引入学术成果的“生态系统信息传递”一节教学设计

刘 兵 赵 棣 姜万录

（1.吉林师范大学生命科学学院 吉林四平 136000）

（2.吉林省梨树县第一高级中学 吉林四平 136500）

“生态系统的信息传递”是高中生物人教版《必修3·稳态与环境》第五章第四节的内容。该节内容主要包括生态系统中的信息种类、信息传递在生态系统中的作用和信息传递在农业生产中的应用这三部分内容。本节课内容是在学完生态系统基本功能“物质循环和能量流动”基础上的对生态系统基本功能的延伸，同时为“生态系统的稳定性”做了铺垫，起到承上启下的作用。教师在教学中先引入前沿学术研究成果，使学生在剖析学术材料过程中发展科学思维和科学探究等学科核心素养；然后，结合课本内容进一步深化这部分内容的理解。这样有助于学生形成物质、能量与信息观和稳态与平衡观以及增强社会责任感。

1 引入学术研究，感知新知

教师提出问题：大家知道偷听吗？通常偷听都是人类才有的动作，但是大家知道动物也存在偷听行为吗？并展示物种间截断式偷听的研究实验：物种间截断式偷听的研究分别使用了行为观测和人为播放鸟类报警录音的方法，比较了戴胜（独居物种）和斑鸫鹛（社会性物种）对于彼此存在和互相发生警报声的不同反应。通过野外观测，定量研究和分析了3个方面的内容：（1）戴胜和斑鸫鹛共处的时间比例与斑鸫鹛种群大小之间的关系；（2）戴胜在独处时与和斑鸫鹛种群共处时的行为特征；（3）通过人为播放斑鸫鹛和戴胜的报警声，观察戴胜和斑鸫鹛对于异种警戒叫声录音的反应。从上述研究中，可以得出什么结论？

2 分析实验结果，理解新识

2.1 物种间截断式偷听的研究实验分析

通过对野外研究观测结果的图表分析可知，戴胜和斑鸫鹛栖息在同一片区域，经观察发现，斑鸫鹛种群越大，戴胜与其呆在一起的时间比例越高（图1）。例如，当斑鸫鹛种群达到9只时，戴胜有接近80%的时间和其呆在一起活动。对斑鸫鹛和戴胜的行为进行观察，发现：（1）戴胜独处时觅食时间比例较少，仅为30%，而与斑鸫鹛种群在一起时其觅食时间大大增加，时间比例约为60%（图2A）；（2）戴胜独处时用于警惕的时间比例较高，达到20%，而戴胜与斑鸫鹛种群在一起后用于警戒的时间显著地减少（图2B）；（3）戴胜独处时觅食效率较低，仅为0.2 g·min-1，而与斑鸫鹛种群在一起时其觅食效率大大增长，约为0.3 g·min-1（图2C）；（4）戴胜独处时在树上觅食时间比例很大，几乎为100%；而与斑鸫鹛种群在一起时其在树上觅食时间比例显著降低，仅为70%，这表明戴胜有30%的时间到地面上觅食，扩展了觅食范围（图2D）。因此，可以总结出：在独居性鸟类（戴胜）与社会性鸟类（斑鸫鹛）一起活动的情况下，戴胜获得了很大的生存利益。通过人为播放社会鸟类（斑鸫鹛）的报警声，观察独居性鸟类（戴胜）对于斑鸫鹛报警叫声的反应（图3）。在播放斑鸫鹛的报警声后，戴胜选择逃走躲藏的概率约为90%，变得警惕的概率约为10%。与此形成对照是，在播放戴胜的报警声后，斑鸫鹛几乎不会选择逃走躲藏，变得警惕的概率约为60%，无反应的概率约为40%。

由此得出结论是：斑鸫鹛的警报声是一种信息，戴胜可以通过这种偷听行为获得许多好处。当斑鸫鹛种群数量越大，种群内的哨兵报警机制越有效，因此戴胜和其呆在一起的时间比例越高。戴胜通过偷听斑鸫鹛种群内的报警声，其行为发生巨大改变，可以极大减少自己的警戒时间，显著增加了觅食时间和觅食效率，不需要长时间在树上觅食，可以进入到更多的地面栖息地和能够挖掘更多的地下食物种类，从而扩展自己的生态位。

3 回归教材内容，深化新知

3.1 生态系统中信息的种类

教师针对上述实验，提问问题：戴胜通过偷听获得的斑鸫鹛的警报声属于什么种类的信息？学生阅读教材并回答问题。接着，学生试着举出他们所知道的生物间信息传递的例子并分析属于物理、化学、行为哪种信息，并练习相关习题以保证对信息的类型准确区分。

3.2 信息传递在生态系统中的作用

通过上述实验，学生能够认识到生物可以通过信息传递来调节自身行为。教师进一步举例：蝙蝠的回声定位，蝙蝠通过发射超声波，碰到物体后返回来进而分析物体性状，这可以帮助蝙蝠确定障碍物或食物的距离和方位从而使其在黑暗中找到方向；孔雀开屏，雄孔雀通过这种行为，向雌孔雀炫耀自己并达到求偶的目的，雌孔雀也会开屏，但其目的不是求偶而是对侵入自己领地的同类的警告。上述例子促进学生思考信息传递在生态系统中的作用，从而更加直观具体地理解书中阐述的“信息传递对于个体、种群以及生态系统的作用”。在生态系统中，物质循环、能量单向流动、信息相互传递缺一不可；物质是流动的基础、能量是循环的动力，信息传递将生态系统各部分联系成一个整体，三者共同维持生态系统的稳定。

3.3 信息传递在农业生产和实际生活中的应用

通过对信息传递的学习，教师引导学生积极探讨有关于信息传递在生产生活中的应用以拓展学生思维。学生讨论后，列举其应用：（1）提高农、畜产品的产量，如以模拟的动物信息引诱昆虫对作物进行传粉从而使作物更好地受粉，提高产量；在母鸡产蛋时改变照明时间以及光色会影响产蛋率；（2）防治有害物种，目前人们对于虫害的防治更倾向于生物防治，如某些化学物质可以干扰动物交配，通过影响种群繁殖降低有害物种的个体数量，可以更好地消灭害虫从而保证作物产量。教师提倡生物防治，增强学生“保护环境、减少污染”的社会责任意识。

新知学完之后，教师再引导学生列表比较生态系统三大基本功能的区别与联系，不仅有助于学生全面理解生态系统三大基本功能的相关原理，而且对于解决当前全球性环境问题有重要的指导意义。

总之，教师结合生物学前沿的研究成果，采用调查数据分析和实验设计等方式，让学生接触与教学内容紧密关联的有趣科学知识，利用所学知识分析问题并作出合理的解释。这样的学习过程不仅激发了学生的学习兴趣，还锻炼了学生的科学思维，培养了科学探究能力。教学中，教师尝试通过选择合适科学文献素材，丰富教学内容，才能做到寓教于乐，寓教于趣。