高中生物同步备课系列【备教案】3.2 生态系统的能量流动-人教2019版选择性必修2

3.2生态系统的能量流动教案课题3.2生态系统的能量流动教材分析本节课是人民教育出版社出版的选择性必修2《种群与环境》中第3章第2节的内容，需1课时完成。本节内容包括生态系统中能量流动的过程，能量流动的特点和研究能量流动的意义三部分。由于本节课在八年级下册中已经有所学习，故内容较容易掌握，但本节内容在课程标准的要求是分析生态系统中能量流动的基本规律及其应用，要求学生在掌握本节内容的基础上，分析和解决生活中的实际问题，具有较高难度。本节与其他内容的联系，第4章种群与群落，以及生态系统的结构是学习本节的基础，同时与新陈代谢中能量的变化即光合作用，呼吸作用有一定联系，又直接与物质循环和生态系统的稳定性相关。学习目标与核心素养知识目标：1.通过实例数据分析，尝试应用模型方法分析生态系统的功能，建立生态金字塔，表征食物网各营养级之间在个体数量、生物量和能量方面的关系。2.从生态系统整体出发，分析具体的生态系统内各成分之间的关系，归纳研究生态系统能量流动的意义。进一步强化生态系统的结构与功能观、能量观与系统观。3.利用生态系统的能量流动规律，对其合理改造，使人们能够更加科学、有效地利用生态系统中的资源。在参与构建生态系统的过程中，提升参与社会生活的意识。核心素养：1.生命观念——通过分析能量在营养级间的流动情况和赛达伯格湖的能量流动，概述生态系统中能量流动的过程和特征，建立生命系统的物质和能量观。2.科学思维——用生态金字塔表征生态系统中各营养级间的能量、生物量或数量等关系。分析能量流动过程，归纳总结能量流动特点，形成科学思维习惯。3.科学探究——尝试调查当地某生态系统的能量流动情况。4.社会责任——通过总结研究能量流动的实践意义，形成学以致用，关注生产生活的态度。重点生态系统能量流动的意义。难点利用生态系统能量流动规律，从系统的角度分析并提出科学有效利用生态系统资源的改进措施。教学过程教学环节教师活动学生活动设计意图导入新课课件展示问题：假设你像小说中的鲁滨逊那样，流落在一个荒岛上，那里除了有能饮用的水以外，几乎没有任何食物。你随身尚存的食物只有一只母鸡、15kg玉米。讨论：你以为以下那种生存策略能让你维持更长的时间来等待救援：1.先吃鸡，再吃玉米。2.先吃玉米，同时用一部分玉米喂鸡，吃鸡产下的蛋，最后吃鸡。给同学们思考1分钟时间，请某学生选择某个方案，并解释原因，并请有不同方案的学生解释方案2。反驳观点：蛋是由玉米转化而来，但是在转化的过程中，能量是有消耗的。此问题涉及到了本节课的内容“能量流动”。学生讨论、思考、回答。设置情景联系实际，引起学生学习的兴趣。提出问题，调动积极性，引发学生思考及对新知识的探索新课讲授一、能量流动的过程（一）能量流动的概念通过上面问题的探讨，两个方案的关键点是如何获得更多的能量，才能维持更多时间。概念：生态系统的能量流动是指生态系统中能量的输入、输出、传递和散失的过程。说明：生态系统的生存和发展离不开能量供应，即能量必须不断地从非生物环境输入到生物群落，并沿着食物链（网）传递，才能维持生态系统中各种生命活动的正常进行。（二）科学方法——研究能量流动的基本思路能量流经一个种群的情况可以图示如下：以个体为研究对象，有很大的局限性和偶然性，如果个体死亡，数据可能不准确；不同个体间差异过大。如果将这个种群作为一个整体来研究，则上图可以概括成下图形式，从中可以看出分析能量流动的基本思路。可以比较精确地测量每一个营养级能量的输入值和输出值。如果以种群为研究对象，能量流动的渠道为食物链，可能因为食物网的复杂性而影响结果的准确性。如果将一个营养级的所有种群作为一个整体，那么左图将概括为何种形式呢？