“生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞”的教學(xué)設(shè)計(jì)

張舒

1 教材分析

“生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞”是人教版普通高中生物教科書《必修3.穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》第五章第四節(jié)的內(nèi)容。信息傳遞是繼生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)功能外的又一大功能。在生態(tài)系統(tǒng)中，物質(zhì)循環(huán)是能量流動(dòng)的載體，能量流動(dòng)是生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)力，信息傳遞則決定著能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)的方向和狀態(tài)。教科書介紹了多種多樣的信息傳遞方式，剖析了生物與生物之間以及生物與無機(jī)環(huán)境之間如何聯(lián)系，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生物學(xué)觀點(diǎn)，也為“生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性”這一核心概念作下鋪墊。

2 教學(xué)策略分析

本節(jié)內(nèi)容對(duì)于學(xué)生來說理解并不難。首先，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到信息在人類的日常生活中和自然界普遍存在，并通過引導(dǎo)學(xué)生分析討論出“信息傳遞是生物進(jìn)化的結(jié)果”。雖然教科書中的內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單，但是教師要尋找有價(jià)值有針對(duì)性的素材，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，精心設(shè)置問題，在已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)與新知識(shí)之間給學(xué)生搭建橋梁，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維;運(yùn)用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力、歸納總結(jié)能力、創(chuàng)新思維、橫向遷移知識(shí)的能力等。另外，教師可充實(shí)教材內(nèi)容，使學(xué)生在知識(shí)方面和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力方面得以拓展和提升。

3 教學(xué)目標(biāo)

①舉例說出生態(tài)系統(tǒng)中信息的種類;說出信息傳遞在生態(tài)系統(tǒng)中的作用;描述信息傳遞在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

②基于對(duì)視頻、圖片、資料的分析討論，利用角色扮演，嘗試應(yīng)用信息傳遞在生態(tài)系統(tǒng)中的作用，提高科學(xué)思維的能力;設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究雌蛾是否能分泌化學(xué)物質(zhì)吸引雄蛾前來交尾，提高科學(xué)探究的能力。

③體驗(yàn)生態(tài)系統(tǒng)中信息傳遞的重要性;培養(yǎng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木?認(rèn)同信息傳遞是長(zhǎng)期生物進(jìn)化的結(jié)果，生物與環(huán)境是統(tǒng)一的整體。

4 教學(xué)重難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：準(zhǔn)確區(qū)分生態(tài)系統(tǒng)中信息的種類;深入理解信息傳遞在生態(tài)系統(tǒng)中的作用。

教學(xué)難點(diǎn)：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，證明雌蛾能分泌性外激素吸引雄蛾前來交尾。

5 教學(xué)準(zhǔn)備

學(xué)生帶著問題預(yù)習(xí)教材;教師收集生態(tài)系統(tǒng)中信息的種類、信息傳遞的例子、信息傳遞在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用的資料等制作視頻和多媒體課件。

6 教學(xué)過程

6.1 創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課

教師播放諜戰(zhàn)電影《風(fēng)聲》的片段，提出問題：在戰(zhàn)爭(zhēng)中情報(bào)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性的作用實(shí)在是太重要了。從古至今，信息在人們的生活中是非常常見的，21世紀(jì)就是信息時(shí)代，更可以說得信息者得天下。什么是信息呢？

學(xué)生：手機(jī)、電視、電腦、報(bào)紙……

教師：一般將可以傳播的消息、情報(bào)、指令、數(shù)據(jù)與信號(hào)等稱作信息。我們?nèi)祟愲x不開信息，事實(shí)上，信息也廣泛存在于生態(tài)系統(tǒng)中，而且時(shí)常發(fā)揮著奇妙的作用！

6.2 學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)中信息的種類

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)圖1及課前預(yù)習(xí)的內(nèi)容，將所呈現(xiàn)的若干生態(tài)系統(tǒng)中的信息種類進(jìn)行分類：

①哺乳動(dòng)物的體溫;

②鳥類嗚叫;

③紅外線;

④螢火蟲發(fā)光;

⑤植物分泌的化學(xué)物質(zhì);

⑥電磁波;

⑦昆蟲發(fā)出的聲音;

⑧昆蟲的性信息素;

⑨植物開花;

⑩薊的刺;

?紫外線;

?竹外桃花三兩枝，春江水暖鴨先知;

