生态系统的功能

教学目标

1．了解能量流动和物质循环是生态系统的功能，了解能量流动的定义、过程以及研究能量流动的意义，了解物质循环的定义，理解能量流动和物质循环的特点，理解能量流动与物质循环的区别和联系。

2．通过指导学生分析生态系统的能量流动的过程和特点，培养学生分析综合和推理的思维能力。

3．通过了解生态系统能量流动的过程和碳循环的过程，渗透普遍联系的辩证观点；通过了解生态系统的能量流动过程和碳循环的过程，渗透物质运动的观点；通过了解生态系统的能量流动和物质循环，渗透生态系统是一个整体的观点。

重点、难点分析

1．生态系统的能量流动过程和特点是本节教学内容的重点知识，因为：

（1）能量是一切生命活动的动力，也是生态系统存在和发展的基础。生物圈中每一个完整的生态系统都是一个能量输入、传递和输出的系统。生态系统内能量单向传递的全过程，叫作能量流动。这是生态系统功能的一个重要体现。

（2）指导学生分析生态系统能量流动过程和特点的过程，也就是培养学生分析综合和推理的思维能力的过程；同时，生态系统能量流动的过程，渗透着物质运动和物质普遍联系的辩证观点，是渗透辩证唯物主义观点教育的极好素材。

（3）研究能量流动的过程和特点，一方面可以巩固前面学习的食物链和食物网的知识，另一方面也为研究生态系统的目的——服务于人类自身（能量流向对人类最有益的部分）打好基础。

2．生态系统的碳循环是本节教学内容的又一重点，因为

（1）物质循环是生态系统功能的另一个重要体现，而碳循环是生态系统物质循环的代表性物质循环。通过理解生态系统物质循环的基本特征，可以为分析能量流动和物质循环的区别与联系奠定基础。

（2）碳循环的过程，包含了生态系统中各个组成成分之间的物质联系，渗透着物质普遍联系的辩证观点，是进行辩证唯物主义观点教育的极好素材。

3．生态系统的能量流动过程和特点也是本节教学内容的难点知识，因为：

（l）能量本身是一个抽象的概念，能量流动也是抽象的，在学生原有的认知结构中，对于能量的认识不是很充分，对于能量流动的过程和特点更是生疏，因而成为认知上的难点。教师引导学生分析时，应首先提示学生“能量是一切生命活动的动力”，生态系统存在和发展的基础也需要能量，再引导学生分析生态系统的能量输入、传递和输出的过程。

（2）对于能量流动特点的分析，引导学生从具体的能量流动过程分析出抽象的能量流动的特点，组织学生分析必须有很好的切入点，采用设计合理的问题或提示分析的角度的方式引导学生分析能量流动的特点，因而也是教师组织教学的难点。

4．能量金字塔是生态系统能量传递效率的一种直观表示方法，能量金字塔的概念的提出是教学中的难点，教师可以从如何直观表示生态系统能量传递效率的角度提出能量金字塔的概念，既有利于对能量金字塔概念的理解，又有利于对生态系统能量传递效率知识的理解。

教学过程设计

一、本课题的参考课时为二课时。

二、第一课时：

1．复习提问：生态系统的结构是怎样的？在学生回答完成后，教师指出生态系统中生物之间的最重要的联系是营养联系，即通过食物链和食物网形成一个整体，所以说，生态系统的营养结构是生态系统重要的结构特征。

引出课题时，教师可以指出生态系统不仅具有一定的结构，而且还有一定的功能。生态系统的主要功能是进行能量流动和物质循环，引出本节的学习课题。

2．生态系统能量流动的教学，应首先强调说明能量是一切生命活动的动力，同样也是生态系统存在和发展的动力。然后引导学生分析生态系统总的能量来源是什么？再引导学生分析太阳能是如何输入生态系统的？以及能量进入生态系统后的传递、消耗的大致过程怎么样？由此了解生态系统能量流动的概况，为后面的分析奠定基础。

3．能量流动过程的教学，可以通过学生观察“生态系统能量流动（图解）”来分析生态系统能量流动的过程。即能量流动是从绿色植物把太阳能固定在体内后开始的（起点）；并沿着食物链或食物网的各个营养级传递（渠道），最后以呼吸热形式逸散。这是能量流动的总的过程。

教师还要注意引导学生对处于同一营养级的生物的能量输入、利用、输出作出观察分析。即消费者通过取食（生产者是通过光合作用）获得能量，通过呼吸消耗能量用于生命活动（呼吸热形式逸散），贮存于生物体内的能量被下一营养级生物取食获得，或被分解者分解利用（还是以呼吸热的形式逸散，只不过是分解者的呼吸热形式）。这样就从每一个营养级的“点”上，来理解生态系统能量流动的意义。

在能量流动的教学中，教师还可以引导学生分析生产者在能量流动过程中的作用，即生产者是消费者和分解者获得能量的源泉，是生态系统能量流动的基础，由此突出生产者在生态系统中的重要地位。

