人教版 (2019)选择性必修2生态系统的物质循环教学设计及反思

这是一份人教版 (2019)选择性必修2生态系统的物质循环教学设计及反思，共11页。
教学目标
1.概述生态系统的物质循环过程。
2.通过分析生物富集的过程,说明生物富集的危害,认同应采取措施减少危害。
3.说明能量流动和物质循环的关系。
4.尝试探究土壤微生物的分解作用。
评价目标
1.以碳循环为例,掌握生态系统中的物质循环的概念、特点。
2.通过案例引导学生运用所学的物质循环原理,解释现象和解决问题。
教学重难点
重点:分析碳循环的特点,概述生态系统的物质循环过程。
难点:1.说明能量流动和物质循环的关系。
2.尝试探究土壤微生物的分解作用。
教学方法
1.这节课的知识点比较抽象,主要采取多媒体辅助教学,引导学生构建碳循环的概念模型。
2.学生通过列表比较法,小组讨论总结能量流动和物质循环的关系。
3.本节探究实验以兴趣小组的形式开展,并课堂展示实验成果。
课时安排
2课时。
教学准备
多媒体,白板,学案,PPT等。
教学设计
导入新课
你在操场上运动时,呼出了很多二氧化碳分子,想象一下这些二氧化碳分子离开你后,会开始怎样的旅行?
【师】请以小组为单位绘制一幅“碳先生的旅行”的图片。
【生】绘图展示:
图1
图2
【师】请同学概述一下“碳先生的旅行”。
【生1】动物的呼吸作用消耗有机物和氧气,产生二氧化碳和水。产生的二氧化碳和水,可以提供给绿色植物,植物进行光合作用产生有机物和氧气,而有机物和氧气又可以提供给动物。
【生2】有机物通过微生物分解成为无机物,又可以重新提供给生产者来制造有机物。
【生3】垃圾中有可以回收利用的,说明物质可以循环。
【师】亮点:利用光合作用和呼吸作用的知识,对碳的转移过程进行了思考,部分呈现了碳在生物体和非生物环境之间的循环。
存在的问题:动物的粪便直接供给植物,忽略了分解者的参与;只考虑植物的光合作用而忽略植物的呼吸作用;没有考虑化石燃料的燃烧,等等。
(设计意图:联系已学知识,通过小组合作探究,初步构建碳循环模型。)
讲授新课
探究一:碳循环的过程
核心问题:生物体和大气中的碳含量是怎样维持相对稳定的?
【师】引导思考1:碳元素在生物体内、大气、水圈中,分别主要以什么形式存在?
【生】碳元素在生物体内主要以有机物的形式存在,而在非生物环境中,主要以二氧化碳的形式存在于大气中和溶解于水中。
【师】引导思考2:碳元素是如何进出生产者、消费者和分解者的(以什么形式、通过哪种生命活动、形成哪些产物等)?
【生】非生物环境中的碳元素以二氧化碳的形式,通过光合作用形成有机物进入生产者;消费者以生产者为食,使生产者体内的有机物进入消费者;生产者、消费者的遗体和排遗物中的有机物可以被分解者利用。生产者、消费者和分解者都通过呼吸作用,将有机物分解为二氧化碳,使碳元素返回非生物环境。
(设计意图:以问题驱动学生运用所学知识解决新的问题,在理解的基础上,进一步修改和完善碳循环模型。)
小组活动一:构建碳循环模型
(设计意图:通过构建模型,促进学生理解生态系统中各组分在碳循环中所起的作用。)
探究二:生态系统物质循环的概念和特点
【师】资料展示:展示碳循环、硫循环、水循环等的示意图。提出问题:这些元素的循环有什么共同特点?
