人教版（2019）选择性必修二 生物与环境
第3章 生态系统的结构
第2节 生态系统的能量流动 教案
一、教材分析
本节课为人教版（2019）《选择性必修2 生物与环境》第3章《生态系统及其稳定性》第2节《生态系统的能量流动》。《普通高中生物学课程标准》的课程设计思路中明确指出，选择性必修2《生物与环境》模块重在引导学生“理解生命活动的本质，了解系统分析的思想和方法”。在具体的内容标准中，要求学生通过学习本节内容学会分析生态系统中的能量在生物群落中单向流动并逐级递减的规律；举例说明利用物质循环和能量流动的规律，人们能够更加科学、有效地利用生态系统中的资源；解释生态金字塔表征了食物网各营养级之间在个体数量、生物量和能量方面的关系。通过本节内容的学习，引导学生提高对生命系统与环境关系的认识，这对于指导学生树立人与自然和谐相处的观念、形成生态意识、环保意识和践行绿色低碳生活方式是十分重要的。
教材开篇让学生代入小说中的主人公遭遇的情境，目的在于让学生通过对流落荒岛时的生存策略选择引发认知冲突，激发学习兴趣，进而介绍能量流动的概念。教材还借助研究能量流动的基本思路，引导学生掌握研究能量流动的科学方法，为后续引导学生分析能量流动的过程奠定基础。随后，教材以生态系统中能量的最初来源——太阳能为起点，引导学生逐步分析能量流经第一营养级、第二营养级的流动过程。接着，列举了林德曼研究赛达博格湖生态系统能量流动过程的实例，引导学生自主归纳概括出生态系统中能量流动的特点。因为用金字塔模型表示各营养级之间的能量关系能明确体现出生态系统中能量流动的特点，教材介绍了能量金字塔，还有数量金字塔和生物量金字塔。最后，联系社会生产实践，引导学生分析研究能量流动的实践意义，归纳了人类利用能量流动的特点指导生产实践的措施。通过探究·实践活动提高学生的调查研究能力，通过思维训练栏目锻炼学生的分析和处理数据的能力。
二、设计思路
首先利用课本“问题探讨”的内容引入新课，一方面引发学生的共鸣，另一方面引发认知冲突，激发学习兴趣。结合细胞能量代谢的知识理解生态系统中能量流动的含义。通过研究能量流动的基本思路，引导学生掌握研究能量流动的科学方法。通过对教材中图3-5、3-6的分析，理清摄入量、同化量、粪便量等的关系，引导学生构建生态系统能量流动的模型，概述能量流动的过程。结合林德曼研究的赛达博格湖能量流动图解，引导学生定量分析，概括能量流动的特点。随后，再通过构建生态金字塔，包括能量金字塔、数量金字塔和生物量金字塔，分析哪种金字塔能较为客观地反映各种生物在生态系统能量转化中的作用。最后，通过对农田生态系统进行实例分析，引导学生理解研究能量流动的实践意义。
三．学情分析
初中生物学已学习过生物和生物圈中的相关知识，学生通过课本、生活经验、科普读物等对生物与环境的关系、生态系统的概念已经具备基本的了解。本章第一节学生已经学习了生态系统的结构，明确了生态系统的范围和生态系统的结构，知道生态系统的能量流动是沿着食物链和食物网进行的。教师要在学生已有知识的基础上，进一步引导学生通过问题探讨初步建立能量流动的概念。通过实例分析，构建生态系统能量流动的模型，结合图示概述能量流动的过程。通过对赛达博格湖能量流动图解的定量分析，概括能量流动的特点。基于林德曼提供的赛达博格湖能量流动的数据，构建生态金字塔，体现能量流动的特点。通过对农田生态系统进行实例分析，让学生体会研究能量流动的实践意义，提高对生命系统与环境关系的认识，树立人与自然和谐相处的观念、形成生态意识、环保意识和践行绿色低碳生活方式。学生通过对现象的分析到对本质的探讨，提高了归纳与概括、模型与建模、批判性思维等科学思维能力。