4．能量流动特点的教学，可以在前面对能量流动过程分析的基础上，引导学生从不同的角度独立分析。从传递过程的角度，引导学生分析能量流动的起点（生产者固定太阳能）、渠道（食物链或食物网）和终点（呼吸热）；从传递方向的角度，引导学生分析由于食物链中各个营养级的关系不能逆转，以呼吸热形式选散的能量也不能被生产者再次固定，所以系统内的能量流动是单向的；从传递数量的角度，引导学生分析由于各个营养级的生物本身生命活动要消耗能量，生物遗体、遗物内含能量等，所以只有一部分能量沿着食物链的营养级依次传递；从传递效率的角度，引导学生分析由于各个营养级流动能量的损失（原因由学生自己分析），能量传递效率约为10％～20％。

5．能量金字塔的教学，可以从引导学生总结分析能量流动的特点引出。即沿着食物链的各个营养级呈单方向流动的能量，每经过一个营养级大致降低一个数量级，营养级别越高，能量传递比例则越低，这是各种生态系统能量流动的共同规律。这种能量流动的传递效率可以用一种方式形象地表示出来——能量金字塔。然后具体指出能量金字塔是用各个营养级能量数值绘制成的。再用“某一个湖的能量金字塔”的图解具体说明能量金字塔的表示方法和意义。

6．最后引导学生分析研究能量流动的主要目的是什么——为人类自身服务，引导学生分析认识到：通过调整生态系统能量流动关系的方式，使能量流向对人类最有益的部分。教师可以引导学生列举实例或教师自己列举实例具体说明调整能量流动方向以更好地为人类服务。

7．本课时结束时，教师可以通过一定方式检测学生的理解程度，例如，可以让学生分析为什么一个生态系统的食物链的营养级一般不超过5级。

三、第二课时：

1．第二课时的开始可以让学生回忆和讨论第一课时学习和讨论的问题，如概述生态系统能量流动的基本特点，以及能量流动的意义等问题，接着开始进行生态系统物质循环的教学。

2．生态系统物质循环的教学，首先是生态系统物质循环的概念教学，即生态系统的物质循环是指组成生物体的一些基本元素，在生物群落与无机环境之间反复的循环运动。注意指出两点，一是物质循环带有全球性质，故又叫生物地化循环；二是物质指的是什么物质，主是指C、H、O、N、P、S等元素的循环。为后面分析物质循环奠定基础。

3．碳循环是生物圈内基本的物质循环之一，教师通过指导学生学习碳循环来了解生态系统的物质循环过程。碳循环的教学应加强直观性，可以利用教材上“碳的循环”图解来进行，即引导学生观察“碳的循环”图解，教师提出一系列的问题要学生在观察的基础上进行解答。

首先让学生分析碳在生物圈中的存在部位和存在形式，注意引导学生从无机环境和生物群落两个部位找出碳的存在形式。

然后让学生分析碳在无机环境与生物群落之间的循环，要求答出循环的物质形式是二氧化碳，从无机环境进入生物群落是通过生产者的光合作用，从生物群落进入无机环境主要是通过生物的呼吸作用（包括生产者、消费者、分解者的呼吸作用），此外还以化石燃料的形式储藏于地层中或化石燃料的燃烧。

之后让学生分析碳在生物群落之间的运动，从生产者到消费者，从生产者、消费者到分解者，应让学生分析出碳在生物群落之间的运动是沿着食物链或食物网进行的。最后教师可以以黑板板图的形式画出碳循环的图解（图7－3）。

4．能量流动与物质循环的联系与区别的教学。

上述教学活动完成后，可以引导学生对生态系统的能量流动和物质循环进行对比，寻找二者的联系和区别。物质循环和能量流动之间有着密切关系，在生物群落中两者都是以概链和食物网为渠道流动的，而且能量流动必须伴随着物质循环来进行；能量流动和物质研的不同之处是：能量流动是单向流动、逐级递减的，而物质是周而复始地循环。

5．第二课时完成后，可以根据教学目标进行检测，当堂进行反馈和矫正（检测方式和内容略）。

四、本课题教学中应注意的问题：

1．注意教学方法的灵活性。有关生态系统主要功能的知识，实际上是系统生态学的核心内容。这部分知识中名词概念较多，能量流动和物质循环均包含许多基本要点，因而学生难以理解和掌握这部分知识。在教学中，教师应采用多种灵活的教学方法，深入浅出地阐述有关的知识要点，并以一定的方式适时地进行反馈和矫正，以此强化学生对本部分知识的理解和掌握。

2．教学中注意前后知识的联系。本节的教学内容不但本身联系非常密切，而且与其它各部分的知识联系也非常密切，因而在教学中要注意知识之间的联系，以便更好地理解本部分知识，并加深对各部分知识的理解和融会贯通。如：能量流动和物质循环与绿色植物的光合作用知识相联系、与生物的呼吸作用知识相联系、与食物链和食物网的知识相联系，以及能量流动和物质循环知识之间的联系等，注意这些联系都有助于教学效果的提高。

3．本节教学中，能量流动和物质循环，本身蕴含着丰富的辩证唯物主义观点，如物质运动的观点、事物普遍联系的观点、生态系统的整体性观点等，教师应注意有意识地渗透到教学内容和教学过程之中，让学生在潜移默化中受到观点教育。

小资料

一、能量流动和热力学定律：

能量在生态系统中的流动、转移和转化是严格地遵守热力学第一定律和第二定律。

热力学第一定律即能量守恒定律在热力学中的应用。“在自然界的一切现象中，能量既不能创造，也不能消灭，而只能以严格的化学计量比例，由一种形式转变为另一种形式。”绿色植物能够吸收太阳能，借助光合作用将光能转变为化学能；生物中的化学能可以转变成机械能；萤火虫能够把化学能转变成光能；电鳗则能把化学能转变成电能。这些例子都说明动能和潜能是可以转化的，但是在转化中，必须考虑到能量的总和，应该计算进出一个系统全部能量的总和。

热力学第二定律，最常见的有两种叙述形式。1850年劳休斯提出“热从低温物体传给高温物体而不产生其它变化是不可能的”。1851年开尔文提出：“从一个热源，使之完全转化为功而不产生其它变化是不可能的。”因此，能量在生态系统各营养级之间的流动是单向的，而且转化过程中不断有热的产生和消耗，从前面一个营养级能量转变为后面一个营养级的潜能不可能是百分之一百的。

能量从集中型到分散型的衰败，可以不需外力的帮助而自动实现，热力学中将它称为自发过程或自动过程。为了判断自发过程的方向和限度，一般以摘和自由能为自发过程的两个状态函数来进行描述。热力学第二定律也称摘律。墙值可以作为一个系统无序状态的量度。

整个自然界的变化的趋势是从有序到无序，熵值增加，从而放出能量，例如生态系统中复杂的有机物，被还原者分解为无机物，这是一个自发过程。但是，生态系统作为开放系统，由于负熵流的不断输入，借助于光能，可以将水和二氧化碳变成有机物，从无序到有序。

生态系统中生命成分的各种表现都与能量转化有关，生命的本质就是生长繁殖、物质合成等连续变化的过程，这一切都伴随着能量转化的过程。因此，没有能量的转化也就没有生命。

显然，第二定律也在生物系统中起作用。例如当人体细胞中的糖经过氧化作用释放能量时，大约只有55％的能量被固定在各种其它化学键之中，其余的则以热的形式消散到环境中去。熵值随着每一化学反应而增加。同样，能量在营养级之间流动时，大部分能量都以热的形式散失。

二、生物金字塔：

大草原上草丛一望无际，各种各样的昆虫随处可见，无需查数，鸟雀要比昆虫少，鹰比鸟雀少得多。食物链的营养级从低到高，生物数量越来越少。英国生态学家查尔斯研究了这种现象后，提出了生物金字塔的概念。下面是生物金字塔的例子。

1．生物数目金字塔：人们对一片草地上草牧链的所有生物成员作了统计：

生产者 （野草）       5842 424株；

消费者I（草原动物、昆虫）708 624只；

消费者Ⅱ（肉食动物、吃昆虫的小鸟） 354 904只；

消费者Ⅲ（肉食动物、吃小鸟的鹰）3只。

2．生物量金字塔：人们对一片海域中生态系统作了统计：

生产者（大叶藻） 4 800万吨；

消费者 I（吃大叶藻的小鱼虾）1200万吨；

消费者Ⅱ（吃小鱼虾的大鱼）17万吨；

消费者Ⅲ（吃大鱼的鱼）3万吨。

3．生物能量金字塔：在某一生态系统1平方米的面积上：

生产者（植物）净生产的能量是36 922千焦；

消费者I（草食动物）净生产的能量是6 178千焦；

消费者Ⅱ（肉食动物）净生产的能量是280千焦；

消费者Ⅲ（肉食动物）净生产的能量是25千焦。

三、生物地化循环的类型：

生物地化循环可分为三大类型，即水循环、气体型循环和沉积型循环。在气体型循环中，物质的主要储存库是大气和海洋，其循环与大气和海洋密切相联，具有明显的全球性，循环性能最为完善。凡属于气体型循环的物质，其分子或化合物常以气体形式参与循环过程，属于这类的物质有氧、二氧化碳、氮、氯、溴和氟等。参与沉积型循环的物质，其分子或化合物绝无气体形态，这些物质主要是通过岩石的风化和沉积物的分解转变为可被生态系统利用的营养物质，而海底沉积物转化为岩石圈成分则是一个缓慢的、单向的物质移动过程，时间要以数千年计。这些沉积型循环物质的主要储存库是土壤、沉积物和岩石，而无气体形态，因此这类物质循环的全球性不如气体型循环表现得那么明显，循环性能一般也不完善。属于沉积型循环的物质有磷、钙、钾、钠、镁、铁、锰、碘、铜、硅等，其中磷是较典型的沉积型循环物质，它从岩石中释放出来，最终又沉积在海底并转化为新的岩石。气体型循环和沉积型循环虽然各有特点，但都受到能量流动的驱动，并都依赖于水的循环。