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2024-12-09 04:27

摘要本文通过教学参考的形式，结合探究过程，将人民教育出版社2004年版高中生物新教材中“设计并制作生态缸，观察其稳定性”这一实验预做情况展示出来，以便于有关师生在实际教学、学习中有所帮助。文中重点叙述了生态缸设计、制作、观察、记录，以及对影响生态系统稳定性的各种因素探讨等几方面内容。

关键词模拟人工微生态系统生态系统稳定性系统自动调节能力

2004年3月至6月，人民教育出版社将2004年版高中生物新教材中8个实验的预做和摄像工作放在绍兴一中，我们有幸承担了其一“设计并制作生态缸，观察其稳定性”这一实验。通过实验预做，对这一实验有了亲身的探究经历。现将实验中涉及到的有关问题及解决方案以教学参考的形式展示出来，与同行共商讨。

1 教学建议

在高中生物教材中，生态系统的稳定性一直是重要的教学内容，但是，以往的教学在设计思路是仅仅告诉了学生：由于生态系统具有一定的自我调节能力因此具有相对稳定性，系统中的生物种类越多，食物网越复杂，自我调节能力越强；一个生态系统能否在一定时间内保持自身结构和功能的相对稳定，是衡量这个生态系统的稳定性的一个重要方面；生态系统的稳定性与它的物种组成、营养结构和非生物因素等都有着密切的关系。根据高中生物课程标准的要求，我们从探究活动的角度设计了“设计并制作生态缸，观察其稳定性”实验，通过设计并制作生态缸，观察其中动植物的生存状况和存活时间的长短，就可以初步学会观察生态系统的稳定性，并且进一步理解影响生态系统稳定性的各种因素。

本实验研究最好以小组为单位进行，学生可自愿结合组成若干小组，要求选出小组长负责本组的研究工作。教学中教师要特别强调：

1）生态缸可制作成封闭型，也可制作成开放型（即不加盖）。前者对生态系统的基本成分及其比例有着更严格的要求。

2）生态缸中放置的生物必须具有较强的生活力，放置生物的数量要合适。

3）为了使生态缸内的沙地保持干燥，可在沙土下铺垫一张塑料布，以防止缸中水（气）渗透上来。

4）生态缸制作完毕后，应该贴上标签，在上面写上制作者的姓名与制作日期。

5 )实验时间的安排，最好实验课中在讨论的基础上，由学生完成实验设计和实验装置，实验部分全部安排在课外或家中进行，因此实验的地点可不作统一要求，有条件的学校，可以安排在校内进行实验。

6）让学生设计一份观察记录表，内容包括植物、动物的生活情况，水质情况（由颜色变化进行判别）及基质变化等。

7）定期观察，同时做好观察记录。

8)如果发现生态缸中的生物已经全部死亡，说明此时该生态系统的稳定性已被破坏，记录下发现的时间。

9）依据观察记录，对不同生态缸进行比较、分析，说明生态缸中生态系统稳定性差异的原因。

10)实验结束之后，教师要教给学生认真分析实验结果，科学处理实验数据的方法，如尽量用列表式表示。还要引导学生利用实验事实进行科学推理，得出相应的结论，最后完成实验报告。课题报告完成之后，教师应组织学生进行交流。教师在组织学生交流报告时，不但要让学生交流自己所做的实验报告，还要让学生汇报完成本课题的体会，如经验、教训、克服困难的方法等。

2 材料用具

按100 cm×70 cm×50 cm的标准制作生态缸框架。

制作生态缸的材料主要包括三部分，一是非生物的物质；二是植物；三是动物。具体有：水（放置48小时以上的自来水足量或无污染河水），黄土（酸性，10kg）、沙土(8～10kg)、花土（碱性，含腐殖质较多，40kg～50kg）、鹅卵石或小石块；田鸡草、黑藻、蕨类、浮萍和一些低矮杂草，仙人掌或仙人球(2～3株)；田螺、蜗牛(5～7只)、蚯蚓(8～10条)、鲫鱼(2条)、小甲鱼 (1～2只)、蝌蚪(5～10只) （按季节选择）、剑水蚤、其它小鱼虾若干。

3 探究活动

3.1 提出问题

生态缸应如何设计，才能使整个生态系统维持更长时间?