四、教学目标和素养目标
1. 生命观念：通过分析能量在营养级之间的流动情况和赛达博格湖的能量流动，概述生态系统中能量流动的过程和特征，形成物质与能量观。
2. 科学思维：构建生态金字塔表征生态系统中各营养级间的能量、生物量或数量关系。
3. 科学探究：通过图示构建生态系统能量流动的过程，学会研究能量流动的科学方法。
4. 社会责任：概述生态系统能量流动的意义；运用生态系统能量流动的特点指导农业生产实践，提升社会责任感。
五、教学重难点
1.教学重点
生态系统中能量流动的过程。
2.教学难点
（1）分析生态系统能量流动的过程。
（2）尝试调查当地某生态系统的能量流动的情况。
六、教学方法
多媒体辅助教学法和传统教学手段相结合，选用大量的图片、资料制成课件，问题导学法引导学生阅读、观察、分析和讨论，学生表达交流，教师评价总结。
七、课时安排
2课时。
八、教学过程
（一）导入新课
【教师】问题探讨：假设你像小说中的鲁滨逊那样，流落在一个荒岛上，那里除了有能饮用的水，几乎没有任何食物。你身边尚存的食物只有一只母鸡和15kg玉米。你认为以下哪种生存策略能让你维持更长的时间来等待救援？
1. 先吃鸡，再吃玉米。
2. 先吃玉米，同时用一部分玉米喂鸡，吃鸡产下的蛋，最后吃鸡。
【教师】鲁宾逊的选择，他要先吃鸡，再吃玉米。（即选择1)可是他的这个选择得到了老母鸡的抗议，对于母鸡的抗议，我们是可以理解的。我们必须给母鸡一个合理的解释，消除母鸡的不满情绪，请同学们分析这两条途径的能量变化来帮助鲁宾逊向老母鸡作出合理的解释。
【学生】先吃鸡，再吃玉米（即选择1)能量损失少，若选择2, 则增加了食物链的长度，能量在流动过程中逐级递减，最后人获得的能量较少。
【教师】这个解释就用到了我们这节课的内容《生态系统的能量流动》。
【教师】一切生命活动都伴随着能量的变化。没有能量的输入，也就没有生命和生态系统。什么叫作生态系统的能量流动？
【学生】生态系统中能量的输入、传递、转化和散失过程。
【教师】如何研究能量流动这一复杂的过程呢？我们从一个生物个体人手。每个个体都有能量输入，输入的能量都已两个出路：储存在体内的能量，呼吸作用散失的能量。
【教师】 以个体为研究对象，有很大的局限性和偶然性，如果个体死亡，数据可能不准确；不同个体间差异过大。在一定空间范围内，同种生物所有个体形成的集合叫作种群，研究生态系统中能量流动一般在群体水平上如果将这个种群作为一个整体来研究，上图可以简化成什么模式呢？
【教师】将一个营养级的所有种群作为一个整体来研究能量流动。可以比较精确地测量每一个营养级能量的输人值和输出值。这样，我们就得到了一个可以分析生态系统能量流动的模型，有了它，我们就可以将复杂的过程简单化。下面我们就用这个模型来研究生态系统的能量流动。在玉米→鸡→人这个食物链中，能量是如何输入、储存和散失的呢？
【教师】(生产者)玉米的的能量来自哪里？
【学生】太阳
【教师】太阳能如何被(生产者)玉米吸收？
【学生】被(生产者)玉米通过光合作用将太阳能转化为化学能，使太阳能输人到生态系统中。
【教师】输入的总量是多少？
【学生】(生产者)玉米通过光合作用所固定的能量，即玉米的同化量.
