，种内竞争就会加剧，这就会使种群的出生率降低，死亡率升高。 ③当死亡率升高至与出生率相等时，种群的增长就会停止，有时会稳定在一定的水平（K值）。 ④种内竞争对种群数量起调节作用。 【教师讲述】1.“S”形增长含义：资源和空间有限，天敌的制约等（即存在环境阻力），种群经过一定时间的增长后，数量趋于稳定，增长曲线呈“S”形。 2.适用对象：一般自然种群的增长 3.环境容纳量（K值）：一定的环境条件所能维持的种群最大数量称为环境容纳量，又称K值。 4.曲线图分析 （1）各曲线段分析 （2）K值分析 ①同一种群的K值是固定不变的吗？ 不是一成不变。K值会随着环境的改变而发生变化，当环境遭到破坏时，K值会下降；当环境条件状况改善时，K值会上升。 ②在环境条件没有变化的情况下，种群数量到达K值后就不再变化了吗？ 种群数量会在K值附近上下波动。当种群数量偏离K值的时候，会通过负反馈调节使种群数量回到K值。 ③K值是不是种群数量的最大值？ 不是。K值是种群在一定环境条件下所能维持的种群最大数量。在波动时，还可以达到更大的数量。 （3）“J”形曲线和“S”形曲线比较分析 ①图中阴影部分表示什么？ 环境阻力。自然状态下环境阻力始终存在。 ②环境阻力如何用自然选择学说内容解释？ 生存斗争中被淘汰的个体数。 ③ “S”形曲线中，有一段时期近似于“J”形曲线，这一段是否等同于“J”形曲线？为什么？ 不等同，已经存在环境阻力。 （4）S形曲线的变形 5. 实践应用 （1） K的应用 ①野生大熊猫种群数量锐减的关键原因是什么？ 野生大熊猫的栖息地遭到破坏，食物和活动范围缩小，K值降低。 ②保护大熊猫的根本措施是什么？ 建立自然保护区，改善栖息环境，从而提高环境容纳量。 （2） K/2的应用 ·控制家鼠数量的思路和相应具体措施： ·为了保护鱼类资源不受破坏，并能持续地获得最大捕鱼量，应使被捕鱼群的种群数量保持在什么水平？为什么？ a.渔业捕捞应在K/2以后 b.捕捞后鱼的种群数量维持在K/2 因为捕鱼后保留在K/2值处，种群增长速率最大，可实现“既有较大收获量又可保持种群高速增长”，符合可持续发展的原则。 通过建构种群的J""形增长曲线和"S"形增长曲线,并对曲线进行深度解读,帮助学生理解一些特殊点的含义。培养学生的问题意识,对K值是否一成不变进行质疑,进而通过实例分析理解环境改变会影响环境容纳量,为后续环节奠定基础。 设置概念辨析的环节旨在通过对""形增长和"S"形增长对比，对曲线进行分析，加深对种群数量的变化,尤其是种群增长率、种群增长速率等的理解。通过对K值与K/2的探究，引导学生尝试将所学知识应用于生产实际，发展科学思维,培养社会责任。 通过对种群数量急剧下降的情况进行分析，使学生形成保护濒危物种的观点和社会责任。 种群数量的波动 【教师讲述】1.种群数量的相对稳定：在自然界，有的种群能够在一段时期内维持数量的相对稳定。 2.种群数量的波动：对于大多数生物种群来说，种群数量总是在波动中。K值不变的情况下，种群的数量总是围绕着K值上下波动。 3.种群数量的爆发：处在波动状态的种群，在某些特定条件下可能出现种群爆发。如蝗灾、鼠灾、赤潮等。 4. 种群数量的下降：当种群长久处于不利条件下，种群数量会出现持续性的或急剧的下降。如遭遇人类乱捕滥杀和栖息地破坏。 5.研究种群数量变化的意义 ①为害虫的预测及防治提供科学依据。 ②有利于野生生物资源的合理利用及保护。 ③拯救和恢复濒危动物种群。 ④为人工养殖及种植业中合理控制种群数量、适时捕捞、采伐等提供理论指导。 实验探究：培养液中酵母菌种群数量的变化 【教师讲述】1. 实验材料：酵母菌 ①属于真核生物，是兼性厌氧生物 ②酿酒和做面包都需要酵母菌。 ③可用液体培养基（培养液）来培养。 ④可以进行出芽生殖和有性生殖。 对于已经出芽的酵母菌，芽体达到母细胞大小一半时，即可作为两个菌体计算；已死亡的酵母菌不计数。 2.探究思路： ①提出问题：培养液中酵母菌种群的数量是怎样随时间变化的？ ②做出假设： ③设计实验 自变量：时间 应变量：酵母菌数量 无关变量：培养液的体积等 计数环节： ·计数方法：进行逐个计数非常困难，可采用抽样检测的方法。 ·计数工具：血细胞计数板 ①计数室边长为1mm，深度为0.1mm。1个计数室为0.1mm3，1个计数室有400个小方格。每个小方格的体积是1/4000mm3。 ②大方格：方格网上刻有9个大方格，其中只有中间的一个大方格为计数室，供计数用。 中方格：（双线分割） 小方格 ·计算公式： 每毫升原液所含细菌数： 统计分析环节： 摇匀菌液，再吸取培养液。使酵母菌均匀分布，以保证估算的准确性。 ①先将盖玻片放在血细胞计数板的计数上。 ②用吸管吸取培养液，滴于盖玻片边缘，让培养液自行渗入。 ③多余的培养液用滤纸吸去，稍待片刻。 ④待酵母菌全部沉降到计数室底部，将计数板放在载物台的中央。 ⑤计数一个小方格分的酵母菌数量。 【教师讲述】3.