确定实验题目设计并制作生态缸，观察其稳定性。

[教师提示：本次实验要求学生设计一个人工微生态系统，主要模拟池塘岸边的生态系统。]

3.2 做出假设

生态系统的稳定性与它的物种组成、营养结构和非生物因素等都有着密切的关系，原放入的生物生活力越强，生物的数量比例越适宜，环境条件越适宜，整个生态系统维持时间更长。

3.3 实验预期

在一定时间内，一个人工微生态系统保持稳定性是可能的，但达到稳定状态后，系统中的生物种类与数量有变化，稳定状态只是暂时的，当干扰超过系统自动调节能力后，将遭到不可恢复的破坏。

3.4设计实验方案

与下面实验操作程序基本相同。

[设计实验时教师请学生思考：是否采用对照实验的方法，确定的实验变量是什么？

教师提示：可以有意安排设计多种对照实验，由不同的学生来完成。如水质、植物数量、动物数量、基质内容、见光与否等项目。在分析结果时，让学生通过分析比较找出较好的设计方案。]

[提示：生态缸在设计时，应注意缸中的各种生物之间以及生物与无机环境之间，必须能够进行物质循环和能量流动。]

3.5 实验操作

1) 制作一个玻璃缸

制作一个玻璃缸，长100cm，宽70cm高50cm。

[教师请学生思考：为什么要用玻璃材料？提示：生态缸必须是透明的，既让里面的植物见光，又便于学生进行观察。]

2) 堆放生态缸的土层

在玻璃缸底部约1/2范围，先放入数块小石块。在小石块上面铺上花土，形成一个坡面，坡高约10 cm，坡的最底处约高5 cm；在花土一侧上面铺上一层沙土高约10 cm，另一侧铺上一层高约10 cm的黄土。

[教师请学生思考：为什么要加入黄土？提示：水生动物最适宜pH为5.5～6.0的水中生活，由于花土呈碱性，因此必须加一些酸性黄土。]

3) 种植植物

开始种植植物，在沙土层上种上仙人掌和仙人球；在黄土或花土层上种植各种蕨类和阴生植物并种上一层田鸡草。

[提示：观察各类光合藻类和绿色植物的数量，如果其数量不足，适当加大光照；反之，适当减少光照。]

4) 放鹅卵石或小石块

在土层的下沿铺上一圈鹅卵石或小石块，防止滑坡。

5) 加水

先测试pH，测量结果在6.5一7.5以外的，应再加入一些黄土（酸性）或花土（碱性），搅拌。用杯子把水舀入生态缸，水深以8cm为宜。

[提示：水用河水。在河水面以下5——10厘米的水样中取，测pH值，一般情况，其pH值为6.5一7.5之间即可。如果在这个范围之外，较精确地可用稀盐酸或稀氢氧化钠溶液调整，直到合适的pH值。

调整氮和磷的含量：在自然河流中，总氮和总磷的含量较低。如果总氮的含量超过0.2毫克／升，总磷的含量超过0.02毫克／升时，即达到富营养化状态。富营养化是一种

水体受到污染的状态。因此，建议人工生态缸中总氮和总磷分别控制在0.1毫克／升和

0.01毫克／升左右。（用有机铜和硝酸银来调整）]

[请学生思考：水为什么不能太深？提示：水深将影响生物的生存环境，使系统朝池塘生态系统转变。]

6) 投放动物和水生植物

在土壤和水中加入各种动物及水生植物。

[请学生思考：为什么在不能放入过多的小甲鱼？提示：小甲鱼是该生态系统的最高营养级生物，按照能量金字塔原理，它分配的能量最少，所以应该放得最少一些。]

7) 加盖封口

几天之后，各种生物生活正常，即可对生态缸进行封闭。封闭使用凡士林油膏涂抹沿口。盖上平板玻璃。完成制作。

[请学生思考：为什么要加盖封口？提示：所形成的生态系统必须是封闭的]

8) 粘贴标签，放置玻璃缸。

在生态缸外面帖上标签，写上制作者的姓名与日期，然后将把它放在通风，有光但并非直射（较强散射光）的室内。另外，在整个实验过程中，不要随意移动生态缸的位置。

[请学生思考：为什么不能将生态缸放在阳光能直射到的地方？提示：否则会导致水温过高,而使水草死亡。]

9) 观察记录。

每一个星期观察一次生态缸内的生物种类与数量变化，并做好记录。

附：观察记录表

实习设计并制作生态缸，观察生态系统的稳定性

姓名日期年月日组别

一．实验参数。

容器

水质

植物数量

动物数量

基质内容

见光与否

二．实验观察记录

日期

气温

水质

植物生活情况

动物生活情况

基质变化

记录概况举例：

一个月后，生态缸内的生态基本保持完好，但也发生了一些变化。陆地上，一些杂草有些枯萎；蝌蚪变成了小青蛙，但成活不多；在草丛中发现有一只蚱蜢在飞；一株仙人掌的背面有被蜗牛啃吃的疤痕。水域中，鱼类生长良好；小甲鱼正在捕食小虾，有好多只小虾已经死亡。