生态系统能量流动的研究一般在群体水平上进行。将群体视为一个整体进行研究是系统科学常用的研究方法。三、能量流动的过程多媒体出示食物链：草兔子鹰设置问题：食物链中草从哪获得能量？能量在草的体内发生了什么变化？兔子和鹰又从哪获得能量，在其体内能量如何变化？动植物遗体中存留的能量最终怎样变化？利用三张白纸代表草、兔、鹰并板图一条食物链。将食物链每个个体的能量流动情况通过种群的概念拓展到营养级的能量流动情况。进一步拓展到能量流经一个完整的生态系统的过程。利用黑板图示引导学生生成概念模型图，并用语言表述能量流动的过程。提示：第一营养级与第二、第三营养级能量的流动情况有何不同？完善板图并总结能量流动过程和概念。1.能量流动的概念能量是一切生物进行生命活动的动力。生态系统能量的流动就是能量的输入、传递和散失的过程。注意说明：生态系统的生存和发展离不开能量供应，即能量必须不断地从非生物环境输入到生物群落，并沿着食物链（网）传递，才能维持生态系统中各种生命活动的正常进行。2.能量流动的过程模型构建：构建食物链的能量流动模型小组合作，利用所提供的材料，用箭头表示能量的来源和去路，在展板上尝试构建该食物链完整的能量流动模型。（限时2分钟）思考•讨论：生态系统中的能量流动小组讨论，问题探讨：讨论1.生态系统中的能量流动和转化是否遵循能量守恒定律？为什么？提示：遵循能量守恒定律。能量在生态系统中流动、转化后，一部分储存在生态系统（生物体的有机物）中，另一部分在呼吸作用中以热能的形式散失，两者之和与流入生态系统的能量相等。讨论2.流经某生态系统的能量能否再回到这个生态系统中来？为什么？提示：不能，能量流动是单向的。由对生态系统能量流动的概念联系到对生态系统能量流动特点的感性认识，从而引出林德曼对是赛达伯格湖能量流动的定量分析。学生经独立思考后分组讨论食物链中每个个体的能量流动情况。在白纸上画出食物链上每个环节的能量流动情况。选1名同学上台分别画出草、兔子和鹰的能量流动情况。仔细观察黑板图示，结合课本阅读，尝试用自己的语言描述能量流动的过程学习“思考与讨论”的素材，并进行小组讨论并相互点评。3.能量流动的传递（1）能量流动过程分析：输入第一营养级的能量：一部分在生产者的呼吸作用中以热能的形式散失了；另一部分则用于生产者的生长、发育和繁殖等生命活动，储存在植物体的有机物中；在后一部分能量中一部分随着植物遗体和残枝败叶等被分解者分解而释放出来，还有一部分则被初级消费者——植食性动物摄入体内；被植食性动物摄入体内的能量，有一小部分存在于动物排出的粪便中，其余大部分则被动物体同化，这样能量就从第一营养级流入第二营养级。流入第二营养级的能量：一部分在初级消费者的呼吸作用中以热能形式散失；另一部分用于初级消费者的生长、发育和繁殖等生命活动，其中一些以遗体残骸的形式被分解者利用。如果初级消费者被次级消费者捕食，能量就流入了第三营养级。能量在第三、第四营养级的变化，与第二营养级的情况大致相同。生态系统中的能量流动。（2）各个营养级的能量来源：流入某一营养级的能量是指被这个营养级生物同化的全部能量。能量来源：a.生产者的能量主要来自太阳能。b.消费者的能量来自上一个营养级同化的能量。（3）能量的分流：每一营养级的生物获得的能量都有三个去向：①一部分在该营养级生物的呼吸作用中以热能形式从生物群落散失到大气中②一部分流入下一个营养级的生物（最高营养级生物除外）体内③一部分随动植物遗体、残枝败叶、排泄物等被分解者分解利用。注意·说明：（1）摄入量与同化量的区别：除第一营养级生物外，某一营养级生物摄入体内的能量并不是该营养级生物的同化量，因为有一小部分能量存在于动物排出的粪便中，最终被分解者分解释放出来。因此，真正流入下一个营养级的能量应该是下一个营养级的同化量，即同化量=摄入量-粪便量，粪便实际上是上一个营养级生物的同化量。