Интегрированный урок биология + информатика по теме «Свойства экосистем»

Интегрированный урок

биология+информатика

по теме:

«Свойства экосистем»

Автор урока: Масленченко Е.Ю.

Интегрированный урок биология+информатика по теме: «Свойства экосистем»

Цель: Дать представление об экосистеме, как устойчивой, саморегулирующейся, самовоспроизводящейся системе используя программу Excel для построения математических моделей.

Задачи

1. Показать, что экосистема является целостной самовоспроизводящейся системой

2. Показать причины устойчивости экосистем

3. Рассмотреть механизмы саморегуляции экосистем

4. Способствовать закреплению понятий и навыков математического моделирования, формированию навыков работы с программой «Электронные таблицы; Excel».

Оборудование: Круговорот в-в в экосистеме, компьютеры, программное обеспечение - Excel

Структура и динамика численности популяций

Биологическое разнообразие, саморегуляция и круговорот веществ - основа устойчивого развития экосистем.

Ход урока

Учитель информатики

В настоящее время наиболее яркие открытия происходят на стыке наук. Возникают новые науки: биоинженерия, бионика, биоинформатика. Это яркий пример интеграций наук. Сегодня на уроке мы с вами совместим материал биологии и информатики по теме: «Свойства экосистем», с использованием компьютерных технологий.

Учитель биологии

1. Организационный момент.

2. Изучение новых знаний

Экосистема- целостная самовоспроизводящаяся система

Актуализация знаний.

Вопросы:

1. Что называют системой?

Система - целое, состоящее из взаимосвязанных частей

2. Что такое экосистема?

Экосистема - сложная система, представляющая непрерывное единство живой и неживой природы

3. Компоненты экосистем-

4. Как связаны между собой компоненты экосистем?

Трофическими связями, круговоротом веществ и потоком энергии.

5. Что по вашему является обязательным условием существования экосистем?

Наличие всех компонентов, связанных круговоротом веществ и потоком энергии. Экосистема - самовоспроизводящаяся система

6. Почему природные экосистемы называют самовоспроизводящимися?

Каким свойством живых организмов обеспечивает непрерывность существования жизни на Земле?

Вывод: Каждый компонент экосистемы выполняет в ней определенную роль, создавая круговорот веществ и передачу энергии от одного трофического уровня на другой. Размножение организмов, круговорот веществ и приток энергии извне - обеспечивает целостность и самовоспроизведение экосистем.

Устойчивость Экосистем

Устойчивость- способность экосистемы выдерживать изменения, создаваемые внешними воздействиями.

Биологическое разнообразие и способность к адаптации - основа устойчивости

(Работа с учебником)

Вопросы:

1. Что называют устойчивостью?

2. Что определяет устойчивость экосистем?

3. Приведите примеры устойчивых и неустойчивых экосистем

Вывод: Устойчивость - способность экостемы выдерживать изменения, создаваемые внешними воздействиями.

Биологическое разнообразие и способность к адаптации - основа устойчивости.

Саморегуляция экосистем

Саморегуляция- поддержание численности популяций на определенном уровне

Вопрос: Какими процессами определяется численность популяции?

Рождаемость-

Смертность-

Динамика численности популяции

Учитель информатики

Выделяют два типа увеличения численности в популяциях. Представим, что два вида осваивают новую среду обитания. Как будет изменяться их численность? Прежде чем ответить на этот вопрос, давайте попробуем построить моделирование этих популяций.

Модели популяций с разными изменениями численности

Беседа: в биологии при исследовании развития биосистем строятся динамические модели изменения численности популяций различных живых существ (бактерий, рыб, животных) с учетом различных факторов. Взаимовлияние популяций рассматривается в моделях типа «хищник-жертва».

Прежде чем перейти к моделированию вспомним:

1. Что такое модель? (модель является представлением объекта в некоторой форме, отличной от формы его реального существования)

2. Назовите виды, классификации моделей? (Материальные(то модели, построенные с использованием математических понятий и) и информационные модели (табличные,

иерархические, сетевые))

3. Приведите примеры моделей.

4. Дайте определение понятию «Электронная таблица» (компьютерная программа, позволяющая проводить вычисления с данными, представленными в виде двухмерных массивов, имитирующих бумажные таблицы)

5. Что такое относительная и абсолютная ссылка?

Изложение нового материала.

1. Построение Модели экспоненциального роста (показательная)

При условии отсутствия хищников и наличия неограниченного количества пищи уравнение для построения модели экспоненциального роста имеет вид:

N₂=(b-d)N₁+N₁,

где N₁ - численность родительского поколения, b - коэффициент рождаемости, d - коэффициент смертности, N₂ - численность дочернего поколения.

Экспоненциальный рост численности характерен для лабораторных культур бактерий. Значения параметров модели для таких популяций могут быть следующими: N₁ = 1; b = 1 (в каждом цикле размножения каждая особь оставляет одного потомка); d = 0,01 (в течение цикла размножения каждая сотая особь погибает от случайных причин); число поколений - 25.