【教师】输入生态系统的总能量又可以描述为第一营养级的同化量，那么什么是同化量呢？即生物在同化作用（是指生物体把从外界环境中获取的营养物质转变成自身的组成物质,并且储存能量的过程）过程得到的能量。对于植物来说，同化作用具体指的是植物光合作用固定的太阳能，对于动物来说指的是动物消化吸收的有机物中的能量。
【教师】注意：某一营养级从外界环境中得到的全部化学能。并不是所有生态系统的能量输入都只有生产者。人工鱼塘等生态系统的输入能量还包括饲料中有机物中的能量。能量流动并不是只在食物链（网）中传递。生产者、消费者的遗体中的能量会流入分解者。
【教师】(生产者)玉米固定的太阳能，全部用于生产者的生长、发育和繁殖了吗？如果不是，还用来干什么了？
【学生】不是，(生产者)玉米固定的太阳能，除了用于生产者的生长、发育和繁殖等生命活动，储存在植物体的有机物中外。还有一部分在生产者的呼吸作用中以热能的形式散失了；
【教师】用于(生产者)玉米生长、发育和繁殖的那部分能量又有哪些去向？
【学生】构成植物体的有机物中的能量，一部分随着残枝败叶等被分解者分解而释放出来；另一部分则被母鸡(初级消费者)摄入体内，这样，能量就流入了第二营养级。
【教师】输入(生产者)玉米第一营养级的能量即(生产者)玉米同化量中，一部分会被母鸡摄入体内，一部分在呼吸作用中以热能形式散失，还有一部分则会随植物的落叶、遗体等被分解者分解。
【教师】太阳照射在(生产者)玉米上的太阳能都被吸收了吗？
【学生】只有1%可见光。
【活动一】模型构建：能量流经第一营养级的过程
【教师】生产者的同化量=生产者呼吸作用散失量+净同化量（用于自身生长、发育、繁殖等生命活动的能量 ）
净同化量（用于自身生长、发育、繁殖等生命活动的能量）=流入下一营养级 +被分解者利用。
即 同化量＝呼吸散失量＋流入下一营养级＋被分解者利用
【教师】{初级消费者)母鸡捕食(生产者)玉米，能量就流入了第二营养级，那么（初级消费者)母鸡的同化量和（初级消费者)母鸡的摄入量有何区别呢？（母鸡的摄入量是否等于同化量？）母鸡的能量有何去路？
【教师】{初级消费者)母鸡捕食(生产者)玉米，并不能将(生产者)玉米有机物中的能量全部消化吸收，而初级消费者消化吸收的那部分有机物中的能量即初级消费者的同化量，未被消化吸收的则以粪便的形式排出体外，粪便内含有机物的能量称为初级消费者的粪便量。所以初级消费者同化量≠初级消费者粪便量，同化量=摄入量-粪便量,粪便中的那部分能量最终是被分解者利用了。同化量中有一部分是在呼吸作用中以热能形式散失了，余下的部分用于自身的生长、发育和繁殖，也就是用于自身体重的增加的有机物中所储存的能量。这部分能量中一部分是在动物死后，随遗体残骸等被分解者利用散失了，还有一部分才可以流入下一营养级。那么初级消费者的同化量的来源和去向如何？
【活动二】模型构建：能量流经第二营养级的过程
【教师】初级消费者的同化量=初级消费者的摄入量–初级消费者的粪便量
初级消费者的同化量=初级消费者呼吸作用散失量+用于自身生长、发育、繁殖等生命活动的能量（储存在有机物中）
用于自身生长、发育、繁殖等生命活动的能量（储存在初级消费者有机物中的能量）=下一营养级同化量+分解者利用量（+未利用的能量）。
即同化量=呼吸散失+分解者+流入下一级+未利用
【教师】最高营养级的能量去向：1.呼吸作用散失；2.分解者利用
【活动三】模型构建：构建食物链的能量流动模型
【教师】图中单向箭头表示能量单向流动 ，箭头由粗到细表示流入下一营养级的能量逐级递减。方框从大到小表示随营养级的升高，储存在生物体内的能量越来越少。
【教师】通过以上学习，你能总结出各营养级同化的能量去向有哪些?
