《生态系统的能量流动》（第1课时）公开课教案

9/9第5章生态系统及其稳定性第2节生态系统的能量流动[教学目标]知识目标：1．通过分析食物链让学生掌握生态系统中能量流动的概念；2．通过模型的构建让学生理解生态系统中能量流动的过程；3．通过定量分析让学生理解生态系统中能量流动的特点并学会应用。能力目标：1．通过定量分析生态系统中能量的输入与输出，发展学生的思维迁移能力；2．学会整理数据、分析数据，进而得出科学结论；3．通过小组讨论与导学式相结合的教学模式，培养学生的语言表达力，合作能力以及发散思维和求异思维能力的发展。情感目标：通过联系实际，激发学生学习生物学的兴趣，培养学生关心生态的意识和进行生命科学价值观的教育；[教学重点]种群的基本特征及相互间的联系和影响。[教学难点]生态系统能量流动的过程。[课时安排]2课时[教学过程]视频引入：播放视频“追逐太阳的黄金水母”。问题引导：水母为什么要追逐太阳？学生探讨：与水母共生的藻类需要阳光。教师引导：阳光是生命界能量的来源，通过“能量”这个纽带生态系统的生产者、消费者、分解者和无机环境联系成为了一个整体，这节课我们就来分析一下生态系统的能量流动的相关问题。一、能量流动的概念教师引导：对于生态系统能量方面的系统研究开始与上个世纪初，其中美国科学家林德曼就是其中杰出的代表。通过实验他获得了一个小型湖泊内各种生物所含有的能量值，但是一时间他无法找出它们之间的内在联系，此时他的一位来自中国的同学给他说了两句古老的中国谚语，使得他茅塞顿开，推动了其研究的进程。谚语展示：“大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米，虾米吃泥巴。”问题引导：这个谚语说得不够确切，假设小鱼是小型肉食性鱼类，大鱼是大型肉食性鱼类，泥巴上长满了小虾米喜欢吃的藻类，那么这条谚语描述的是哪个生物学概念？学生回答：食物链。教师引导：正是当时生态学界刚提出不久的食物链这个概念，让林德曼意识到能量流动的渠道和方向。下面就以这条食物链的第三营养级——“小鱼”为例，请同学们思考和分析一下它的能量的来源和去路。学生回答：从虾米那里获得能量，自身消耗一部分，再传递给大鱼一部分，死亡后给分解者一部分。问题引导：一个个体如此，如果是整个小鱼种群呢？学生回答：也是如此。概念总结：把生态系统中能量的输入、转化、传递和散失的过程称为生态系统的能量流动。[该图的表示方法可以称之为概念图模型，但是这个模型太过简单，对于不同营养级这四个基本过程还是存在差异的，下面我们来尝试将其补充完善。]二、能量流动的过程学生讨论：①自然界中能量的存在形式；②自然界中与能量传递有关的生物间关系；③细胞中蕴含能量的物质；④细胞中与能量储存、释放有关的代谢。师生总结：学生活动：将总结的概念加入刚才总结的简易模型中，分别尝试构建第一营养级和第二营养级的能量流动概念模型。1、能量来源：太阳能2、能量流动的概念模型（1）对于生产者（第一营养级）（2）对于初级消费者（第二营养级）对于顶级消费者（最高营养级）（4）对于分解者问题引导：各级消费者要不要加一个以“粪便”形式传递给分解者的箭头？学生讨论：不需要，粪便属于未同化的能量，在分析时应属于上一营养级中指向分解者的部分里。（5）总结问题引导：每个营养级同化的能量都有三个去路：传递给下一个营养级，传递给分解者（最高营养级除外）和自身呼吸消耗，所以大家发现每个营养级的能量会怎么样？学生回答：越来越少。[到目前我们的这种问题的分析都采用的描述的方法，属于定性的分析，是不是真的越来越少，一定要有实验数据的支撑。最早完成这一实验的就是林德曼。]二、能量流动的特点1、林德曼的研究（1）研究对象：赛达伯格湖教师引导：林德曼发表于1941年的《一个老年湖泊内的食物链动态》和1942年的《生态学的营养动态概说》奠定了他在生态学的地位，他的研究成果主要来自于一个小型的高原琥珀——赛达伯格湖。资料展示：赛达伯格湖位于高原地带，面积大约50公顷，是一个较小且封闭的天然湖泊。该地区气候较为寒冷，人口稀少，保留了原始景观。问题引导：美国有许多大型湖泊，包括赛达伯格湖的附近，为什么选择该湖泊作为研究对象？师生总结：营养结构简单；受外界因素干扰较小，是一个相对稳定的生态系统等。（2）研究方法：定性分析→定量分析教师引导：定量分析是指依据统计数据，利用数学模型计算出分析对象的各项指标及其数值，找出变化规律。