【生】这些元素不断从非生物环境进入生物群落中,又从生物群落回到非生物环境中。
【师】请概括生态系统物质循环的概念。
【生】生态系统的物质循环是指组成生物体的碳、氢、氧、氮、磷、硫等元素,都在不断进行着从非生物环境到生物群落,又从生物群落到非生物环境的循环过程。
【师】追问:有人说这些元素的循环具有全球性,你赞同吗?说说你的理由。
【生】赞同,生态系统的物质循环具有全球性,在生物圈中循环往复,例如二氧化碳能够随着大气环流在全球流动。
(设计意图:通过比较,抽象与概括形成物质循环的概念,引导学生分析物质循环的特点。)
探究三:能量流动和物质循环的关系
【师】过渡引入:物质循环具有全球性和循环往复的特点,那么能量流动呢?能量流动和物质循环有什么区别和联系?
【生】小组活动二:建构模型——在碳循环的模型中绘制能量流动的过程
【师】结合教材P65相关内容,列表比较、总结两者的关系。
【生】
(设计意图:在同一个模型中绘制能量流动和物质循环的过程,便于比较能量流动和物质循环,建立两者之间的联系,形成物质与能量观。)
【师】总结:非生物的物质和能量、生产者、消费者、分解者是生态系统的基本组成成分,各组分通过食物链和食物网等联系在一起,完成生态系统的能量流动和物质循环等功能,使生态系统成为一个具有一定结构和功能的统一的整体。
(设计意图:从结构与功能观的视角,概述生态系统的结构和功能。)
探究四:温室效应
【师】工业革命以来,大气中二氧化碳的含量持续升高,这与全球气温升高有一定程度的正相关。人类的哪些行为加快了大气中二氧化碳含量升高的速度?
【生】大量使用化石燃料,增加了二氧化碳的排放;大量砍伐森林,减少了二氧化碳的固定和吸收,这些行为都会促使大气中二氧化碳含量升高。
【师】为缓解温室效应,我国采取了哪些积极措施?这些措施为什么有效?
【生】采取了节能减排,植树种草,秸秆还田等措施,这些措施降低了大气中二氧化碳的含量,是科学有效的。
(设计意图:培养学生的社会责任感。)
探究五:生物富集
【师】人类活动向环境中排放了很多有害物质,它们进入环境后也会进行物质循环,那么它们的循环过程和碳循环、氮循环的过程相同吗?
【师】介绍教材P63有关“铅”的资料,提出以下问题。
1.还有哪些有害物质存在与铅类似的现象?
【生】镉、汞等重金属,DDT、六六六等有机化合物以及一些放射性物质。
【师】2.这种现象被称作生物富集,请概述什么是生物富集?
【生】生物体从周围环境吸收、积蓄某种元素或难以降解的化合物,使其在机体内浓度超过环境浓度的现象,称作生物富集。
【师】结合教材P64图3-11分析生物富集有什么危害。
【生】对生物体有害,而且富集的物质会沿着食物链逐渐在生物体内聚集,最终积累在食物链的顶端。
(设计意图:运用所学知识,通过比较分析、概括等方法,对生物学问题进行解释。)
【师】生物富集现象也有全球性吗?说说你的理由。
【生】有。它们可通过大气、水和生物迁移等途径扩散,因此具有全球性。
【师】如何有效地减少生物富集现象?
【生】合理利用资源,减少排放,实施垃圾分类,种植能富集有害重金属元素的植物。
(设计意图:形成生态意识,参与环境保护实践。)
探究六:土壤微生物的分解作用
实验一:落叶是在土壤微生物的作用下腐烂的吗?
1.背景资料
土壤中生活着肉眼看不见的细菌、丝状真菌和放射状的放线菌,这些生物的数量是极其繁多的。例如,一茶匙表层土可能含有亿万个细菌。
由于各地气候与环境等因素不同,落叶在土壤中被分解的时间也是不同的。一般在温暖、湿润的环境中需要一至数月时间。
2.提出问题
让学生结合自己的生活经历,列举土壤微生物分解作用的实例,提出想探究的问题。教师予以启发、指导。例如,落叶在土壤中能被分解掉,这究竟主要是土壤的物理、化学因素的作用,还是土壤中微生物的作用呢?
3.作出假设
假设既可以是基于已有的知识或经验作出的解释,也可以是想象或猜测。要鼓励学生大胆提出假设,通过讨论修正自己的假设。最后通过实验验证你的假设是否成立。如:落叶是在土壤微生物的作用下腐烂并最终分解掉的。
4.制订计划
首先,要确定实验变量是什么,需要控制的变量有哪些,如何控制这些变量,等等。其次,要确定探究的地点或场所:在野外?还是在实验室中?第三,设计实验方案。教材中提供了两则案例供学生参考。如:本实验的变量是自然土壤和灭菌土壤,也就是是否有微生物;需要控制的变量包括所有的理化因素、落叶的数量等;要很好地控制这些变量最好在实验室中,可以人为地控制;实验方案设计就是设计一下具体的操作步骤,见下。
5.实施计划
建议实验一在实验室中进行,因为在室外很难控制变量。教师可以巡视,并作必要的指导。
(1)把自然土壤和灭菌土壤分别放到两个无菌操作室中。取相同重量的自然土壤和灭菌土壤放于两个无菌容器中。
(2)加入相同数量的落叶和土壤混匀,并加入等量的无菌水,使土壤湿润即可。
(3)保证无外界微生物的干扰,并保持相同的理化因素以及通入等量的无菌空气。
(4)每五天观察和记录一次,并控制变量和调整变量到适宜。连续观察和记录1个月左右。
6.结果分析:可以将实验过程和现象列表整理,进行对比分析,得出实验结果。注:在考试中可能要你预测可能的结果并作出相应的分析。
7.表达交流:以小组形式进行交流,提出问题,进行修改。
实验二:探究土壤微生物对淀粉的分解作用
1.提出问题:土壤微生物能分解淀粉吗?如分解,那分解成什么?
2.作出假设:土壤微生物能将淀粉分解成可溶性的还原糖。
3.制订计划
(1)变量是微生物的有无。可以用自然土壤浸出液和蒸馏水作对照。
(2)其他的变量有温度、湿度、溶液的量等,要保持相同。
(3)在实验室中进行。
(4)实验步骤的设计。
4.实施计划
具体步骤见教材P66。教师在实验过程中,作必要的提示和指导。
(注:1.实验中的斐林试剂要现用现配,将0.1 g/mL的NaOH和0.05 g/mL的CuSO4等量混合制成斐林试剂,加入斐林试剂后要水浴加热。2.实验时间是几天到几周,所以开始时A、B烧杯中的溶液量可以多些,以后每周观察记录一次)
5.结果分析
可以列表表示,如:
实验结论:土壤微生物能将淀粉分解成可溶性的还原糖。
6.表达交流:同学之间对实验中存在的问题进行质疑,并进行必要的修改。教师可以指导。
课堂小结
生态系统的物质循环物质循环概念特点碳循环模型物质循环与能量流动的关系现实问题生物富集温室效应
布置作业
完成学案中的核心素养专练。
教学反思
“生态系统的物质循环”的主要知识点:以碳循环为例,分析生态系统中的物质循环,举例说出生态系统的物质循环具有全球性,关注碳循环平衡失调与温室效应的关系。这部分知识与目前的低碳生活、环境污染等现实联系紧密,历来是高考考查的重点内容,往往与生态系统的能量流动和全球性生态环境问题等知识联系起来,综合考查学生对知识的理解和运用能力。
本节课首先对“生态系统的物质循环”这一概念进行了剖析,帮助学生对其循环范围、参与物质和循环过程等进行了整体理解,从而得出生态系统物质循环的两个特点——全球性和循环往复运动,并与生态系统的能量流动特点进行了比较、强化。接下来本节课的重点放在碳循环,先利用碳循环过程示意图,详细分析了碳的存在形式、碳的循环形式、碳进入生物群落的途径、大气中CO2的来源,并结合例题帮助学生学会碳循环相关图解的识别方法,再进行及时的练习巩固,进一步加深了对知识的掌握。“运用物质循环原理解释现象和解决问题”是本节课的第二个知识点,也是高考的重点考查方向,用理论解释现实问题,变抽象为具体,使“死”的概念、原理变成“活”的知识,变成一个个我们现实中熟知的案例。理论联系实际,也是我们生物学科核心素养一直强调和努力的方向。