分解者的能量来自生产者和消费者。（2）能量的输入并非只有光合作用，在极少数特殊空间，如深海热泉口生态系统，能量的输入是通过特殊细菌的化能合成作用来实现的。概括能量流动的概念。分析研究能量流动的基本思路思考讨论回答小组汇报评价设置悬念，引起学生的好奇心，活跃课堂气氛。设计意图：通过学生的自主、合作学习，教师的点拨，学生理解了能量流经各个具体的不同个体的去向，再总结能量流经一个种群的模式图，由感性知识上升到理性知识，符合学生的认知规律，让学生学会学习，也为学习能量流经生态系统打下基础；通过质疑加深对重点内容的认识和理解。三、分析生态系统能量流动的特点展示：赛达伯格湖的能量流动图解，结合思考•讨论（分析赛达伯格湖的能量流动）。根据教学目标设计相关数据的计算，引导学生用数据来分析能量流动的特点，并分组展示。在学生归纳的基础上，阐述生态系统能量流动具有的两个特点。并根据这个图提出问题：要求：①限时3分钟，请小组所有成员全力以赴②确定小组发言人，做好展示准备，并做好点评准备要求学生小组合作完成：1.用表格的形式，将图中的数据进行整理。例如，可以将每一营养级上的能量“流入”和“流出”整理成为一份清单（“流出”的能量不包括呼吸作用散失的能量）。并计算“流出”该营养级的能量占“流入”该营养级能量的百分比。答案：2.流入某一营养级的能量，为什么不会百分之百地流到下一个营养级？提示：流入某一营养级的能量主要由以下去向：1.一部分通过该营养级的呼吸作用散失了2.一部分作为排出物、遗体或残枝败叶不能进入下一个营养级，而被分解者所利用3.还有一部分未利用所以流入某一营养级的能量不可能百分之百地流到下一个营养级3.通过以上分析，请总结出能量流动的特点并分析原因？提示：生态系统中的能量流动是单向的；能量在流动过程中逐级递减。（1）从方向上看，单向流动原因：①生物之间的捕食关系是长期自然选择的结果，一般不可逆转；②各营养级呼吸作用散失的热能无法再利用。（2）从同化量数据上看：逐级递减原因：①各营养级的生物都会因自身呼吸作用散失掉一部分能量。②各营养级能量都要有一部分流入分解者。③各营养级生物都不能全部被下一营养级捕食，各个营养级能量都有一部分未利用。小结：林德曼的研究发现生态系统的能量流动在数值上和方向上具有两个明显的特点。单向流动，逐级递减相邻两个营养级之间的能量传递效率为10%—20%。师生互动突出重点，突破难点，让学生对能量的流动过程及特点有透彻的理解，同时培养学生分析数据、解读数据和处理数据的能力根据数据分析总结能量流动的特点。教师最后总结：通过对能量流动过程的定性分析，我们得出了能量流动的两个特点：单向流动和逐级递减。1.能量的单向流动在生态系统中，能量流动只能从第一营养级流向第二营养级，再一次流向后面的各个营养级，不能逆转，也不能循环流动。原因：①食物链中各营养级的顺序是不可逆转的，这是长期自然选择的结果。②各营养级的能量一部分以呼吸作用产生的热能而散失掉，这些能量是无法再利用的。2.能量在流动过程中逐级递减输入到一个营养级的能量不可能百分之百地流入下一个营养级，能量在沿食物链流动的过程中是逐级递减。原因：①各营养级的生物都会因呼吸作用而消耗掉相当大的一部分能量。②各营养级的能量总有一部分未被下一个营养级的生物利用。③生产者的遗体、残枝败叶以及消费者的尸体、粪便中的能量被分解者利用，经微生物的呼吸作用消耗。流经5个营养级后，所剩的能量已经很少，再往下传递不足以维持一个营养级生物的生存，所以一条食物链中的营养级一般不超过5个学生在讨论、分析和解决问题。总结特点。以问题为主线组织课堂教学，以指导学生主动学习为核心，注重培养和提高学生的学习能力、创新精神和实践能力。