二个月后，打开盖子观察，生态缸内的生态仍保持基本稳定。仙人掌长出了长长的新枝；土质明显变得松散，虾已经全部灭绝，小甲鱼只能吃一些水生植物了，显得很消瘦；另外一只小甲鱼不知钻到泥土的哪里去了，很难找到；有一只田螺死亡。同学们边观察边记录。

[请学生思考：１．生态缸内事先并没有放入蚱蜢，数十天后怎么会出现蚱蜢的？提示：之前可能无意将蚱蜢卵带入缸内，后孵化。]

２．你能讲出生态缸中的生态系统各成分吗？

３．通过观察，你能写出生态缸中的食物网吗？

3.6 推出结论

对实验记录下来的生态缸内的生物种类与数量变化的现象、数据、结果进行整理、分析，让学生推出结论。

实验结果分析:

制作生态缸时，由于使用的是河水，因此在这个密闭的生态系统中，除了放入阴生植物如田鸡草、黑藻、蕨类、一些低矮杂草、仙人掌和仙人球、田螺、蜗牛、蚯蚓、鲫鱼、虾、小甲鱼、蝌蚪以外，水中还有原生动物和其他微生物。而且河水中还溶解有各种矿质元素，所以，它是一个完整的生态系统，但也是一个营养结构较为为简单的生态系统。

在该生态系统中，植物在光照下能够进行光合作用，并且放出氧气，除了供它们自身利用外，还可供其他动物和需氧型微生物生物进行呼吸。植食性动物以植物为食，其排出物和动植物遗体遗骸被微生物分解，并为植物提供养料。一些动物、微生物和浮游生物呼吸时放出的二氧化碳，可供植物进行光合作用。由此可见，在这个密闭的微型生态系统中，既有生产者、消费者和分解者，又有非生物的物质和能量；既有物质循环，又有能量流动。因此，该生态系统能够保持较长时间的相对稳定。

结论：该生态系统保持其相对稳定性的时间为 205d，说明人工生态系统可以保持较长时间的相对稳定。同时也说明人工生态系统的稳定性是有条件的，也可能是较短暂的而不是永久性的。

实验结束后，教师应组织学生统计一下全班学生每组所制作的生态缸中生态系统稳定性时间的长短，并引导学生分析出现差异的原因。

[提示：个别组实验现象不明显，请学生分析原因，主要是由于在方案设计上未能根据生态系统稳定性原理，特别是在堆放生态缸的土层、加水、投放生物比例上有较大偏差而致。]

请学生思考：这个实验中有哪些因素对人工生态系统的稳定性有影响？如何确保你的实验结果是由你确定的变量引起的呢？

3.7 表达与交流

实验小组的每一个成员都要写出自己个性化的实验报告，向小组和全班汇报探究过程和结果、经验、教训或体会，包括在科学态度、科学方法和科学精神方面的收获。让学生获得科学探究活动的经验，初步确立严谨的作风。学会分享成功的快乐，或敢于面对失败，积极分析原因，尊重客观事实。

教师可组织学生举办小型展览，有条件的学校，可以在实验过程中组织一次小生态缸的小型展览。

4 课题讨论

1）设计时要考虑的生态系统各组成成分有哪些?

提示：在这个密闭的微型生态系统中，既有生产者、消费者和分解者，又有非生物的物质和能量；既有物质循环，又有能量流动。植物和动物之间构成了食物网，如：

绿藻→剑水蚤→小虾→小甲鱼

↘小鱼

仙人掌→蜗牛

2）生态缸经过多长时间才能达到比较稳定的状态？

提示：一般等到缸内各生物相互适应及依存后，生态缸才能达到比较稳定的状态，大多在一个星期以后。

3）本组制作的生态中哪种生物最先死亡？分析其主要原因。

提示：小虾、小鱼等以浮游生物为食的小型水生动物最先死亡。原因可能是（1）浮游生物较少，食物不足；（2）水中溶氧量较少。

4）根据生态瓶中生物存活时间的长短，分析如何改进实验装置以延长生态瓶中生态系统的持续时间。

提示：举例说明。3天后我们去观察，发现水不如刚放藻类时那么绿，5只小虾横死在水面上，小鱼死了3条，有2条在水面上浮头，思考：病死还是饿死？接着又往缸内加了5只小虾，同时加了100毫升的剑水蚤给它们做食物，结果这5只小青虾也未能逃出死亡，改进：加绿藻的数量的同时，适量增加剑水蚤的数量，结果藻类亮绿，小虾、小鱼活动自如。

参考文献

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9．孙儒泳等．基础生态学．北京：高等教育出版社，2002．

10．倪哲明，鲍健强译．[美]帕迪利亚．科学探索者——环境科学．杭州：浙江教育出版社，2002.