①正常生长时(适用于各个营养级)：
同化量=呼吸作用散失量+用于自身生长、发育、繁殖等生命活动的能量（储存在有机物中）
用于自身生长、发育、繁殖等生命活动的能量=下一营养级同化量+分解者利用量（+未被利用量）
②捕食时（不适用于生产者）：同化量=摄入量—粪便量
强调：某一营养级的粪便量不属于该营养级的同化量，而是属于上一营养级的同化量中流向分解者的那部分。
③被捕食时（不适用于最高营养级）：同化量=呼吸作用散失量+下一营养级同化量+分解者利用量（+未被利用量）（短时间未利用：煤炭、石油）
强调：
1.若问：某营养级的能量最终去向能量（长期看）有三个出路包括呼吸散失+分解者+流入下一级
2、若问：某营养级的能量某段时间内的去向（短期看），能量有四个出路包括呼吸散失+分解者+流入下一级+未利用
强调：此处未被利用的能量是指未被自身呼吸作用消耗，未被下一营养级和分解者利用的能量。
强调：某一营养级的同化量流向分解者的途径有2种：第一，消费者的遗体残骸或生产者的遗体残枝败叶流向分解者，第二，下一营养级的粪便流向分解者。
学生上台完成下面知识点小结。
【教师】生态系统中能量流动的源头是什么？
【学生】太阳。
【教师】能量流动的起点是什么？
【学生】从生产者固定的太阳能开始。
【教师】输入生态系统的总能量是什么？
【学生】生产者固定的太阳能
【教师】能量流动的渠道是什么？
【学生】有机物中稳定的化学能通过食物链、食物网的渠道进行传递。
【教师】生态系统中的能量最终以什么样的形式散失？
【学生】通过呼吸作用以热能的形式散失。
【教师】能量的转化：太阳能→有机物中的化学能 →热能
思考：
1.生态系统中的能量流动和转化是否遵循能量守恒定律？为什么？
答：遵循能量守恒定律。能量在生态系统中流动、转化后，一部分储存在生态系统生物体的有机物中，另一部分在呼吸作用中以热能形式散失，两者之和与流入生态系统的能量相等。
2.流经某个生态系统的能量能否再次回到这个生态系统中来？为什么？
答：不能，能量流动是单向的。由于每一营养级和分解者都需要呼吸作用以热能的形式散失掉一部分能量，能量逐级递减，营养级越高，散失的能量越多，食物链越长，人获得的能量减少。
【教师】所以，流落荒岛的鲁宾逊，他要先吃鸡，再吃玉米。
第2节 生态系统的能量流动（第2课时）
【教师】为了研究能量流经生态系统的食物链时，每一级的能量变化和能量转移效率，美国生态学家林德曼对结构相对简单的天然湖泊——赛达伯格湖的能量流动进行了定量分析。
1.用表格的形式，将图中的数据进行整理。例如，可以将每一营养级上的能量“流入”和“流出”整理成为一份清单（“流出”的能量不包括呼吸作用散失的能量）
2.计算“流出”该营养级的能量占“流入”该营养级能量的百分比。
|
营养级 |
流入能量/[J/(c㎡· a)] |
流出能量(输入后一个营养级)/[J/(cm·a)] |
出入比/% |
|
生产者 |
464.6 |
62.8 |
13.52 |
|
植食性动物 |
62.8 |
12.6 |
20.06 |
|
肉食性动物 |
12.6 |
– |
– |
|
分解者 |
14.6 |
– |
– |
3. 流入某一营养级的能量，为什么不会百分之百地流到下一个营养级？
答：各营养级的能量都有一部分通过呼吸作用散失；一部分未被下一营养级利用；一部分被分解者分解。所以，流入某一营养级的能量不可能百分之百地流到下一营养级。
4. 通过以上分析，你能总结出什么规律？
答：生态系统中的能量流动是单向的；能量在流动过程中逐级递减.