我们将林德曼的数据放入刚在总结的概念图模型中就会得到相应图解。2、特点问题引导：图解中的单位是J/(cm2·a)。图中还多了一个概念——“未利用”，是指在研究时间内未被自身呼吸消耗，也未被后一营养级和分解者利用的能量。那么这部分能量以什么形式存在于生态系统中呢？师生总结：主要以沉积物的形式，如泥炭、枯枝落叶层等，对于赛达伯格湖而言是形成了大量的泥炭沉积在湖底，很难被利用。问题探究：下面从两个角度准备了6个问题，让大家体会定量分析的过程。从生态系统层次：①该生态系统一年流入的总能量是多少？光能利用率为多少？②该生态系统含有能量最多和最少的生物类群分别是什么？③该生态系统能量流动的渠道是什么？能否反向进行？营养级层次：④流入某一营养级的能量，能否全部流到下一营养级？⑤生产者能量的各条去路占其总能量的比例分别是多少？⑥营养级之间的能量传递效率各是多少？师生总结：①固定的总能量是464.6，利用率为0.1%。问题引导：展示不同地域的光能利用率，思考为什么水浴生态系统的光能利用率较低？学生回答：很多阳光被水面反射。师生总结：②能量最多的是生产者，最少的是肉食动物。问题引导：为什么不是身体微小的分解者？学生回答：分解者的数量庞大，肉食动物数量太少。师生总结：③渠道是食物链（网），不能反向进行，因为食物关系是不能反向的。（1）单向流动问题引导：单向流动的含义是能量在营养级之间的流动只能从低营养级到高营养级，为什么不能逆转？不能循环？学生回答：生物间的捕食关系是一定的；散失的热能不能被生物体再利用。师生总结：④不能，能量的去路还有呼吸消耗、传递给分解者和未利用。师生总结：⑤如图，顺序是未利用＞呼吸＞下一营养级＞分解者问题引导：对于其他营养级是不是都是这个顺序？对于整个生态系统呢？学生回答：对于其他营养级基本都是如此，对于整个生态系统而言，最高营养级的能量反而最少。问题引导：对于其他生态系统是不是也都是如此呢?请分析两个水域生态系统能量最终流向比较表。学生回答：每个生态系统都是不一样的。教师介绍：赛达伯格湖是沼泽高原型湖泊，生物种类较少，又相对封闭，分解者分解能力较低，因此未利用的能量比例较高，以泥炭的形式沉积湖底。而银泉属于流水型的河流，生物种类较多，因此呼吸消耗较多，而且大量沉积物随水流入下游，沉积物很少，未利用能量较低。因此，一定要具体问题具体分析，不能所有问题一概而论。师生总结：⑥营养级之间的能量传递效率各是多少？（2）逐级递减问题引导：逐级是什么含义？能量为什么会逐级减少学生回答：“逐级”是指能量沿着食物链从低营养级到高营养级。减少的原因是能量要自身呼吸散失一部分、分解者利用一部分和未利用一部分。教师引导：相邻营养级间能量传递效率大约是10%~20%，这又被称为林德曼定律。问题引导：对于食物链藻类→虾米→小鱼→大鱼，如果藻类固定了10000KJ的能量，至少传递多少到大鱼？如果大鱼获得了10KJ的能量，至少需要藻类固定多少太阳能？学生回答：至少传递给大鱼的能量为10000×(10%)3=10KJ；至少需要藻类固定的太阳能为10÷(20%)3=1250KJ。问题引导：既然能量逐级减少，那么与能量守恒定律是否矛盾？请用数据来分析。师生总结：从某营养级的角度：师生总结：从某营养级的角度：从生态系统角度：三、生态金字塔教师引导：实验数据的整理有生态金字塔教师引导：实验数据的整理有很多形式。①表格，用于记录原始实验数据；②柱状图，将所含能量的多少转化图形面积的大小，置于坐标系内，各个营养级的能量大小一目了然非常直观。如果将能量条叠放在一起就形成了能量金字塔。1、能量金字塔问题引导：每一级代表一个种群还是一个营养级？能量金字塔的排放顺序是怎样的？学生回答：每一级代表一个营养级，第一营养级在最下面，高营养级一次向上排放。问题分析：解释一下影响林德曼的第二个中国谚语：“一山不容二虎”。学生回答：能量流动是逐级递减的，虎的营养级高，含有能量少，不足以供应更高的营养等级的生存。2、生物量金字塔教师引导：将所含有机物的多少转化图形面积的大小，就会形成生物量金字塔。3、生物量金字塔教师引导：将所含个体数多少转化图形面积的大小，就会形成数量金字塔。问题引导：三种生态金字塔会不会出现倒置的情况？师生总结：能量金字塔不会倒置，生物量金字塔一般不会，数量金字塔有可能（如一棵树上生活这大量的昆虫）。[通过本节课的学习，我们了解生态学家研究生态学问题