Конспект урока "Потоки энергии в биосфере. Устойчивость биосферы" 11 класс
МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА
урока экологии в 11 классе
«Потоки энергии в биосфере.
Устойчивость биосферы»
автор:
учитель МОУ
«Лицей № 37»
г. Саратова
Киселева Ольга Николаевна
Место проведения
МОУ «Лицей № 37»; каб. 32/2
Класс
11 «Б» физико-математический
Тема урока
«Потоки энергии в биосфере. Устойчивость биосферы»
Тип урока
Урок формирования новых знаний
Вид урока
Проблемная лекция
Методы и
методические
приемы
1. По уровню активности познавательной деятельности:
• объяснительно-иллюстративный метод (лекция, работа с раздаточным печатным материалом);
• проблемное изложение изучаемого материала (постановка проблемы по ходу лекции);
• эвристический метод (эвристическая беседа).
2. По функциям:
• методы устного изложения и активизации познавательной активности (лекция, демонстрация схем
с использованием анимации, таблиц, фотографий);
• методы закрепления (беседа, применение знаний в новой учебной ситуации);
• методы проверки и оценки знаний (фронтальный опрос при актуализации знаний).
3. По источникам познания:
• словесные методы (лекция, объяснение, беседа);
• наглядный метод (демонстрация мультимедийной презентации);
• практический метод (самостоятельная формулировка закона, постановка проблемы, анализ
последствий).
Цель урока
Сформировать понятие о зависимости устойчивости биосферы от протекающих в ней процессов под
влиянием антропогенной деятельности.
Задачи урока:
Образовательные:
1. Закрепить понятия о круговоротах веществ в биосфере, принципах функционирования экосистем,
трофических уровнях и их роли в преобразовании энергии в экосистеме, этапах развития экосистем
и их устойчивости, а так же свойствах агроэкосистем.
2. Сформировать понятия: энтропии и экосистемы как термодинамической системы.
3. Раскрыть сущность новых экологических закономерностей: правила Шредингера, принципов
Онсагера и Пригожина, законов Бауэра и Линдемана.
Развивающие:
1. Продолжить формирование умений:
• анализировать и сравнивать экологические процессы,
• выделять наиболее существенные признаки и свойства понятий,
• формулировать выводы,
• применять знания в новой ситуации,
• осмысленно устанавливать связи между знакомыми понятиями, закономерностями и новым
материалом,
• записывать конспект лекции,
• составлять схемы процессов.
2. Продолжить развитие психических познавательных процессов:
• мыслительных операций: анализ, синтез, обобщение, сравнение и т.д.
• памяти,
• всех видов внимания,
• восприятия различных видов информации.
Воспитательные:
1. Способствовать формированию у учащихся экоцентристского мировоззрения.
2. Формировать осознание возможности развития взаимоотношений человечества и биосферы по
пути восстановления её устойчивости.
3. Формировать чувство сопричастности к происходящим в биосфере процессам.
4. Развивать умение работать в группе, чувство уважения к чужому мнению.
Оборудование
Компьютер, мультимедийный проектор, интерактивная доска.
Ход урока
этап урока
содержание этапа
№ слайда
I. Организационно-
психологический.
Задачи:
1. Подготовка
учащихся к работе на
уроке.
Взаимное приветствие.
Определение отсутствующих.
Проверка готовности учащихся к уроку.
Организация внимания учащихся.
II. Актуализация
знаний и умений
учащихся.
Задачи:
1. Повторение и
проверка знаний о
геологическом и
биологическом
круговоротах.
2. Совершенствован
ие умений
объяснять и
сравнивать
природ-ные
процессы.
3. