“生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性”單元教學(xué)設(shè)計(jì)

趙　蕾　喬文軍

（1北京市第十四中學(xué)　北京　100055　2北京教育科學(xué)研究院基礎(chǔ)教育研究中心　北京　100191）

生態(tài)系統(tǒng)是最高層次的生命系統(tǒng)，其多樣性和復(fù)雜性是其他生命系統(tǒng)所無(wú)法企及的。每一個(gè)生命都存在于特定的生態(tài)系統(tǒng)中，而生態(tài)系統(tǒng)中的每一個(gè)類(lèi)群都時(shí)刻影響著其他類(lèi)群和無(wú)機(jī)環(huán)境。生態(tài)系統(tǒng)中各組分及其之間的相互作用共同維系了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但除極少的生態(tài)系統(tǒng)（如池塘生態(tài)系統(tǒng)）外，大部分生態(tài)系統(tǒng)連其邊界也不能確定，而各組分之間的相互作用有大有小、有顯有隱、有短時(shí)效也有長(zhǎng)時(shí)效。因此，尋找到能服務(wù)于內(nèi)容的教學(xué)資源并不容易，若能同時(shí)提升到德育層次更是不易。在本節(jié)課的設(shè)計(jì)中，將寓德資源與教學(xué)內(nèi)容相整合，通過(guò)資源分析幫助學(xué)生落實(shí)科學(xué)生態(tài)觀，在思辨中產(chǎn)生共鳴，提高學(xué)生對(duì)自然的責(zé)任意識(shí)。

1　教材分析

人教版生物學(xué)必修3《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》以不同生命系統(tǒng)（包括個(gè)體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)在多變的環(huán)境中穩(wěn)態(tài)維持及調(diào)節(jié)理論）為主線?！瓣U明生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性”是穩(wěn)態(tài)與環(huán)境模塊中的核心內(nèi)容之一，在本模塊中具有重要地位。該部分內(nèi)容是在群落和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上的升華，幫助學(xué)生將生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能相聯(lián)系，理解穩(wěn)態(tài)實(shí)現(xiàn)的調(diào)節(jié)機(jī)制。

2　學(xué)情分析

生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性就是維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。這種穩(wěn)態(tài)主要體現(xiàn)在生物多樣性高低、組分協(xié)調(diào)性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化和功能完善化上。而穩(wěn)態(tài)的維持卻是通過(guò)生命系統(tǒng)自身的調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)能力大，維持穩(wěn)態(tài)能力強(qiáng)；反之則弱。在已經(jīng)初步了解了“反饋與穩(wěn)態(tài)”關(guān)系的基礎(chǔ)上，學(xué)生通過(guò)本單元的學(xué)習(xí)，要對(duì)“反饋調(diào)節(jié)對(duì)于各個(gè)生命系統(tǒng)維持穩(wěn)態(tài)具有重要意義”的觀點(diǎn)形成較深刻的認(rèn)識(shí)，并進(jìn)一步體會(huì)必修3《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》的思想主線。在理解自然規(guī)律的基礎(chǔ)上，學(xué)生能夠?qū)μ岣呷斯ど鷳B(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性提出可行的建議和策略，也是對(duì)本節(jié)課的教學(xué)反饋。

2.1知識(shí)背景學(xué)生在學(xué)習(xí)必修3《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》模塊的相關(guān)內(nèi)容過(guò)程中，已經(jīng)初步建立生命系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)及其與環(huán)境的關(guān)系，也就是說(shuō)穩(wěn)態(tài)的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)系統(tǒng)內(nèi)各組分之間的相互作用，即自我調(diào)節(jié)。在結(jié)構(gòu)和功能的知識(shí)基礎(chǔ)上，結(jié)合群落演替的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容。

2.2能力背景高二學(xué)生基本適應(yīng)高中生物學(xué)的學(xué)習(xí)節(jié)奏。初中階段側(cè)重于了解生命現(xiàn)象，而高中階段透過(guò)現(xiàn)象尋找本質(zhì)的生物學(xué)習(xí)思維方式也基本建立。其次，利用數(shù)學(xué)模型研究生物學(xué)問(wèn)題在“生物的進(jìn)化”中也有基礎(chǔ)。

2.3求知欲生態(tài)環(huán)境問(wèn)題與學(xué)生的實(shí)際生活聯(lián)系密切，生態(tài)系統(tǒng)的研究對(duì)于人類(lèi)所面臨的許多全球資源與環(huán)境問(wèn)題具有重要意義。尋找理論與實(shí)際的聯(lián)系，首先要理解生態(tài)系統(tǒng)自身的調(diào)節(jié)和穩(wěn)態(tài)的維持。

3　教學(xué)目標(biāo)

1）知識(shí)目標(biāo)：闡述生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力；例說(shuō)抵抗力穩(wěn)定性和恢復(fù)力穩(wěn)定性；簡(jiǎn)述提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的措施。

2）能力目標(biāo)：能夠繪制曲線圖并分析曲線間的變化聯(lián)系；通過(guò)數(shù)據(jù)分析，能提出問(wèn)題并解決問(wèn)題，理解生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與功能完善性的內(nèi)在聯(lián)系。

3）情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：通過(guò)資源分析，認(rèn)同生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要性，以及生態(tài)系統(tǒng)中各組成部分的和諧、穩(wěn)定、生死與共的密切關(guān)系。能夠關(guān)注人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，確認(rèn)人類(lèi)在生態(tài)系統(tǒng)整體中的正確位置，從而提升對(duì)自然的責(zé)任意識(shí)。

4　教學(xué)過(guò)程

4.1創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課山東煙臺(tái)昆崳山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)被譽(yù)為“膠東植物王國(guó)”。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，這里的森林時(shí)常會(huì)遭受蟲(chóng)災(zāi)，一段時(shí)間后蟲(chóng)災(zāi)便會(huì)自行消失，從未發(fā)生過(guò)毀滅性的蟲(chóng)災(zāi)。干擾一直存在，而生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出一種相對(duì)平衡穩(wěn)定的狀態(tài)，稱(chēng)為生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.2生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力及其決定因素以山東昆崳山的“有蟲(chóng)不成災(zāi)”為引入，落腳于生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力。通過(guò)對(duì)森林害蟲(chóng)及其天敵的種群數(shù)量調(diào)查，引導(dǎo)學(xué)生采取由數(shù)據(jù)到圖形的轉(zhuǎn)換，更加直觀地發(fā)現(xiàn)害蟲(chóng)數(shù)量變化與其天敵數(shù)量變化之間的關(guān)系，即為生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力的一種體現(xiàn)。而這樣的調(diào)節(jié)過(guò)程學(xué)生不難聯(lián)系到之前學(xué)習(xí)過(guò)的（負(fù)）反饋調(diào)節(jié)，進(jìn)而認(rèn)識(shí)到負(fù)反饋調(diào)節(jié)對(duì)于從個(gè)體到生態(tài)系統(tǒng)等不同層面的生命系統(tǒng)維持穩(wěn)態(tài)的重要性。

不同生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力不同，決定因素是什么？美國(guó)生態(tài)學(xué)家大衛(wèi)·提爾曼在同一地區(qū)針對(duì)不同物種豐度的樣地進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性機(jī)制的研究。教師以科學(xué)史資料分析引導(dǎo)學(xué)生探討生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與自我調(diào)節(jié)能力大小的關(guān)系。直接的數(shù)據(jù)分析可以肯定，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，這種自我調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)。原因是什么？隨著層層深入的質(zhì)疑，師生一起追尋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與功能完善性的內(nèi)在根本聯(lián)系。純林中大量的松毛蟲(chóng)不但不能吸引更多種類(lèi)和數(shù)量的天敵控制和減少松毛蟲(chóng)的數(shù)量，還會(huì)使松毛蟲(chóng)成災(zāi)，最終導(dǎo)致樹(shù)木的凋零。原來(lái)，生物之間直接或間接的食物聯(lián)系僅僅是生態(tài)系統(tǒng)中各組分相互作用的一個(gè)方面，捕食者并不完全依賴(lài)被捕食者完成生存和繁殖。換句話說(shuō)，被捕食者并不是捕食者生存延續(xù)的唯一需求。

以松毛蟲(chóng)的天敵之一赤小峰為例說(shuō)明。赤小峰是松毛蟲(chóng)的重要天敵，能寄生于松毛蟲(chóng)卵中從而遏制松毛蟲(chóng)的數(shù)量增加。但松毛蟲(chóng)不是赤小峰生存的唯一條件。羽化的赤小峰成蟲(chóng)依然需要進(jìn)食以保證繁殖之需，這時(shí)它的食物來(lái)源是某些植物的花蜜。自然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的純林中成蟲(chóng)的食物來(lái)源少，直接影響雌性赤小峰成蟲(chóng)的產(chǎn)卵數(shù)量和質(zhì)量。而且赤小峰也有天敵需要躲避，更加復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)也會(huì)有更多的躲避場(chǎng)所?？磥?lái)，食物來(lái)源多樣化、棲息環(huán)境復(fù)雜化的生態(tài)系統(tǒng)更適合它們的生存和繁衍，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的純林卻恰恰不能滿足這些。通過(guò)教師提供資料，師生共同分析得出，生態(tài)系統(tǒng)作為一個(gè)整體，各組分之間錯(cuò)綜復(fù)雜的相互關(guān)系及相互作用是負(fù)反饋調(diào)節(jié)的作用路徑，作用路徑越多，調(diào)節(jié)就越精細(xì)，生態(tài)系統(tǒng)維持自身穩(wěn)態(tài)的能力就越強(qiáng)，進(jìn)而維持了整體的存在和延續(xù)。

生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性之間的關(guān)系幫助學(xué)生建立起生態(tài)系統(tǒng)整體性意識(shí)。學(xué)生從害蟲(chóng)及其天敵的種群數(shù)量入手，發(fā)現(xiàn)其中的矛盾（松毛蟲(chóng)數(shù)量的增加沒(méi)有引發(fā)其天敵數(shù)量的大爆發(fā)），進(jìn)而為解決矛盾產(chǎn)生求知欲。害蟲(chóng)數(shù)量增加，天敵數(shù)量隨之增加，進(jìn)而抑制害蟲(chóng)數(shù)量增加。要達(dá)到這樣的負(fù)反饋調(diào)節(jié)過(guò)程，需要生態(tài)系統(tǒng)中除害蟲(chóng)及其天敵以外曾被忽視的其他條件支持。如果條件不夠，該調(diào)節(jié)過(guò)程將無(wú)法完成，最終導(dǎo)致害蟲(chóng)數(shù)量無(wú)法控制，偏離穩(wěn)態(tài)。通過(guò)分析，生態(tài)整體觀深深烙在學(xué)生的心上，牽一發(fā)而動(dòng)全身。蘇聯(lián)作家列昂諾夫在《俄羅斯森林》里曾這樣寫(xiě)道：“自然界是統(tǒng)一的有機(jī)體，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，牽動(dòng)他的任何一點(diǎn)，都會(huì)對(duì)整個(gè)有機(jī)體產(chǎn)生影響，即使在最邊遠(yuǎn)的部分也是如此。”

4.3生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性概念形成通過(guò)上述分析，學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)到生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)負(fù)反饋調(diào)節(jié)對(duì)來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)、外的干擾具有一定的抵抗力，這稱(chēng)為抵抗力穩(wěn)定性。但是，在保護(hù)區(qū)內(nèi)也有一些村落，人們到附近的林地砍柴、放牧、甚至偷獵，嚴(yán)重影響了害蟲(chóng)天敵的生存和繁衍，天敵的匱乏使得這些地區(qū)蟲(chóng)災(zāi)不斷。在這個(gè)過(guò)程中，可以理解為人類(lèi)的過(guò)度活動(dòng)中斷了負(fù)反饋調(diào)節(jié)的作用路徑，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)失調(diào)。保護(hù)區(qū)管理人員劃出一定的區(qū)域?qū)嵭蟹馍酱胧┙谷祟?lèi)繼續(xù)干擾，幾年后封山林地的蟲(chóng)災(zāi)不再發(fā)生，人們調(diào)查封山林地和未封山林地中的害蟲(chóng)類(lèi)群以及天敵類(lèi)群的種類(lèi)和數(shù)量，發(fā)現(xiàn)封山林地天敵種類(lèi)和數(shù)量大大超過(guò)未封山林地。干擾破壞了生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，消除干擾后一段時(shí)間，生態(tài)系統(tǒng)又恢復(fù)了原有的結(jié)構(gòu)和功能，這也體現(xiàn)了穩(wěn)定性，稱(chēng)之為恢復(fù)力穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性概念。

4.4分析具體事例，提升生態(tài)責(zé)任意識(shí)本節(jié)教學(xué)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)是人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。在教學(xué)設(shè)計(jì)的最后，再回到山東昆崳山林場(chǎng)。當(dāng)時(shí)人們發(fā)現(xiàn)森林局部有較嚴(yán)重的蟲(chóng)災(zāi)，便用殺蟲(chóng)劑滅蟲(chóng)，希望避免或減少林場(chǎng)的損失。后來(lái)殺蟲(chóng)劑的用量和滅蟲(chóng)面積越來(lái)越大，殺蟲(chóng)劑用量增加幾十倍，從開(kāi)始顯著的滅蟲(chóng)效果，到最后僅10%～25%的滅蟲(chóng)率，大面積毀滅性的蟲(chóng)災(zāi)使原本郁郁蔥蔥的森林幾乎變成了荒山禿嶺。過(guò)量的殺蟲(chóng)劑非但不能消滅蟲(chóng)災(zāi)，反而加速了森林生態(tài)系統(tǒng)的滅亡。人類(lèi)善良的初衷換來(lái)了不可拯救的結(jié)局。

在這樣的情境中，學(xué)生再也忍不住內(nèi)心的呼喚：大面積赤松純林的種植是罪魁禍?zhǔn)?。純林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單，自我調(diào)節(jié)能力弱，不能抵御蟲(chóng)災(zāi)干擾。而人類(lèi)的滅蟲(chóng)舉措更是導(dǎo)致害蟲(chóng)天敵的大量死亡和遷移，生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加趨于簡(jiǎn)單，自我調(diào)節(jié)能力進(jìn)一步減小。最終，過(guò)度干擾造成生態(tài)系統(tǒng)喪失了自我調(diào)節(jié)能力，恢復(fù)起來(lái)非常困難，至少不是幾年甚至幾十年能夠完成的。由此，學(xué)生能夠體會(huì)生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力是有限的。

痛定思痛，人們重新確定了營(yíng)林和防治蟲(chóng)害的方針，決定營(yíng)造混交林，運(yùn)用生物防治法。造林結(jié)束后，加強(qiáng)封山育林等措施，混交林結(jié)構(gòu)日趨完善。2008年國(guó)家林業(yè)局網(wǎng)站上曾報(bào)道：生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，山東昆崳山現(xiàn)狼蹤。狼在森林生態(tài)系統(tǒng)中屬于最高營(yíng)養(yǎng)級(jí)，它的出現(xiàn)說(shuō)明生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，自我調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性提高。人類(lèi)曾經(jīng)為了保護(hù)馴鹿而打狼。人類(lèi)根據(jù)自己的好惡來(lái)對(duì)待狼，不但沒(méi)能保護(hù)馴鹿，還破壞了整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。要全面認(rèn)識(shí)和理解狼就必須理解它在生態(tài)系統(tǒng)中的作用。在保護(hù)馴鹿而不是毀滅馴鹿的過(guò)程中，狼扮演著極其重要的角色。生態(tài)系統(tǒng)中的所有生物之間都有著環(huán)環(huán)相扣的密切聯(lián)系，人類(lèi)大規(guī)模地消耗甚至滅絕任何一個(gè)物種，都有可能導(dǎo)致另一些物種的災(zāi)難，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的紊亂和向系統(tǒng)的崩潰逼近。