板书设计
第3节 生态系统的物质循环
一、碳循环的过程
二、生态系统物质循环的概念和特点
三、能量流动和物质循环的关系
四、温室效应
五、生物富集
六、探究土壤微生物的分解作用
备课资源
1.氮循环
氮是蛋白质的基本成分,因此,它是一切生命结构的原料。
虽然大气中氮的含量非常丰富(78%),然而氮是一种惰性气体,植物不能直接利用,必须通过固氮作用使游离的氮结合成为硝酸盐或亚硝酸盐,或与氢结合成氨,才能为大部分生物所利用,参与蛋白质的合成。因此,大气中的氮被固定后,才能进入生态系统,参与循环。固氮的途径有三种:(1)通过闪电、宇宙射线、陨石、火山爆发活动等高能固氮,其结果是形成氨或硝酸盐,随着降雨到达地球表面。据估计,通过这种方式固定的氮大约为8.9 kg/(hm2·a);(2)工业固氮,这种固氮形式的能力已越来越大。20世纪80年代初全世界工业固氮能力为3×107 t,到20世纪末,可达1×108 t;(3)生物固氮(最重要的途径),大约为100~200 kg/(hm2·a),大约占地球固氮的90%。能够进行固氮的生物主要是固氮菌,在潮湿的热带雨林中,生长在树叶和附着在植物体上的藻类和细菌,也能固定相当数量的氮,其中一部分固定的氮为植物本身利用。
氮在环境中的循环可用下图表示。植物从土壤中吸收无机状态的氮,主要是硝酸盐,用作合成蛋白质的原料。这样,环境中的氮进入了生态系统。植物中的氮一部分为植食动物所取食,合成动物蛋白质。在动物代谢过程中,一部分蛋白质分解为含氮的排泄物(尿素、尿酸),再经过细菌的作用,分解释放出氮。动植物死亡后经微生物等分解者的分解作用,使有机态氮转化为无机态氮,形成硝酸盐。硝酸盐可再为植物所利用,继续参与循环,也可被反硝化细菌利用,形成氮气,返回大气中。
因此,含氮有机物的转化和分解过程主要包括氨化作用、硝化作用和反硝化作用。
氨化作用:氨化细菌和真菌将有机氮(氨基酸和核酸)分解成为氨与氨化合物,氨溶水即成为NH4+,可被植物直接利用。
硝化作用:在通气情况良好的土壤中,氨化合物被细菌氧化为亚硝酸盐和硝酸盐,供植物吸收利用。土壤中还有一部分硝酸盐变为腐殖质的成分,或被雨水冲洗掉,然后流到湖泊和河流,最后到达海洋,为水生植物所利用。海洋中还有相当数量的氨沉积于深海而暂时脱离氮循环。
反硝化作用:也称脱氮作用,反硝化细菌将硝酸盐转变成氮气。
因此,在自然生态系统中,一方面通过各种固氮作用使氮素进入物质循环,另一方面又通过反硝化作用、淋溶沉积等作用使氮素不断重返大气,从而使氮的循环处于一种平衡状态。
氮循环示意图
2.有关全球气候变暖的原因的争论
全球变暖是指地球表层大气、土壤、水体及植被温度年际间缓慢上升的现象。全球地表气温的最新分析表明,在过去的100多年中,全球地表温度平均上升了0.6 ℃。地球表面温度是由地表接受太阳辐射能(称为太阳辐射或直接辐射)和从地表向大气发出的长波辐射能(散射辐射)所决定的。太阳光主要以可见光的形式到达地球表面,被吸收的能量以红外线的形式散射到大气,它们的一部分被CO2和甲烷等微量气体成分吸收,从而减少了从地表向宇宙空间的散失。如果这些气体成分在大气中增多,逸散的能量就减少,地球就变得越暖和。因此这些气体又称为温室气体。在所有温室气体中,CO2起着最重要的作用。工业革命后大气中的CO2浓度一直是增加的,尤其到了20世纪50年代以后,增加的速率快得惊人。除CO2外,其他温室气体浓度也有明显增加,如大气中的甲烷和氧化氮的体积分数与工业革命前相比,分别增加了145%和15%。由温室气体增加导致全球气候变暖的事实,也可以从大气环流模型的研究中得到证实。因此可以认为,现代的气候变化,尤其是全球气候变暖主要是由大气中温室气体的增加造成的。
