高中生物人教版 (2019)选择性必修2生态系统的物质循环教案及反思

这是一份高中生物人教版 (2019)选择性必修2生态系统的物质循环教案及反思，共8页。教案主要包含了构建碳循环模型，归纳总结物质循环的概念，生物富集，能量流动和物质循环的关系，探究土壤微生物的分解作用等内容，欢迎下载使用。
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
教材中的“问题探讨”以顽强地在荒漠中生存繁衍的胡杨为素材创设情境问题,问题一引导学生思考胡杨死亡后为何长时间没有腐烂?该问题涉及分解者在生态系统的物质循环中的作用;问题二引导学生思考不同的生态系统中物质组成的差别,其原因与生态系统的生物因素是有关的。这两个问题都涉及物质循环,由此可顺利引入本节内容。
讲授新课
一、构建碳循环模型
1.碳的存在形式
生物体内:含碳有机物(蛋白质、核酸、脂质、糖类等)(存在于活体中,或煤、石油等化石燃料中)。
非生物环境:二氧化碳(主要形成)、碳酸盐(存在于大气、水圈)。
2.碳进入生物群落的形式和途径:CO2,生产者的光合作用或化能合成作用。
3.碳返回非生物环境的形式和途径:CO2,生产者、消费者、分解者的呼吸作用以及化石燃料的燃烧。
4.碳在生物群落中传递的形式:含碳有机物。
5.碳循环的过程
问题串:
(1)从图中看来,什么条件下,生物圈中的碳循环可保持基本平衡(大气中CO2含量基本稳定)?
提示:吸收量=释放量。
(2)哪些活动会打破这种平衡?平衡被打破后会导致什么后果?
提示:①化石燃料的大量燃烧,增加了二氧化碳的排放量;②森林、草原等植被被破坏,减少了二氧化碳的吸收量。
(3)什么是温室效应?
提示:温室气体(如二氧化碳、甲烷、臭氧、一氧化二氮、氟氯烃类气体)可以吸收地球发射的长波辐射,阻挡地球热量向外散出,从而引起地球气温升高的现象。
(4)温室效应有什么严重后果?
提示:极地、高山冰川融化,海平面上升,旱涝不均,病虫害加剧。
(5)怎样缓解温室效应?
提示:①减少化石燃料的燃烧;②大力植树种草;③开发新能源;④秸秆还田,增加土壤储碳量。
(6)从图中可看出碳循环具有什么特点?
提示:全球性、循环性。
二、归纳总结物质循环的概念、特点
1.概念: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,这就是生态系统的物质循环。这里所说的生态系统指的是地球上最大的生态系统——生物圈,物质循环具有全球性,因此又叫生物地球化学循环。
2.特点:全球性(大气环流在全球进行)、循环性(应用:稻田养鸭养鱼)。
三、生物富集
1.参与富集的物质:重金属,如铅、镉、汞,以及一些复杂的有机化合物,如DDT、六六六等。
2.特征:化学性质稳定,不易分解,不易排出,易在动物体内积累。
3.富集途径:(1)通过大气沉降到土壤和植被表面,被植物吸收;(2)通过降雨进入土壤、水体,被动植物吸收而富集;(3)通过生物的迁移运动而富集。
4.生物富集的概念: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。
5.富集的特点:随食物链营养级升高而逐渐积累;具有全球性。
四、能量流动和物质循环的关系
五、探究土壤微生物的分解作用
(1)土壤微生物:细菌、丝状真菌、放线菌(土腥味的来源),数量极其繁多。
(2)作用:分解动植物的遗体残骸,将其中的有机物分解为无机物,或者分泌胞外酶,将淀粉分解为还原糖。
(3)一般气温越高、湿度越大,微生物的种类和数量越多。
实验1 落叶是在土壤微生物的作用下腐烂的吗?
实验组:土壤灭菌处理(60 ℃恒温箱放置1小时);对照组:土壤不做任何处理。
自变量:土壤中是否有微生物;因变量:落叶是否腐烂;无关变量:落叶的种类、土壤的理化性质、落叶被埋入土壤的时间、深度等。
结果:对照组落叶腐烂程度大,实验组落叶腐烂程度小。
实验2 土壤微生物对淀粉是否有分解作用?
实验原理:土壤微生物可以分泌酶,进而将淀粉分解为还原糖,还原糖遇斐林试剂出现砖红色沉淀。
本节课设计意图
本节课注重引导学生建构概念模型,例如,要求学生用关键词、线段、箭头、方框等表示碳循环的过程,有利于学生借助模型更好地理解抽象的碳循环过程。本节通过“与社会的联系”介绍了全球气候变化与二氧化碳排放的关系,以及我国通过大面积种植人工林、秸秆还田等措施固碳,有效地减少了大气中二氧化碳的含量,这样既引导学生关注生态问题,也突出了我国的生态建设,成功渗透了爱国主义教育。
课堂小结
生态系统的物质循环一、物质循环碳循环概念特点二、生物富集三、能量流动和物质循环的关系
布置作业
1.巩固本生态系统的节课所学知识。
2.完成学案中的核心素养专练。
教学反思
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、大气中二氧化碳的来源,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,巩固学生掌握的知识,效果很好。然后由学生分析温室效应产生的原因和缓解措施,由于是实际问题,学生回答得很积极,最后老师总结。从整节课的教学过程来看,由于碳循环和实际生活联系比较紧密,所以学生的参与度高,学习效果比较好。
板书设计
第3节 生态系统的物质循环
一、碳循环
二、物质循环
1.概念
2.特点
三、生物富集
1.概念
2.特点
四、能量流动和物质循环的关系
五、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。
比较
项目
能量流动
物质循环
范围
生态系统各营养级
生物圈
形式
光能→化学能→热能
以无机物和有机物的形式流动
特点
单向流动、逐级递减
全球性、循环往复运动
过程
沿食物链、食物网单向流动
在生物群落和非生物环境之间循环往复
联系
二者是生态系统的主要功能,它们同时进行,相互依存,不可分割;
①能量的固定、储存、转移和释放,都离不开物质的合成和分解等过程;
②物质作为能量的载体,使能量沿着食物链(网)流动;
③能量作为动力,使物质能够不断地在生物群落和非生物环境之间循环往复
组别
A烧杯
B烧杯
淀粉糊
适量、等量淀粉糊
适量、等量淀粉糊
土壤浸出液
30 mL
不添加
蒸馏水
不添加
30 mL
条件控制
20 ℃条件下放置7 d
分组
A1
A2
B1
B2
碘液
+
-
+
-
斐林试剂
-
+
-
+
颜色变化
不变蓝
砖红色沉淀
变蓝
无砖红色沉淀
结论
土壤微生物对淀粉有分解作用