种群增长数学模型分析及其教学
一、教材分析
种群的数量变化是学习种群的核心内容,重点是掌握种群数量增长的“J”型曲线和“S”型曲线的含义和变化规律,并借此学习掌握构建数学模型的一般方法。本节教学涉及数学知识,同时不同环境下的种群增长各具特点,所以本节内容抽象复杂,学生很难准确深入理解曲线变化规律和原因。通过分析不同条件下种群增长模型、种群的动态规律及其调节机制,能帮助学生深刻理解种群数量的变化规律、影响因素及其应用,在此基础上掌握构建数学模型的方法。
二、种群数量增长模型的多样性
(一)理想情况下种群离散增长模型
这是世代不相重叠种群的增长模型,是种群在无限的环境中,拥有充足的空间和资源,气候适宜、没有天敌的理想条件下种群的增长模型,该模型在自然界中是不存在的。该模型的假设是:1.种群在无限的环境中增长,种群增长不受种群密度的制约,出生率和死亡率为常数;2.世代不重叠,种群呈离散增长;3.种群空间分布均匀,没有迁入和迁出;4.种群没有年龄结构。如细菌的繁殖、一年生的植物或一年生殖一次的昆虫等都属于此类种群,其增长模型如下:
Nt+1=Ntλ或Nt=N0λt
Nt表示第t年种群的数量,N0为初始种群数量,λ为种群的年周限增长率数,t为时间。当λ大于1时,种群数量上升;当λ等于1时,种群数量稳定;当λ小于1时,种群数量下降。理想情况下,种群呈指数式增长,增长率始终保持不变,增长速度逐渐增加,曲线呈“J”型,所以称为“J”型增长曲线。
(二)理想情况下种群连续增长模型
该种群有世代重叠现象,表现为连续增长。该模型的假设是:1.种群在资源无限的环境中增长,出生率和死亡率是常数;2.世代有重叠,种群呈连续增长;3.种群在空间上分布均匀,没有迁入和迁出;4.种群有年龄结构。如多年生植物、人或兽类等动物种群都属于该种群,其增长模型如下:
dN/dt=rN或Nt=N0ert(积分式)
Nt表示第t年种群的数量,N0为初始种群数量,e表示自然常数,r为种群的瞬时增长率。当r大于0时,
作看似简单,但枯燥乏味,孟德尔却坚持了8年,可见其恒心。在讲进化时,可介绍达尔文的著作《物种起源》的创作过程:他先是用5年的时间环球旅行考查,历经千辛万苦,积累大量的素材,才完成了自己的进化观念的转变。回国后又经过6年的资料整理、深入实践、查阅书籍,才第一次写出了《物种起源》的简要提纲。再经过17年的继续研究,终于其著作得以出版。所以我们无论做什么事,要想成功,还得坚持不懈地努力,持之以恒才能得到回报。
四、相信自己教育
不管是什么层次的学生,都有信心不足的情况,尤其是在考后得知成绩未达到自己的预期目标时,显得更是妄自菲薄。那么,在课堂中讲DNA的特异性造成生物多样性的时候,可提到我们每一个人的DNA都不同,都是世界上独一无二的个体。因此我们有理由相信自己能克服任何困难,达到自己理想的境界。许多人在面对权威时,往往会失去自我,而不能坚持自己的观点。孟德尔也面临过这样的困境。他将总结出的规律写成论文后,首先寄给了当时著名的植物学家内格利,但内格利认为数豌豆对了解真理毫无意义,根本不把这位无名小卒放在眼里。但孟德尔仍然于1865年在当地的自然科学研究学会上宣读了《植物杂交实验》一文,提出了分离定律和自由组合定律,虽然在当时并未引起应有的关注。在讲体液调节时,我们可提到胰岛素的发现者班亭。他是一个偏僻乡村的医生。当他看到“狗被切除胰腺,就会患糖尿病”时,就在思考胰腺中是什么物质在起作用,如何提取。但由于没有实验条件,他求助于他的母校多伦多大学的教授约翰。可这位教授听到这位年轻人要研究不治之症糖尿病时,根本就不相信他,认为他异想天开,拒绝了他的请求。但班亭相信自己的判断,并不灰心,等到暑假多伦多大学实验室空闲时,再去请求借用。约翰教授没有充足的理由拒绝,只得答应,但只给了2个月的时间。在这段时间里,班亭用狗和牛做实验,切除它们的胰腺,捣碎后,提取出液体部分,注射到患糖尿病的狗和牛的身上,结果都达到降血糖的目的。假期结束,约翰回到学校,班亭向这位教授报告自己的实验成果,但他都不相信。当班亭再次用实验来证明时,约翰教授这才改变了看法,并和班亭一起做实验,发现今天我们所知的治疗糖尿病的激素——胰岛素。所以不管面临什么困境,我们要相信自己的实力,充分开发自己的潜能,相信自己一定能行。
总之,我们只要有心,就可以充分挖掘教材内涵,有效进行心理健康教育,使学生能在身体健康的同时保持心理健康,成为完整意义上的健康人。
(责任编辑黄春香)种群上升;当r等于0时,种群稳定;当r小于0时,种群下降。该模型的特点是:随着时间的推移,增长率保持不变,增长速度逐渐增加,曲线呈“J”型。
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