?蜜蜂跳舞。

學(xué)生對(duì)②、④、⑨的意見不統(tǒng)一，有的認(rèn)為是物理信息，有的認(rèn)為是行為信息。教師先不做講解，留個(gè)懸念。

教師指導(dǎo)學(xué)生按照信息傳遞的一般過程尋找信息分類的依據(jù)，找出它們的本質(zhì)區(qū)別，并完成表1。

教師引導(dǎo)，拔高提升：生態(tài)系統(tǒng)中物理信息和化學(xué)信息的分類依據(jù)是信道.而行為信息的分類依據(jù)是信源，這就會(huì)導(dǎo)致三種信息可能會(huì)產(chǎn)生交集。如“鳥類的嗚叫”屬于哪類信息？如果從信源角度分析，“鳥類的嗚叫”是鳥類的行為，屬于行為信息。如果從信道角度分析，鳥類通過聲音傳遞信息，那么“聲”又屬于物理信息。這時(shí)，可從信宿的角度去區(qū)分物理、化學(xué)、行為信息。如“植物開花”屬于哪種信息？對(duì)于傳粉昆蟲而言，如果是被花瓣的艷麗顏色吸引過來，屬于物理信息;如果是被花朵散發(fā)的香氣吸引過來，則屬于化學(xué)信息;當(dāng)然傳粉昆蟲可能同時(shí)被顏色和香氣吸引，所以自然界中的信息傳遞是多渠道的復(fù)雜的。

教師出示生物學(xué)事實(shí)，要求學(xué)生小試牛刀進(jìn)行正確分類：

①稻草人驅(qū)趕鳥類;

②螢火蟲發(fā)光;

③老馬識(shí)途;

④分別從雌鳥和獵鷹的角度分析，求偶炫耀的雄鳥;

⑤將一只椿象殺死，盡管做得干凈無聲，也引起了其他椿象的逃跑。

教師展示探究實(shí)驗(yàn)“雌蛾是否通過分泌某種化學(xué)物質(zhì)吸引雄蛾前來交尾”的資料。

資料一：1904年，法國(guó)著名昆蟲學(xué)家法布爾做了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)，在一個(gè)風(fēng)雨交加的夜晚，在一間被森林包圍的黑屋里，他把一只雌蠶蛾扣在紗籠里，盡管狂風(fēng)暴雨，當(dāng)天晚上還是有40多只雄蠶蛾穿過風(fēng)雨趕來交配。第二天晚上，法布爾在雌蛾周圍撒滿樟腦和汽油.但一點(diǎn)也沒影響雄蛾尋找雌蛾。

教師提出問題：

①法布爾所做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是什么？法布爾的實(shí)驗(yàn)是否嚴(yán)謹(jǐn)？

②通過法布爾的實(shí)驗(yàn)，雌雄蠶蛾之間通過哪種信息傳遞性信號(hào)的？能否加以證明？實(shí)驗(yàn)器材：處于生殖期的雌雄蛾、帶有瓶塞的玻璃瓶、濾紙f可吸附化學(xué)物質(zhì)）

學(xué)生：①法布爾實(shí)驗(yàn)的目的是探究雌雄蠶蛾通過什么方式進(jìn)行信息傳遞的，不夠嚴(yán)謹(jǐn)，缺少對(duì)照試驗(yàn)。②雌雄蠶蛾之間可能通過化學(xué)信息進(jìn)行傳遞的。

教師參與學(xué)生的討論，并給予指導(dǎo)。學(xué)生派代表發(fā)言。

小組1：對(duì)照組：生殖期的雌蠶蛾+帶塞玻璃瓶;實(shí)驗(yàn)組：生殖期的雌蠶蛾+未加塞的玻璃瓶。對(duì)照組沒有雄蛾前來交尾，實(shí)驗(yàn)組有雄蠶蛾來交尾。

教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，大部分學(xué)生都贊同這個(gè)設(shè)計(jì)，有對(duì)照試驗(yàn)，能達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。只有少?shù)學(xué)生能提出質(zhì)疑：實(shí)驗(yàn)組可能是雌蠶蛾發(fā)出的聲波或光波吸引了異性。于是對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。

小組2：對(duì)照組：（未被生殖期的雌蠶蛾處理過）濾紙+未加塞的玻璃瓶;實(shí)驗(yàn)組：（被生殖期的雌蠶蛾處理過）濾紙+未加塞的玻璃瓶。對(duì)照組沒有雄蛾前來交尾，實(shí)驗(yàn)組有雄蠶蛾來交尾。

教師：看來，同學(xué)們的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和法布爾有異曲同工之處。法布爾又做了一個(gè)更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)，分為三組：雌蛾+透氣籠子，雄蛾飛來;放置過雌蛾的濾紙+透氣籠子，雄蛾飛來;雌蛾+不透氣籠子，雄蛾沒有飛來。

設(shè)計(jì)目的;通過以上活動(dòng)讓學(xué)生充分地理解生物采取不同的手段適應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)。信息交流是生物適應(yīng)環(huán)境的一種重要形式，作用不可忽視。

6.3 學(xué)習(xí)信息傳遞在生態(tài)系統(tǒng)中的作用

教師提供資料，并提出問題：既然信息傳遞這樣重要，那么，信息傳遞在生態(tài)系統(tǒng)中有何作用呢？

資料一：蝙蝠對(duì)周圍環(huán)境的識(shí)別，取食與飛行，幾乎完全依賴聲波。蝙蝠通過自身發(fā)出聲波，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行“回聲定位”;有些植物，像萵苣、茄、煙草的種子必須接受某種波長(zhǎng)的光信息，才能萌發(fā)生長(zhǎng)。