思考讨论： ①为什么不能先加培养液再盖盖玻片？ 盖玻片可能由于已加入液滴的表面张力而不能严密地盖到计数板表面，使计数室内液体增多，导致结果偏高。 直接滴加培养液时，在计数室内会产生气泡，导致计数室相对体积减少而造成误差。 ② 为什么要待酵母细胞全部沉到底部后再计数？ 如果酵母菌未能沉降到计数室底部，酵母菌和计数室不在一个平面，通过显微镜观察时就可能出现以下现象： 能看清楚酵母菌但看不清方格线 能看清楚方格线但看不清酵母菌 ③从试管中吸出培养液进行计数之前，建议你将试管轻轻振荡几次。这是为什么？ 使菌体分散开来、混合均匀，减少实验误差。若没有摇匀，从底部吸取，计数结果会偏大，从上部吸取，计数结果会偏小。 酵母菌常出现“抱团”现象，因此取样前需要将培养液充分振荡、摇匀，最好用移液器来回吹吸若干次，以确保样品被摇匀。 ④如果一个小方格内酵母菌过多，难以数清，应采取什么措施？ 如果小方格内酵母菌数量过多，应当对菌液进行稀释。一般样品稀释后的适宜范围是5~10个菌体/小格。 ⑤本探究实验需要设置对照吗？如果需要，请讨论对照组应怎样设计和操作；如果不需要，请说明理由。 本实验在培养时间上有前后对照，不需要单设对照组。本实验旨在探究培养液中酵母菌在一定条件下的种群数量变化，只要分组实验，获得平均数值即可。本实验在连续培养并定时计数过程中形成自身对照。 ⑥要做重复实验吗？为什么？ 不用重复，只要分组实验获得平均值即可。本实验酵母菌种群数量足够多，样本足够大。其数据是80～100个小方格的平均值，足够精确。但是，每次计数要同时取多个样本。 ⑦怎么记录结果？记录表怎样设计？ 【教师讲述】4.进行实验：首先通过显微镜观察，估计出10mL培养液中酵母菌的初始数量（N0），在此之后，连续观察7天，分别记录下这7天的数值。 怎么区分计数的酵母菌是活的还是死亡的个体？ 可以用染色法。活细胞的细胞膜有选择透过性，所以不会被染色，而死细胞会被染色。 5.分析结果、得出结论 将所得数值用曲线图表示出来。 酵母菌在开始一段时间呈“J”形增长，但随着时间的推移，由于资源和空间有限，将呈“S”形增长，并最终将全部死亡。 ⑥进一步探究 据对影响酵母菌种群增长的因素作出推测，设计实验进行验证。①营养物质消耗殆尽②有害代谢产物积累③pH改变 第二课时：引导学生提出新的探究问题。 通过学生课前学习和教师课上讲解,让学生了解血细胞计数板的构造、规格，在理解计数室的划分和体积后，采用五点取样或四点取样的方式确定样方，推导公式，为正式实验的计数和计算环节做准备。 通过让学生自主设计实验程序和数据记录表等环节，培养学生的科学探究能力。 小结与练习 【课堂小结】同板书 【课堂练习】处理教材中的思考讨论、练习与应用，处理双导学案和分层作业 引导学生关注知识内容的梳理，尝试构建概念图。 板书设计 1.2 种群数量的变化 一、建构种群增长模型的方法 二、种群增长的“J”形曲线 三、种群增长“S”形曲线 四、种群数量的波动 五、实验探究：培养液中酵母菌种群数量的变化 作业布置 【课后作业】1.完成分层训练课后素养评价、2.完成双导学案对应内容和下一节问题式预习部分 教学反思 本节课的核心是种群数量的变化，不同条件下种群的数量变化规律不同,建立数学模型是研究生物种群数量变化的重要方法之一。在建模过程中，渗透了模型与建模的科学思维与方法。首先，通过"细菌种群的增长"建立数学模型，归纳建立数学模型的一般步骤。接着基于野兔和环颈雉的事实探讨及阐释种群数量变化的规律，在资源无限、空间无限和不受其他生物制约的理想条件下,种群会呈现指数增长,增长曲线为"J"形。在自然条件下,指数增长一般不可能发生，以高斯实验的科学事实为依据,建立"S"形增长模型,即在空间有限、资源有限和受到其他生物制约的条件下，种群的增长受到环境容纳量(K 值)的限制,增长曲线为 通过引导学生建立数学模型并用数学模型来分析种群数量变化的特点及其原因,让学生习惯运用科学的思维方法认识事物并解决实际问题,逐步发展科学思维和科学探究能力。 这个实验,除了了解酵母菌一些培养技术以外,计数才是取得真实数据的关键环节,并为选择性必修3的微生物的培养与计数奠定基础。这一实验的计数是难点,学生往往不知道如何换算单位。教师在上课第一个环节先把计算的方法或公式弄清楚,然后统计出中方格的数据,根据公式直接得出数据,记入表格,再画出曲线。学生初次接触还是遇到不少困难,难在从微观到宏观的不断反复单位换算。对中方格计数,因为有样方法的训练,学生对计数原则比较熟悉,进行得相对顺利,却在观察阶段出现问题:血细胞计数板比一般的载玻片厚,学生找不到计数室,或者看到横线竖线却不知道是不是计数室。关于这个问题,可采取教师用三目显微镜进行操作,连接教学一体机大屏幕,学生观看教师的镜下视野作为参考，尝试自己找到合适的视野。 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $