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高一生物集体备课-3-4-1 种群的特征

[日期:2011-07-12]   来源:生物百花园  作者:生物百花园   阅读:351[字体: ]

一、教学目标

1.列举种群的特征。

2.尝试用样方法调查种群密度。

二、教学重点和难点

1.教学重点

种群的特征。

2.教学难点

样方的选择和确定。

三、教学策略

在进行本节内容的教学之前,教师应当将学生学习生物学的视角从微观、个体水平转到宏观、群体水平上来,阐明从宏观、群体水平上研究生物是生物学科发展的一个重要分支,这也充分反映了自然界生命系统的多层次性。

教材在章引言中就阐述了种群和群落的概念。在本节的教学中,可以通过让学生列举具体的事例,展开讨论来说明种群的概念。例如,一个村庄的居民可以看做是一个种群,一个鱼塘中全部的鲤鱼属于一个种群,等等。种群这一个概念,从字面上看并不难理解,但要让学生能区别具体事例是否属于种群,往往会出现混淆。因此,要引导学生从不同角度来认识和理解种群概念。例如:

──一个种群中有不同年龄的个体;

──一个种群中可能有外表不同的个体;

……

在引导学生理解种群概念时,要与认同生命系统是一个统一整体的思想联系起来。这可以从以下几方面展开教学:(1)种群是宏观、群体水平上研究生物的基本单位,种群不等于个体简单累加,种群内个体之间通过特定关系构成一个整体,表现出个体不具有的特征;(2)个体生命有限,而种群一般不会因为个体的消失而消失;(3)同一区域中往往生活着多个生物种群,不同的种群之间构成一个相互依赖、相互制约的群体。

基于以上认识,教师再进行“种群的特征”的教学就比较顺利了。种群的特征主要表现为数量上的变化,认识和把握种群的数量特征很重要。在日常生活中,人们常常关心某种生物种群的数量变化,如大熊猫还剩多少只?蝗虫有没有达到成灾的密度?老鼠数量有没有增长?人口的出生率和死亡率是多高?

值得注意的是,教材在呈现种群的特征这一内容时,是从问题出发,落脚于对科学方法的学习:调查种群密度的方法。因此,让学生尝试、模仿调查种群密度,是本节的重要教学目标。教学策略要围绕实现这一目标来制定,即要让学生通过具体的活动,完成尝试、模仿的操作。为此,教材中设计了“探究”活动:用样方法调查草地中某种双子叶植物的种群密度。由于这一活动需要在野外进行,且属尝试、模仿层次,故一般可以安排在本节结束时进行。

进行“问题探讨”的教学前,教师最好准备50个(红色)圆形和50个(绿色)三角形随机排列的图案纸,发放给学生(可二人一张),先不告知学生圆形和三角形的具体数目,提出讨论题1,并请学生报告估算的结果,介绍是如何进行估算的。在学生报告的基础上,教师可引入种群密度的概念,并介绍调查种群密度的实践意义。然后,告知学生图案中圆形和三角形的数目,提出讨论题2。在学生讨论的基础上,教师应当简明扼要地说明:(1)“估算”是一种重要的科学方法,在科学研究的许多领域中都要运用;(2)“估算”存在着误差,运用科学方法进行估算可以缩小误差,最大限度地保证得到的结果符合客观事实。

进行调查种群密度的方法的教学时,教师有必要先介绍“抽样调查”的方法。教材中介绍了估算最常用的方法──样方法和标志重捕法。教师应结合“问题探讨”中学生在估算中所运用的方法,进一步让学生讨论:什么是“样方”?如何确定“样方”?要选取几个样方?多取几个样方结果会不会更准确些?结合这些问题的讨论,教师介绍常用的样方法:五点取样法和等距取样法。对于许多动物而言,由于它们活动能力强,活动范围大,不宜用样方法来调查它们的种群密度,而常用标志重捕法。

在教学中,教师可以结合学生比较熟悉的“抽样调查”的具体事例,拓展这种科学方法的内涵和应用领域。例如,每年中央电视台“春节联欢会”收视率的调查;某地区家庭收入情况调查,等等。也可以让学生讨论一些具体的调查方案,例如,怎样调查在学生中,哪些人喜欢玩电脑游戏?(男生还是女生?小学生还是高中生?成绩好的学生还是成绩差的学生?等等)进而使学生了解到“抽样调查”在科学研究中应用的普遍性。

为什么要研究种群密度?教师可以结合生活、生产中的具体事例加以说明。

对于出生率和死亡率等其他数量特征的教学,教师可以从列举一些现象与事例入手。要注意的是,死亡或迁出对种群来说不一定是坏事,因为一些个体死亡或迁出了,在种群中留下空间让新一代个体更好地成长,这样的种群往往生活力更强。

任何种群都是由不同年龄的个体组成的,因此种群形成一定的年龄结构。在进行这部分内容的教学时,可以围绕教材中提出的“思考与讨论”来展开。

表4-1 几种年龄型种群的特点

类型

种群构成特点

发展趋势

增长型 幼年个体很多,老年个体很少 种群密度会越来越大
稳定型 各年龄期的个体数目比例适中 种群密度在一段时间内保持稳定
衰退型 老年个体很多,幼年个体很少 种群密度会越来越小

大多数生物种群都倾向于使雌雄性别比率大约保持1∶1。教学时可以列举一些事例,说明自然界这种现象存在的普遍性(包括人类)。教师可以提问,为什么会出现这一现象?让学生联系性别的决定来讨论这一问题。

教师可就上述特征间相互关系作一小结,如图4-1。

图4-1 种群特征之间的关系

种群的空间特征是选学内容。种群中个体在空间分布的情况往往是多种多样的,例如有均匀分布、随机分布、集群分布等。种群中个体的分布情况构成了空间特征,种群的空间特征是生物与生物之间、生物与环境之间相互作用的结果,并随着条件的改变而发生变化。种群的空间特征是研究种群密度的重要信息。

四、探究指导

“用样方法调查草地中某种双子叶植物的种群密度”是在原形示范和具体指导下,让学生完成尝试、模仿性的操作。应尽可能创造条件,让学生在真实的环境中,按照教材探究活动指导的要求动手操作。

1.提出问题

在着手调查之前,要明确调查的目的,确定探究的问题,带着问题进行调查。这就需要事先对调查区域有所了解。例如,调查区域的环境情况如何?有哪些生物种类?哪些因素影响区域内植物的生长与分布?等等。不做到这一点,就难以理解调查结果,也难以与其他的观察结果进行比较。一般需要了解的因素有:地理位置、环境类型、生物种类和分布情况、气候因素及其他与研究相关的细节,如人为因素、污染程度等。

只有通过认真的观察,才能真正发现有意义的问题,进而提出有研究价值的问题。

2.制订计划

本课题的计划主要是围绕着如何确定“样方”来制订,也即为了获取真正具有代表性样本的信息。有代表性样本的一般原则应该是:随机取样、样本数量足够大、取样过程没有主观偏见等。在自然环境下,生物的生长与分布往往是多种多样的,这就决定了取样的方式不能单一。

一般而言,取样需要考虑的是:样方的定位、样方的大小、样方的数量等问题。就均匀分布的情况而言,只要采取简单的随机取样方法即可,因为种群中每个个体都有相等的被选择机会;而对于其他的分布情况(如系统分布、分层分布、梯度分布等),采取简单的随机取样方法未必能获得有代表性的样本。为了避免简单随机取样方法的不足,可以采用分层随机取样法,即将区域分为若干亚区域,然后在亚区域上进行随机取样。

样方大小应视调查对象的大小和分布情况而定。显然,在森林中对某种树的调查与在草地上对某种草的调查的样方大小是不同的。一般而言,对于分布不规则的种群,多个小样方取样比少数大样方取样效果更好。

样方的数量越多,整体取样花费的时间、精力就越大。为了提高取样的效率,人们总结了一些系统取样的经验,如五点取样法和等距取样法,等等。

此外,制订计划还应当包括团队如何合作以提高工作效率。团队合作是开展本项活动的重要目的之一,在活动之前教师要强调团队合作的重要性;在活动过程中教师要留意各组团队合作的情况,对其计划性、协调性、有效性等作出评判。

3.实施计划

在实施调查的过程中,根据植物的分布和地形情况,做到简便、合理地选择样方并统计样方中的个体数量是本项活动的重点。为了便于学生在实地选择样方,教师可以事先将确定的调查区域绘制成平面图提供给学生,让他们先在平面图上定好样方,再根据既定的方案在实地确定样方。

