Конспект интегрированного урока по биологии и информатике "Анализ и прогнозирование динамики популяций с помощью компьютерного моделирования" 11 класс

Интегрированный урок биологии и информатики в 11-м классе по теме "Анализ и прогнозирование динамики популяций с помощью компьютерного моделирования"

Цель урока:

Сформировать умение решать биологические задачи и строить графики с помощью  Excel.

Задачи:

1.     С помощью Excel научиться строить графики

2.     Научить прогнозировать экологическую ситуацию через решение задач.

Оборудование: мел, доска, компьютеры, мультимедийный проектор.

Программное обеспечение: ОС MS Windows XP, MS Office Excel.

Структура и содержание урока

1. Постановка познавательной задачи урока перед учащимися.

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: «Компьютерное моделирование биотических отношений».

Самолётики.

2. Повторение изученного материала по биологии

Биологический диктант:

1.Структурная единица вида и эволюции…популяция

2.Совокупность особей одного вида, обитающих на определенной территории, относительно обособленно от других совокупностей того же вида…популяция

3.Факторы, связанные с влиянием других живых существ…биотические отношения

4.Масса растительных и животных организмов…биомасса

5. Процессы изменений биологических показателей популяции…динамика популяции

В природе популяция какого-либо вида играет отведенную ей роль и находится во взаимосвязи с популяциями других видов. В природном сообществе складываются, так называемые биотические отношения.  Как внутривидовые, так и межвидовые. Биотические отношения, так или иначе,  приводят к изменению численности популяции.  

Для понимания функционирования этой единой системы очень важно знать не только особенности биологии тех или иных видов организмов, но и их популяционные характеристики - демографические показатели.  (Биомасса, плотность расселения, общая численность, скорость роста численности, продолжительность жизни, рождаемость, смертность, возрастной состав).

Крайне важно   знание причин и скорости популяционных изменений, а также умение вести измерения этих природных показателей.

Как называются процессы изменений биологических показателей популяции  - динамикой популяций.

3. Постановка проблемного вопроса:

По итогам сегодняшнего урока постарайтесь ответить на вопрос: для чего необходимо изучение динамики численности?

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

Прежде чем перейти к моделированию вспомним:

1. Что компьютерное моделирование – решение задач с использованием ПО на ПК.

2. Основные этапы построения и исследования компьютерных моделей.

Этап 1. Постановка задачи  или создание описательной информационной модели. 

Рассмотрим замкнутую экологическую систему, содержащую хищника и его жертву (например, жертвы – зайцы, хищники - волки). Будем предполагать, что зайцы питаются растительной пищей, а волки питаются только зайцами.

Этап 2.  Математическая модель.

У нас есть конкретная задача:

Начальная численность популяции зайцев(жертвы) составляет 1000 особей. Зайцами питается  волк. Выжившая к концу каждого года часть популяции зайцев увеличивает свою численность на 40%. Начальная численность популяции волков составляет 15 особей, один волк потребляет по 40 зайцев ежегодно, годовой прирост популяции волков составляет 10%.

В экологии начальным годом принято считать «нулевой» год.

Введем следующие обозначения:

N_з0=1000 – начальное численность зайцев

P_з=0,4 – ежегодное увеличение зайцев (на 40%)

N_в0=15 – начальное численность волков

S_в = 40 – количество зайцев, поедаемых одним волком за год

P_в= 0,1 – годовой прирост численности волков (на 10%)

Рассмотрим на примере задач:

Задача 1

Рассчитайте, какова будет численность зайцев через 1, 3, 5 и 10 лет при полном отсутствии хищников. Отобразите изменения численности оленей в течение данного периода времени графически.

Решение:

Это мы рассчитали сколько будет зайцев через один год. С каждым годом прирост зайцев составляет на одно и тоже число от предыдущего! Для того чтобы рассчитать это мы используем ПК и ПО Ms Excel. Откройте пожалуйста на рабочем столе файл (   ). Используя опорную карту, выполните задачу 1.

Вы сразу обратили внимание, как мы быстро сосчитали численность за 10 лет!

Теперь постройте график задачи 1

Вывод: При отсутствии хищников количество особей в популяции стремительно растет, так как рост численности зайцев ничем не сдерживается.  (Кошки Ленинграда)

Задача 2

Рассчитайте, какова будет численность зайцев через 1, 3, 5 и 10 лет, если начальная численность волков составляет 15 особей и не изменяется на протяжении указанного периода времени.

Отобразите изменения численности оленей в течение данного периода времени графически. Сравните полученный результат с результатом задачи 1

Решение:

Мы видим, по сравнению с задачей 1, что появляются волки. Количество волков не изменяется, но волки едят зайцев, по 40 каждый! Значит количество зайцев в конце года будет вычисляться следующей формулой

Мы разобрались математически как это можно рассчитать. Теперь используя опорную карту сделайте мне задачу 2.

Вывод: При наличии небольшой популяции волка ( 15 особей) популяция зайца на протяжении двух лет сохраняется на прежнем уровне, а затем исчезает. 15 волков вполне способны истребить в течение 3 лет   популяцию зайца из 1000 особей, несмотря на то, что  годовой прирост популяции зайца – 40 %, а годовой прирост популяции волка равен нулю. (Пример кошек блокадного Ленинграда)

Задача 3

Рассчитайте, какова будет численность зайцев через 1, 3, 5 и 10 лет, если начальная численность волков составляет 15 особей и возрастает на 10% ежегодно.

Отобразите изменения численности оленей в течение данного периода времени графически. Сравните полученный результат с результатами задачи 1 и задачи 2.

Решение:

Мы видим, по сравнению с задачей 2, что количество волков изменяется, т. е. идет прирост каждый год на 10%. Значит

  - сколько будет волков в конце года

Мы разобрались математически как это можно рассчитать. Теперь используя опорную карту сделайте мне задачу 3.

Вывод: При годовом приросте численности волков в 10 %, кривая популяции зайцев стремительно падает после 2 лет существования на одном уровне. 

Для чего необходимо изучение динамики численности?

Изучение динамики численности  играет большую роль в оптимальной эксплуатации природных ресурсов, предсказании вспышек численности вредителей, разработке борьбы с ними. На основе этих исследований решаются вопросы  о том, сколько раз в год и в каком количестве можно отстреливать дичь или вести улов рыбы, чтобы получить наибольшую годовую добычу и при этом не нанести вред популяции. Целесообразно ли применять для борьбы с данным видом «вредных насекомых ядохимикаты, и если целесообразно, то в какой сезон и в каком количестве.

Вывод:

Обращение к экологической тематике на уроках информатики позволяет показать детям, как можно применять информационные технологии для решения проблем, связанных с живой природой. Это не только полезно для учащихся, но и делает более интересной работу самого учителя.

Самолетики

4. Итог урока

Математическое и компьютерное моделирование даёт возможность прогнозирования развития популяций. Даёт возможность человеку вносить коррективы в изменение численности популяций, особенно это, актуально применительно к исчезающим видам.

5. Задание на дом

§  67 стр.  247, зад.  3,5 (учебник биологии)

Решить домашнее задание (карточки)

6. Оценивание работы учащихся