1、单向流动的原因：
①生物之间的捕食关系是长期自然选择的结果，不可逆转；
②各营养级呼吸作用散失的热能无法再利用，也不能循环流动。
2，逐级递减的原因：总有一部分能量经自身呼吸消耗、被分解者分解、未被下一个营养级利用。（能量传递效率为10%～20%）
【教师】你能依据能量流动的特点，解释一下为什么一山不容二虎吗？
【学生】由于能量流动的传递效率是10%~20%，营养级越高，所获取的能量越少。老虎在生态系统中几乎是最高营养级，通过食物链流经老虎的能量已经减少到很小的程度。在有限的食物空间内，虎的数量越少越容易获得食物来维持生存。
【教师】能量在流动过程中逐级递减，与能量守恒定律矛盾吗？为什么？
答：不矛盾。能量在流动过程中逐级递减，指的是流入各个营养级的能量。能量守恒定律可以用于衡量流入某个生态系统的总能量，总能量=储存在生态系统(生物体的有机物)中的能量+被各个营养级的生物利用、散发至非生物环境中的能量。因此，虽然能量在流动过程中逐级递减，但总能量依然遵循能量守恒定律。
强调：任何生态系统都需要不断得到来自系统外的能量补充，以便维持生态系统的正常功能。如果一个生态系统在一段较长时期内没有能量（太阳能或化学能）输入，这个生态系统就会崩溃。
任务一：生态金字塔的模型构建
【教师】能量沿食物链流动时逐级递减，营养级越多，消耗的能量就越多，如果将单位时间内各营养级所得到的能量数值转换为相应面积（或体积）的图形，并将图形按照营养级的次序排列，可形成怎样的一个图形呢?
【学生】可以形成一个金字塔图形，叫作能量金字塔。
【教师】1.能量金字塔
(1)概念：单位时间内各营养级所得到的能量数值转换为相应面积（或体积）的图形。
(2)意义：直观的反映出生态系统各营养级间能量的关系
(3)特点：通常都是 上窄下宽的金字塔形
(4)原因：能量在流动中总是逐级递减
【教师】在能量金字塔中，营养级别越低，占有的能量越多，反之，越少。能量金字塔表示能量流动逐级递减的特点，自然生态系统中一般不可能出现倒置现象.人工生态系统，例如人工鱼塘可能会出现倒置.
【教师】右图为某城市生态系统能量金字塔，为什么呈倒置状态也能维持生态系统的正常运行？
【教师】从生态系统外输入大量的有机物.
【教师】除了能量金字塔还有生物量金字塔和数量金字塔。
【教师】2、数量金字塔:
(1)概念:表示各营养级的生物个体的数目比值关系，即为数量金字塔。
(2)特点:一般呈上窄下宽的金字塔；
生态系统如果消费者个体小而生产者个体大,也可呈上宽下窄倒置的金字塔形，如，昆虫和树.
【教师】3.生物量金字塔:
(1)概念;每个营养级所容纳的有机物的总干量。
(2)特点:大多呈上窄下宽的金字塔,有可能倒置。
一般来说植物的总干重通常大于 植食性动物的总干重，而植食性动物的总干重也 大于 肉食性动物的总干重。
【教师】为什么某海域的生物量会出现金字塔倒置？
【教师】海洋生态系统中，浮游植物个体小，寿命短，又不断被浮游动物和其它动物吃掉，所以在某一时刻调查到的浮游植物的生物量很可能低于第二营养级的生物量，因此生物量金字塔会出现倒置。
师生小结;
【教师】总结：自然生态系统能量金字塔是上窄下宽的正金字塔，数量金宇塔及生物量金字塔一般也是正金字塔形，但有时也会出现倒置的特殊形状的金字塔。
（六）研究能量流动的实践意义
【教师】研究能量流动有什么意义?
1、增大流入生态系统的总能量
研究生态系统的能量流动，可以帮助人们将生物在时间、空间上进行合理配置，增大流入某个生态系统的总能量。
为什么可以增加流入生态系统的总能量？
（1）充分利用了空间；
（2）不同层次的作物利用不同强度的太阳能；
（3）适当提高了种植密度，能利用更多的太阳能
2、提高能量利用率
研究生态系统的能量流动，可以帮助人们科学规划和设计人工生态系统，使能量得到最有效的利用。例如 : 秸秆喂牲畜；粪便制作沼气；沼渣肥田，实现了对能量的多级利用，从而大大提高能量的利用率。
注意：是提高能量的利用率，而不是能量传递效率。能量永远不能循环利用。能量利用率≠ 能量的传递效率
3、调整能量流动关系
研究生态系统的能量流动，还可以帮助人们合理的调整生态系统的能量流动关系，使能量持续高效地流向人类最有益的部分。
【教师】从能量流动的角度分析，稻田除草、除虫的意义是什么？
【学生】帮助人们合理地调整生态系统中的能量流动关系，使能量持续高效地流向对人类最有益的部分。
【教师】人们虽然不能改变能量流动的客观规律，但可设法调整能量流动方向，使能量流向对人类最有益的部分。例如，在森林中，最好使能量多储存在木材中；在草原牧场上，牲畜过少，不能充分利用牧草所提供的能量；牲畜过多，就会造成草场的退化，使畜产品的产量下降。合理确定草场的载畜量,最好使能量多流向到牛、羊等牲畜体内，获得更多的毛、肉、皮、奶等畜产品。除草为了使太阳能更多地流向农作物：捉虫为了使农作物中的能量散失减少。
思维·训练：分析和处理数据
1926年，一位生态学家研究了一块玉米田的能量流动情况，得到如下数据。
-
这块田共收割玉米约10 000株，质量为6 000kg。通过对玉米植株的化学成分进行分析，计算出其中共含碳2675kg。
-
据他估算，这些玉米在整个生长过程中通过细胞呼吸消耗的葡萄糖共 2045kg。
3. 1kg葡萄糖储存
4. 在整个生长季节，入射到这块玉米田的太阳能为
请根据以上数据计算：① 这些玉米的含碳量折合成葡萄糖是多少？这些葡萄糖储存的能量是多少？
葡萄糖为：180/72 × 2675 = 6687.5 kg
储存的能量为：6687.5 ×=
② 这些玉米呼吸作用消耗的能量是多少？
消耗的能量为：2045 × =
③ 这些玉米在整个生长季节所固定的太阳能总量是多少？呼吸作用消耗的能量占所固定太阳能的比例是多少？
固定的太阳能总量是：=
④ 这块玉米田的太阳能利用效率是多少？
数据处理：根据计算结果，画出能量流经该玉米种群的图解，图解中应标明各环节能量利用和散失的比例。
【板书设计】
第3章 第2节 生态系统的能量流动
一、能量流动的概念
二、能量流动的过程
三、能量流动的特点
1.单向流动
2.逐级递减
四、生态金字塔
1.能量金字塔
2.生物量金字塔
3.数量金字塔
五、研究能量流动的实践意义
【教学反思】
1.本节课以学生较为熟悉的小说主人公鲁滨逊流落荒岛的情境引入，引导学生将自己代入鲁滨逊的角色选取生存策略，激发了学生的学习兴趣。联系细胞的能量代谢，引导学生描述生态系统能量流动的概念，让学生通过系统观解构新概念，强化了生命观念。
2.本节课的重点在于同化量和摄入量的区分，以及同化量的来源和去向的理解，引导学生分析能量流经初级消费者生物个体的过程，理清摄入量、同化量和粪便量的关系以及能量流经第二营养级的过程。提升了学生归纳与概括的科学思维能力。
3.通过简介林德曼研究赛达博格湖能量流动的过程，让学生体会到科学家勤奋务实、孜孜不倦的科学研究精神。
4.引导学生结合所学再次分析问题探讨中流落荒岛时的生存策略选择问题，首尾呼应，让学生学会学以致用，用理论知识解决社会实践中的问题。做到了让知识服务于生活，提升了学生的社会责任感。通过环环相扣的活动，同学们能够跟上节奏，但是，课堂吸收如何，还需要课后加以巩固理解。