Ход построения

Построение модели начинают с заполнения электронной таблицы (рис. 6.1, а). Понадобятся два столбца: один - для нумерации поколений, другой - для указания численности бактерий. В ячейку A3 нужно ввести цифру 1 (первое поколение), в ВЗ - также 1 (одна материнская особь).

В ячейке А4 следует набрать формулу [=АЗ+1], а затем расширить область ее применения вниз до ячейки А27 включительно (всего 25 поколений). Для этого нужно приблизить курсор к правому нижнему углу ячейки. Как только курсор примет вид «крестика», нажать левую кнопку мыши и, не отпуская ее выделить нужные ячейки столбца А (рис. 6.1, б).

В ячейку В4 нужно ввести формулу для подсчета численности поколения (рис. 6.1, в), т. е. уравнение для построения модели экспоненциального роста: [=( 1 -0,01 )*ВЗ+ВЗ]. Затем расширить область пример формулы вниз до ячейки В27 включительно.

Следующий шаг - построение диаграммы. Напоминаем: для этого выделить значения, используемые при построения диаграммы, и вызвать диалоговое окно Мастера диаграмм (см. 5.2). Следуя его пошаговой инструкции желательно выбрать обычный график или график с маркерами. Готовую диаграмму следует разместить на отдельном листе (рис. 6.1, г).

2. Построение Модели логистического роста

Вопрос. Какая модель более часто встречается в живой природе, чем вы можете это объяснить?

Модель Ферхюльста-Пирла разработана популяций, рост которых ограничен биологической емкостью среды. как правило, эти виды реализуют К- стратегию размножения. Уравнение для построения модели имеет вид:

N₂=(b-d) N_1,

где N₁- численность родительского поколения, b - коэффициент рождаемости, d - коэффициент смертности, N₂ - численность дочернего поколения, К- наиболее возможное число особей при данной биологической емкости среды.

Логический рост численности можно наблюдать, например, в природной популяции волков, осваивающих новое местообитание. Для этого случая можно задать такие значения параметров модели: N₁ =2; b=2 (пара родителей производит четырех потомков за один цикл размножения); d=0,5 (каждая вторая особь погибает за один цикл размножения); К=1000000; число поколений - 50.

Ход построения

Как в случае модели экспоненциального роста, в таблице для построения логической кривой нужно задать два столбца «№ поколения» и «Численность организмов» и заполнить их числовыми данными (см. рис. 6.1, а, б). Данные второго столбца (численность дочерних поколений) нужно рассчитывать по уравнению модели логистической кривой. Поэтому в ячейку В4 необходимо ввести формулу [=(2-0,5)*ВЗ*(1000000-ВЗ)/1000000+В3] и расширить область ее применения (рис. 6.2, а) до В52 включительно (всего 50 поколений). Процедура построения диаграммы такая же, как описано в 5.2.

Результат построения показан на рисунке 6.2, б.

Рассуждение

3. Построение модели колебания численности хищников и их жертв.

В экосистеме существует не одна популяция, рассмотрим взаимодействие популяций разных видов на примере отношений «Хищник-жертва»

Какую роль в популяции играет биотические и абиотические факторы 7

а б

Каково практическое значение моделирование?

Первая кривая имеет форму латинской буквы J, вторая кривая напоминает по форме букву S. Первая кривая показывает, что в численность популяции возрастает геометрической прогрессии.

При S- образном росте численность популяции некоторое время растет, но вскоре этот процесс начинает замедляться. В конце рост численности практически прекращается.

Учитель биологии:

Вопрос: 1. Может ли численность J -популяций расти бесконечно долгое время? Почему?

(Демонстрация графика)

2. Для каких организмов характерна J - модель? Мелкие животные (простейшие, ракообразные), одноклеточные водоросли с высокой скоростью размножения, с низкой устойчивостью к воздействиям среды.

3. Для каких организмов характерна S - модель? Организмы с продолжительным циклом развития, устойчивы к воздействию внешней среды

(демонстрация графика)

Показ Флеш-анимация (Взаимоотношения Хищник, жертва, 2 минуты)

Флеш-анимация (Популяционная динамика . 2 мин)

Вывод: Саморегуляция экосистем осуществляется благодаря внешним и внутренним факторам. Внешние факторы абиотические и биотичесике, внутренние: плотность, возрастной состав, биологические особенности вида.

Итог урока

Учитель информатики

Как мы видим, моделирование процессов происходящих популяциях очень сложный и трудоемкий процесс. А нужна ли математическая модель?

Какое практическое применение может иметь моделирование колебаний численности популяций в экосистемах?

- Прогнозирование численности промысловых видов

- Прогнозирование вспышек численности насекомых - вредителей.

- Сохранение биоразнообразие

- Прогноз влияния деятельности человека на окружающую среду.

Домашнее задание:

Рассчитайте и отобразите в виде графика, рост численности кроличьей семьи в течение года, если известно, что крольчиха приносит в среднем 10 крольчат (пусть среди 10 родившихся крольчат только четыре самки). Крольчиха становиться взрослой в возрасте четырех месяцев и размножается дважды в году.