让的过程中，领悟知识、学习方法、学会创新。四、生态金字塔从林德曼对塞德伯格湖能量流动的研究数据来看，大约只有10%-20%的能量传递到下一个营养级。图中数据与每一营养级图像大小可以看出这一变化特点。问题：除了用图中数字表示外，你还能用什么方法表示生态系统能量流动逐级递减的特点呢？提示：将微观或抽象事物形象直观表达的方法——模型法。那我们来尝试一下吧？任务1：构建生态系统能量流动金字塔模型提问：我们能否将生态系统各营养级的能量数值用一个图形表示出来吗？请同学们将赛达伯格湖的能量流动数据，用相应面积或体积的图形表示，并按营养级由低到高排列。学生思考后，教师展示能量金字塔的三维动画图像，启发学生明确能量金字塔是根据系统内各个营养级的能量数值绘制的，它形象地描绘出能量单向流动和逐级递减的特点，尤其是理解能量每流经一个营养级则降低一一个数量级的动态变化特征。然后让学生再了解一下另外两种类型的金字塔——生物量金字塔和数量金字塔。1.能量金字塔（1）概念：将单位时间内各营养级所得到的能量数值转换为相应面积（或体积）的图形，并将图形按照营养级顺序排列，可形成一个金字塔图形，叫做能量金字塔。（2）意义：直观的反映出生态系统各营养级间能量的关系。（3）特点：通常都是上窄下宽的金字塔形。原因：能量在流动中总是逐级递减的。2.生物量金字塔（1）概念：用表示能量金字塔中的方法表示各营养级的生物量（每个营养级所容纳的有机物的总干重），即为生物量金字塔。（2）意义：直观的反映生态系统各营养级所容纳的有机物的总干重的关系。（3）特点：大多也是上窄下宽的正金字塔形。原因：一般来说植物的总干重通常大于植食性动物的总干重，而植食性动物的总干重也大于肉食性动物的总干重3.数量金字塔（1）概念：用表示能量金字塔的方法表示各营养级的生物个体的数目比值关系，即为数量金字塔。（2）意义：直观的反映生态系统各营养级的生物个体的数目比值关系。（3）特点：可以是上窄下宽的正金字塔形，也可以是上宽下窄的倒置正金字塔形。原因：如果消费者的个体小而生产者的个体大，则会呈现倒置金字塔。能量金字塔、数量金字塔、生物量金字塔统称为生态金字塔。请想一想：哪种指标构建的金字塔能更客观的表示生态系统能量传递规律，不出现倒置现象呢？同学们可以反过来思考，哪种金字塔在特定情况下会出现倒置。我们经常会看到，一棵树上会有很多很多以它为食的昆虫，也就是说生产者个体比消费者大的多时，数量金字塔就会倒置。夏季某温带森林中，每0.1公顷约有树木200株，而昆虫的数量可以高达15万之多。当生产者个体小，寿命短时，在某一时刻统计的生物量，生产者的数量会小于初级消费者，生物量金字塔也会倒置。如英吉利海峡的生物量金字塔。能量金字塔是利用各营养级生物所固定的总能量来表示。因为绿色植物所固定的能量绝不会少于以它为食的植食性动物的能量，因此，能量从一个营养级流向另一个营养级总是逐渐减少的。这一点在任何生态系统中都是一样的。能量金字塔能更客观全面的表示各营养级之间的能量流动关系。尽管近年来更多的研究表明，各营养级的净生产量不完全按“十分之一定律”递减，但林德曼得出的金字塔规律，被称为是最完善的生态金字塔结构。无论在理论上还是在实践上都有着重要意义。五、研究能量流动的实践意义提问：人类位于食物链的顶端，从能量金字塔来看，人口数量日益增长，这会对地球上现有的生态系统造成什么影响？答案：人口数量日益增长，会要求低营养级有更多的能量流入人类所处的营养级，也就是说，人类所需要的食物会更多，将不得不种植或养殖更多的农畜产品，会给地球上现有的自然生态系统带来更大的压力。我国古代就已发展出“桑基鱼塘”生产方式：利用桑叶喂蚕，蚕沙养鱼，鱼塘泥肥桑，在桑、蚕、鱼之间形成良性循环。古人在设计这种农业生产方式时，不一定清楚其中的科学道理，请从生态系统能量流动特点出发，分析这种设计的合理性。