在统计样方中个体数量时,遇到的问题之一是边缘效应,即如何处理样方边缘上的个体。一般而言,样方顶边、左边及左角处的个体统计在内,其他边缘不作统计。

4.结论

统计好样方中个体数量后,求得样方种群密度的平均值,该平均值即为调查区域该种群密度的估计值。应结合调查区域的相关情况,对该估计值作出生物学的解释。

五、答案和提示

(一)问题探讨

1.提示:可采用课本介绍的两种取样方法取样,用样方法进行估算。也可以将模拟草地平均分成若干等份,求得其中一份的数量后,再估算整体的数量。

(二)探究

1.提示:“问题探讨”中调查对象是完全随机分布的,且调查区域是规则的,调查对象与其他物体的区分是显而易见的,因此,采用样方法得到的估算值与真实情况比较容易接近(误差小)。而在实地调查中,调查对象的分布往往不是随机的,调查区域也往往不是规则的,还有许多其他因素会干扰和影响调查的准确性,因此,采用同样的方法其结果误差会比较大一些。但是,只要掌握了科学的调查统计方法,其误差会控制在允许的范围之内。

2.提示:为了确保所选择的样方具有代表性,不受主观因素的影响,使通过样方统计的结果(估算值)能更接近真实的情况。

3.提示:样方的数量太少,其统计结果的误差可能就较大;一般而言,样方越多,其统计结果越接近真实情况。但是,样方数量太多,整体取样花费的时间、精力就越多。从统计学上看,一定数量的样方即可以保证统计结果的真实性。

4.提示:不同小组对同一种群的种群密度调查结果可能是不一样的。种群密度的调查结果应当允许在一定范围内波动,例如5%以内。如果超出了此范围,在其他条件相同的情况下,造成不一样的原因应当首先归结为采取不同的样方法所致。所以,要针对实际情况,讨论取样方法是否存在问题。

(三)思考与讨论

1.提示:图中A种群属于增长型,C种群属于衰退型,B种群属于稳定型。这是由于种群中年轻个体越多,一般来说出生率会越高,死亡率会越低。

2.提示:年龄组成为稳定型的种群,种群数量也不一定总是保持稳定。这是因为出生率和死亡率不完全决定于年龄组成,还会受到食物、天敌、气候等多种因素的影响。此外,种群数量还受迁入率和迁出率的影响。年龄组成为衰退型的种群,种群数量一般来说会越来越小,但是也不排除由于食物充足、缺少天敌、迁入率提高等原因而使种群数量增长的情况。

(四)练习

基础题

1.约386条。

2.调查鼠的密度可用标志重捕法,调查蚯蚓的密度可用样方法。

3.B。

拓展题

1.提示:个体往往有性别、大小、年龄等特征,种群不具备这些特征。将一定地域中同种生物的所有个体作为一个整体(即种群)来看时,这个整体就会出现个体所不具备的特征,如种群密度、出生率和死亡率等。可见,由部分组成的整体不是部分的简单加和,而是会出现新的属性。

2.提示:随着营养和医疗水平的不断提高,我国人口的平均寿命还会延长;由于实施计划生育,出生率仍将维持在较低水平,因此,老年人在总人口中所占比例可能还会升高。关于现行计划生育政策是否应当调整,可让学生自由发表意见,不求统一的答案。

六、参考资料

1.种群密度的调查方法

种群密度是指种群在单位面积(或体积)中的个体数量,它是一个随环境条件和调查时间而变化的变量。所调查的种群密度为特定时间和特定空间的密度,它反映了生物与环境的相互关系。

根据调查方法的不同,密度可分为绝对密度(absolute density)和相对密度(relative density)两种。绝对密度是指种群在单位面积(或体积)中的个体数量。相对密度是指在一定空间范围内,某一物种的个体数占全部物种个体数的百分比,它只是衡量种群数量多少的相对指标。

种群的绝对密度可用公式d=N/S(d为密度,N为样地内某个种群的个体数目,S为样地面积)来计测。样方法和标志重捕法是调查种群密度(绝对密度)常用的方法。

(1)样方法(quadrat method)

样方法的方法繁多,依生物种类、具体环境不同而有所不同。样方的面积有大有小,样方形状也有方形、长方形、圆形、条带状等多种,但是各种方法的原理却是相同的。首先,在要调查的生物群落中,确定一个或数个范围相对较大区域作为样地;再在样地中随机选取若干个样方;然后计数各样方中的全部个体数量;最后,计算全部样方个体数量的平均数,通过数理统计,对种群总体数量进行估计。

例如,假设随机抽取样方n个,每个样方的生物个体数为X1,X2,X3,…Xn,则样方的平均数X=∑Xn/n;接着,计算标准差SD和标准误差SE。

标准差表示每个变量Xn离开平均数的范围,即变异范围,SD2=∑(Xn-X)2/(n-1)。

标准误差是指样本平均数与总体平均数估计值μ的差异范围,SE2=SD2/n。

有了SE以后,就能够计算出样本平均数作为总体平均数的估计值的可信程度。在95%可置信条件下,总体平均数估计值μ=X±t0.05,df×SE;同样的,在99%可置信条件下,μ=X±t0.01,df×SE。当df>30(df=n-1),查表可得t0.05≈1.96,t0.01≈2.58,由此可以对总体数量进行估计。