資料二：自然界中，植物開花需要光信息刺激。當(dāng)日照時(shí)間達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，植物才能夠開花。許多動(dòng)物都能在特定時(shí)期釋放用于吸引異性的信息素。經(jīng)過科學(xué)家的收集、分離和測(cè)定，現(xiàn)已確定了200余種昆蟲信息素的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，其中大部分是用來傳遞性信號(hào)的。

資料三：2001年，科學(xué)家們?cè)谘芯恐参锱c草食性昆蟲之間的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象。當(dāng)煙草植株受到蛾幼蟲攻擊后，能夠產(chǎn)生和釋放一種可揮發(fā)的化學(xué)物質(zhì)，白天可以吸引蛾幼蟲的天敵——捕食者;夜間又能夠驅(qū)除夜間活動(dòng)的雌蛾，使它們不能停留在葉片上產(chǎn)卵。

教師提出問題串，引導(dǎo)學(xué)生分析：

①針對(duì)資料一，信息傳遞與生命活動(dòng)的正常進(jìn)行有什么關(guān)系？

②針對(duì)資料二，信息傳遞在種群的繁衍過程中起什么作用？

③針對(duì)資料三，煙草釋放的信息素，在白天與夜間是否都使它本身收益？信息傳遞在群落水平上有什么作用？

④根據(jù)上述所有資料，分析信息傳遞與物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的關(guān)系如何？它們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性都起到怎樣的作用？

⑤信息傳遞除了在個(gè)體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)水平上傳遞外，其他生命層次上有沒有信息傳遞？

⑥信息傳遞還有沒有其他作用？

教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出：

①在群落水平上，可以反饋性調(diào)節(jié)種間關(guān)系。

②在生態(tài)系統(tǒng)中，物質(zhì)循環(huán)是基礎(chǔ)，能量流動(dòng)是動(dòng)力，信息傳遞決定著物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的方向和狀態(tài)。三者都是生態(tài)系統(tǒng)的功能，共同維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。信息傳遞是生物進(jìn)化的結(jié)果。

③回憶必修一細(xì)胞膜的功能：進(jìn)行細(xì)胞間的信息交流，屬于細(xì)胞水平的信息傳遞。信息傳遞在生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在，發(fā)揮著重要的功能。

④生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞是生態(tài)學(xué)新的研究領(lǐng)域，目前人們只能模糊地認(rèn)識(shí)自然界的這種“對(duì)話”。這一領(lǐng)域中尚有許多問題有待發(fā)現(xiàn)和深入研究。期待將來的你們?yōu)槿祟惔蜷_更多生態(tài)系統(tǒng)中信息傳遞的奧秘。

6.4 信息傳遞在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

教師提出問題，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的實(shí)際運(yùn)用：假如你是一位養(yǎng)殖大戶，如何讓養(yǎng)殖場(chǎng)中的雞多下蛋？假如你是一位農(nóng)場(chǎng)主，如何讓農(nóng)場(chǎng)中的害蟲數(shù)量減少，提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量？

7 教學(xué)反思

本節(jié)內(nèi)容難度雖不大，主要內(nèi)容屬記憶性知識(shí)。如果教師不充分備課和挖掘教材，學(xué)生容易出現(xiàn)“吃不飽”的現(xiàn)象，教師容易出現(xiàn)“讀教材”的現(xiàn)象。這顯然違背教材在生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)之后加入這節(jié)新課的初衷。生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞作為生態(tài)系統(tǒng)三大功能之一，與生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)同等重要。學(xué)生不僅僅要了解信息的種類、信息傳遞在生態(tài)系統(tǒng)中的作用以及信息傳遞在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，更要從個(gè)體、種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)等層面理解信息傳遞，進(jìn)而理解“信息傳遞決定物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的方向和狀態(tài)，三者是統(tǒng)一的整體，共同決定生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性”。教師甚至可以引導(dǎo)學(xué)生回憶微觀細(xì)胞層次上的信息傳遞，適當(dāng)挖掘知識(shí)的深度，既能培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維能力和新舊知識(shí)的遷移能力，又能使學(xué)生樹立從宏觀到微觀的生命系統(tǒng)信息觀、結(jié)構(gòu)和功能適應(yīng)觀。

教師以資料的形式將課外實(shí)踐活動(dòng)中法布爾所做的性外激素科學(xué)發(fā)現(xiàn)史呈現(xiàn)給學(xué)生，設(shè)置一系列有梯度的問題串，引導(dǎo)學(xué)生分組討論，合作探究，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣同時(shí)，培養(yǎng)他們的科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)探究能力。