从中分析出能量流动的实践意义。师生一起得出能量流动两方面的意义。从能量金字塔来分析，塔基的大小，体现了进入生态系统能量的多少，决定着该生态系统承载供养生物的数量。如果人口增加一倍，按十分之一定律来看，按三个营养级来看，生产者提供的能量至少增加一倍。因此，为了满足人类生活需求，要求低营养级要有更多的能量输入。将不得不种植或养殖更多的农畜产品。给农业生产造成很大的压力。如何来解决这个问题呢？我们家乡是怎样解决这个问题的呢？请同学们翻开教材59页。探究。实践栏目“调查当地某生态系统中的能量流动情况”。再回问题探讨教师引导学生根据能量流动的学习从1、2两个策略中选出策略1更适合维持更长时间。倾听学习分析得出结论实际问题得到解决学以致用深刻体会能量流动过程回应开头得出结论探究·实践：调查当地生态系统的能量流动情况【原理】应用生态金字塔原理分析，提出使该地生态系统中能量得到最大利用的改进建议。【前期准备】通过调查，提出使该地生态系统能量得到最大限度利用的改进建议。在调查之前我们要做哪些准备工作呢？对首先要想清楚本次调查的目的是什么？并围绕调查目的提出要调查研究的问题。再思考你要准备哪些工具，人员之间如何分工。本次调查的目的是要对当地生态系统能量得到最大利用提出改进建议。能量流动是沿着营养结构食物链传递的。因此我们必须调查清楚该系统的组成及其营养关系。同时调查该生态系统能量的输出路径。具有如下：①明确该次调查活动的目的要求。②选择要调查的生态系统，确定边界。③确定小组分组名单，做好分工。④拟定具体的调查计划。⑤准备好调查工具。⑥实地调查。需要准备当地动植物分类图鉴（铁锹、水桶等工具）文献调查、访谈调查；记录本、手机（拍照、记录）和相关书籍资料。进行了以上思考后，决定调查当地稻田生态系统，并结合教材59页活动建议提出调查问题。某小组同学准备对当地稻田生态系统进行调查，他们设计的调查问题如下：①该稻田除水稻外，还有哪些生产者?农民用什么方法控制这些生产者的数量?②初级消费者有哪些?他们对水稻有利还是有害?对这些初级消费者农民分别采取了哪些措施?③次级消费者有哪些?他们与水稻是什么关系?④农民对水稻秸秆是如何处理的?⑤农民利用什么方法提高水稻的光能利用率?【调查结果】这是该组同学调查的稻田生态系统中的部分生物的照片，以及农民对杂草害虫、秸秆的处理方法。资料1：拍摄的稻田生态系统中部分生物的照片。资料2：当地农民对害虫、杂草、秸秆的处理措施对水稻秸秆的处理：部分喂牛、部分焚烧；水稻的根在田中沤肥。对杂草与害虫使用除草剂与杀虫剂处理。农民对害虫与杂草的处理：主要通过杀虫剂灭虫，除草剂去除杂草。农民对水稻秸秆的处理：部分喂牛、部分焚烧、水稻的根在田中沤肥。基于这些调查结果，我们将从该系统的成分出发，分析其能量流动情况，并对该稻田能量流动进行合理规划。【调查结果分析】①通过查阅调查的图片资料，分析该生态系统的组成成分有哪些？稻田生态系统的组成成分：非生物的物质与能量（阳光、空气、水分、热、土壤、无机盐等）生产者（水稻、鸭舌草、稗草等12种杂草、浮游植物）消费者：以水稻叶为食的昆虫（稍娱虫、稻飞虱、黑尾叶蝉等）捕食害虫的动物（蜘蛛，包括圆蛛、跳蛛、小黑妹；青蛙等以浮游植物为食的动物（浮游动物、底栖动物，如田螺、摇蚊）分解者（土壤中微生物、水中底栖动物，如田螺、摇蚊、蚯蚓等动物）②绘制该生态系统的部分能量流动图，思考稻田生态系统中生产者的主体是什么？其他生产者、初级消费者、次级消费者分别有哪些？它们与农作物是什么关系？有害还是有益？基于调查结果，我们可以简单的绘制出稻田的能量流动图解。水稗草、鸭舌草水稻形成竞争关系，杂草一般长的快，对光和无机盐的争夺占有一定优势，一定程度上影响了水稻的生长，稻飞虱、稻螟虫以水稻为食对水稻生长不利，还导致水稻固定的能量流水。