对于这样一个结论,有些人持有不同的观点。研究人员任振球通过对地球系统的研究,认为引起20世纪以来全球变暖的原因,自然因素和人为因素都很重要,很难分清何者为主。他强调自然因素的依据在于以下几点。
(1)从太阳活动来看,近百年来反映太阳活动水平的11年周期的太阳黑子活动也呈现增强趋势,与大气CO2浓度的变化趋势和全球变暖的趋势相吻合,说明太阳活动的重要性。
(2)从行星地心会聚的力矩效应看,八大行星地心会聚的力矩效应可使地球的公转半径和公转速度发生改变,从而对千年和百年尺度的气候变化有重要影响。通过计算4颗巨行星(木星、土星、天王星和海王星)的力矩效应,发现它们在近千年来呈相当稳定的准60年的周期变化。20世纪内,这种准周期变化与全球,尤其与北半球气温变化的间隔期60年振动相当一致。地球自转速度也与这种60年间隔期呈大致同步的演变。
(3)从长期气候变化趋势来看,较长时间尺度的气候变化对较短时间尺度的气候变化往往具有控制作用。在千年时间尺度上,目前是处于17世纪的小冰期盛期已过的增暖期,在2020年前后,北半球气候可能进入相对冷期,然后有所回升增暖,到22世纪初可能迅速增温,至22世纪中期又可能迅速降温。
任振球还认为,目前温室效应的观点占上风的原因之一是,在全球气候变化研究中缺少研究地球系统的科学家参与。因此,今后的全球气候变化研究应重视自然因素的研究。
3.土壤微生物的分解作用
土壤内含有松散的颗粒、各种有机物、水以及溶于水的各种无机物和空气,有利于微生物的生存,因此是微生物适宜生长和繁殖的基地。土壤微生物主要聚集在表土层中,它们多以微菌落的形式分布在土壤颗粒和有机物表面及植物根际。土壤中存在许多不同功能的微生物类群,例如,好氧型微生物多生活于土壤表层,并能适应较高浓度的有机养料;而在土壤底层则有较多的好氧、厌氧和兼性厌氧微生物。土壤细菌以异养型为主,这些细菌在1 g土中的总菌数一般可达106~109个,生物量超过全部土壤微生物总量的1/4。所以,细菌是土壤微生物中数量最大、功能最多样的类群。真菌主要分布在土壤表面的枯枝落叶层和表土层中,在土壤形成和肥力提高过程中起重要作用。
微生物通过分泌胞外酶,把底物分解为简单的分子,然后再吸收。细菌通过细胞表面吸收营养物质。真菌可以长出菌丝,穿入难以处理的待分解资源。甚至用一般的酶难以分解的纤维素,真菌菌丝体也能分开其弱的氢键。大多数真菌具有分解木质素和纤维素的酶,它们能分解植物性有机物;而细菌中只有少数具有此能力,但在缺氧和一些极端环境中只有细菌起分解作用。所以细菌和真菌在一起,就能利用自然界绝大多数有机物和许多人工合成的有机物。
项目
能量流动
物质循环
形式
光能→化学能→热能(主要形式)
以无机物形式在生物群落与无机环境间循环
过程
沿食物链(网)单向流动
在无机环境和生物群落间往复循环
范围
生态系统各营养级
生物圈
特点
单向流动,逐级递减
全球性、循环性
联系
(1)二者同时进行,彼此相互依存,不可分割;
(2)能量的固定、储存、转移和释放离不开物质的合成和分解等过程;
(3)物质是能量沿食物链(网)流动的载体;
(4)能量是物质在生态系统中往复循环的动力;
(5)生态系统中的各种组成成分,正是通过物质循环和能量流动,才能紧密地联系在一起,形成一个统一的整体
烧杯(试管)
实验现象
分析结果
加入碘液
加入斐林试剂
A
A1
不变蓝
—
—
A2
砖红色
B
B1
蓝色
—
B2
无砖红色