(2)标志重捕法(mark-recapture method)

标志重捕法是在一个有比较明确界限的区域内,捕捉一定量生物个体进行标记,然后放回,经过一个适当时期(标记个体与未标记个体重新充分混和分布后),再进行重捕。根据重捕样本中标记者的比例,估计该区域的种群总数。这种方法一般适用于哺乳类、鸟类、鱼类、昆虫和腹足类等动物种群数量的绝对估计。

假定在调查区域中,捕获M个个体进行标记,然后放回原来的自然环境,经过一段时间后进行重捕,重捕的个体数为n,其中已标记的个体数为m,根据总数N中标记比例与重捕取样中标记比例相等的原则,即N∶M=n∶m,可得调查区域种群数量N=M×n/m。

N只是种群总数的估计值,因此,与样方法一样,必须测定该估计值的可置信程度。其中(SE/N)2=(N-M)×(N-n)/[Mn(N-1)]。有了SE以后,就可以求得在95%或99%可置信条件下的种群总数估计值。

2.种群的数量特征之间的关系

种群具有个体所不具备的总体特征,这些指标多为统计指标,大体分为三类:(1)种群密度,它是种群的最基本的数量特征;(2)初级种群参数,包括出生率、死亡率、迁入率和迁出率。出生和迁入是使种群增加的因素,死亡和迁出是使种群减少的因素;(3)次级种群参数,包括性比、年龄结构和种群增长率等。

种群的数量是不断变化的,造成其变化的因素是多方面的,但从个体数量上的变动来看,则表现为由出生、死亡、迁入和迁出四个基本参数所决定。这样,种群在某个特定时间内数量变化可以用下式表示:

Nt+1=Nt+(B-D)+(I-E)

(Nt是时间t时的种群数量,B、D、I、E分别是出生、死亡、迁入、迁出的个体数,Nt+1是一个时期后、时间t+1时的种群数量,则有出生率=B/Nt;死亡率=D/Nt;迁入率=I/Nt;迁出率=E/Nt。)

一个种群中不同年龄级的个体可分为幼年阶段、生殖阶段和衰老阶段。各阶段的年龄级个体数量分布对出生率和死亡率有直接的影响。种群的年龄结构决定着种群数量的变化趋势。因此,研究种群的年龄结构有助于了解种群的发展趋势,预测种群的兴衰。种群性比也影响着种群的出生率,因此也是影响种群数量变化的因素之一。

3.种群的空间特征概述

组成种群的个体在其生活空间中的位置状态或空间布局叫做种群的空间特征或分布型。种群的空间分布一般可概括为三种基本类型:随机分布、均匀分布和集群分布。

随机分布(random distribution)指的是每一个个体在种群分布领域中各个点出现的机会是相等的,并且某一个体的存在不影响其他个体的分布。随机分布比较少见,只有在环境资源分布均匀一致、种群内个体间没有彼此吸引或排斥时才容易产生。例如,森林地被层中一些蜘蛛的分布与面粉中黄粉虫的分布,以种子繁殖的植物在自然散布于新的地区时也经常体现为随机分布。

均匀分布(uniform distribution)的特征是,种群的个体是等距分布,或个体间保持一定的均匀的间距。均匀分布形成的原因主要是由于种群内个体之间的竞争。例如,森林中植物为竞争阳光(树冠)和土壤中营养(根际),沙漠中植物为竞争水分都能导致均匀分布。虫害或种内竞争发生时也可造成种群个体的均匀分布。地形或土壤物理性状呈均匀分布等客观因素或人为的作用,都能导致种群的均匀分布。均匀分布在自然种群中极其罕见,而人工栽培的种群(如农田、人工林),由于人为保持其株距和行距一定则常呈均匀分布。

集群分布(clumped distribution)的特征是,种群个体的分布很不均匀,常成群、成簇、成块或成斑块地密集分布,各群的大小、群间的距离、群内个体的密度等都不相等,但各群大都是随机分布。其形成原因是:①环境资源分布不均匀,丰富与贫乏镶嵌;②植物传播种子的方式使其以母株为扩散中心;③动物的社会行为使其结合成群。集群分布是最广泛存在的一种分布格局,在大多数自然情况下,种群个体常是成群分布,如放牧中的羊群,培养基上微生物菌落的分布,另外,人类的分布也符合这一特性。


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