对水稻是有害的。青蛙跳蛛以稻飞虱为食，对水稻生长有益。除同学们调查的结果外，我们通过资料调查，得知该稻田中的营养成分还是相对复杂的。为了对稻田生态系统的能量流动进行分析，我们将该能量流动关系进行简化。如下图：③将害虫与益虫进行归类，简化表示该生态系统能量流动关系。为了便于研究，我们对稻田生态系统的能量流动关系进行简化处理，将水稻田中的其它生产者统称为杂草，将害虫与益虫进行归类，简化表示该生态系统能量流动关系。④结合以上分析，提出提高稻田产量，使稻田能量最大限度流入人类的新措施。基于以上分析，请同学们提出，提高稻田产量，使稻田能量最大限度流入人类的新措施。从能量流动关系来看，提高稻田产量，就要提高水稻光合效率、减少杂草的竞争、减少害虫取食造成能量流失。从提高水稻光合效率角度考虑我们可以通过合理密植，种植一定株型的高产水稻。减少杂草与害虫方面，农民现在的做法是用除草剂除草、杀虫剂灭虫。造成环境污染的同时，杂草与害虫还是不能得到有效控制。是否有将害虫与杂草中能量通过二次转化，被人类利用的方法呢？【建议对策】对策1：稻--鸭共作稻田生态系统要是有一种杂食性动物，帮助我们吃掉田间杂草并帮助我们除虫，我们以这种动物为食就好了。有没有这样的动物呢？通过人们观察，鸭子旺盛的杂食性可以吃掉稻田杂草，鸭子在田间走动，导致浑水，还能有效抑制杂草生长，减少竞争，还会觅食虫卵和稻螟虫等害虫，通过对采食一天的鸭进行胃解剖，发现有昆虫400~1000头，这种采食昆虫的数量是其他水稻害虫天敌远远不能及的。大大减少了输入系统能量的流失。有效的控制病虫草害的发生与发展，使水稻生长健壮，固定的太阳能增加。因此我们提出的提高能量利用的措施之一是稻鸭共作的生态系统。水稻田生态系统营养结构更加完善，系统的功能整合特性得到发挥。杂草的控制，减少了与水稻的竞争，但一部分射在水稻间隙的光照也不能被充分利用。如何有效利用水稻下层的光能，增加流向人类的能量呢？从生态系统营养结构角度，同学们有什么想法吗？措施2：稻--萍--鸭共作稻田生态系统栽种某些结构能被人食用的植物。如果没有能被人直接食用的植物，这种植物如果是鸭子的食物，能量也能最终流向人类。基于以上想法，人们提出了稻-萍-鸭共生的生态系统模式。在稻鸭共作基础上，放养营养含量高的红萍。红萍生长在水稻下层，不与水稻争夺光能，不占用水稻生长空间，能够将水稻没有利用的光能有效吸收，增大流入生态系统的总能量。在空间上进行合理配置，增大流入生态系统的总能量、提高了能量利用率。措施3：水稻秸秆养殖蘑菇、生产沼气人类获取了水稻稻谷中的能量，秸秆中还有占总初级生产量四分之一左右的副产品未被利用。还有进一步提高秸秆能量利用率的措施？提示：人们认为没用的秸秆得到了多级利用。秸秆用来种植蘑菇，蘑菇被人类食用，这是对秸秆中能量的二级利用。沼渣做为猪、羊的饲料，人吃猪肉、羊肉，这是对秸秆的三级利用。用动物的粪便生产沼气，人类利用沼气中的能量，这是对秸秆的三级利用。图片中蓝色与红色的内容就是经过人类设计后，增加的能量利用次数。这种设计，实现能量多级利用，从而大大提高能量的利用率实现能量多级利用，从而大大提高能量的利用率。在学生理解能量流动特点的基础上，教师进一步提出一些人类生产和生活中的具体问题，启发学生运用学得的能量流动特点来分析说明这些新情境下的问题，从而明确人类研究生态系统的能量流动的根本目的。具体问题有：（1）“确定合理载畜量，防止超载放牧”是发展草原畜牧业的有效措施之一，试说明制定这项措施的理论根据。（2）近年来某些地区由于大量捕捉青蛙，导致麦田里的粘虫大量繁殖，造成小麦严重减产。请你从“能量传递过程”的角度，分析说明导致小麦减产的原因。（3）请你从