在這樣的資源分析中，學(xué)生需要不斷地思考。殺蟲(chóng)劑的殺蟲(chóng)效果為什么越來(lái)越差？生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化引發(fā)生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力的變化趨勢(shì)怎樣？科學(xué)造林應(yīng)怎樣做？對(duì)待害蟲(chóng)應(yīng)該保持何種態(tài)度？所謂“害蟲(chóng)”，也是生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的重要一員，沒(méi)有“害蟲(chóng)”，何來(lái)“益蟲(chóng)”！人類(lèi)的舉措是那樣的愚蠢，這是對(duì)生態(tài)學(xué)知識(shí)無(wú)知、生態(tài)理論匱乏而又自以為是的結(jié)果。學(xué)生的反應(yīng)是強(qiáng)烈的，因?yàn)樗麄兪窃诰邆湟欢ǖ纳鷳B(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性知識(shí)前提下去討論去分析。這或許也能證實(shí)科學(xué)的力量。

尊重生態(tài)系統(tǒng)中的每一個(gè)成員，每一個(gè)細(xì)節(jié)?！都澎o的春天》一書(shū)中，卡森沉重地寫(xiě)道：“……如果我們還打算給后代留下自然界的生命氣息，就必須學(xué)會(huì)尊重這個(gè)精美細(xì)致但又十分脆弱的自然生命之網(wǎng)，以及網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)聯(lián)結(jié)?！?/p>

5　教學(xué)反思

1）整合資源，在同一情境下展開(kāi)各環(huán)節(jié)教學(xué)。在本節(jié)教學(xué)中，始終以森林蟲(chóng)害干擾為背景完成生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的教學(xué)，在設(shè)計(jì)思路形成和資料查找中遇到很多困難。但一節(jié)課處于同一背景下，這利于學(xué)生在一個(gè)問(wèn)題上進(jìn)行更加深入的思考和相關(guān)概念的理解。

2）從設(shè)計(jì)的角度，加強(qiáng)了高二學(xué)生的能力訓(xùn)練。每一個(gè)教學(xué)資料都來(lái)自研究事實(shí)，每一個(gè)研究事實(shí)需要學(xué)生從數(shù)據(jù)和圖表開(kāi)始進(jìn)行邏輯分析。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下能夠完成從數(shù)據(jù)、圖表到生態(tài)學(xué)相關(guān)理論的形成，達(dá)到了預(yù)設(shè)目標(biāo)。

3）教學(xué)過(guò)程中能夠主動(dòng)回答問(wèn)題的學(xué)生不多，有些學(xué)生雖然主動(dòng)思考，但怯于表達(dá)。今后要在調(diào)動(dòng)大多數(shù)學(xué)生的主動(dòng)表達(dá)上仔細(xì)思考，力求一節(jié)課上多數(shù)學(xué)生都能表達(dá)自己的意見(jiàn)和看法。

4）始終以森林蟲(chóng)害干擾為背景完成生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的教學(xué)設(shè)計(jì)。雖然利于學(xué)生在一個(gè)問(wèn)題上進(jìn)行更加深入的思考和相關(guān)概念的理解，但是生態(tài)系統(tǒng)面臨的干擾類(lèi)型多種多樣，在后續(xù)的教學(xué)中或者結(jié)合相關(guān)練習(xí)題還應(yīng)補(bǔ)充其他的干擾形式和可能的干擾結(jié)果。例如火災(zāi)干擾，河流污染等。

［1］蘭瑩,張志.楊樹(shù)防護(hù)林蛀干害蟲(chóng)及其天敵的調(diào)查與分析.吉林林業(yè)科技,2014，43(3):34.

［2］Perter H Raven，George B Johnson.生物學(xué).6 版.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［3］陳昌潔.松毛蟲(chóng)綜合管理.北京：中國(guó)林業(yè)出版社，1990.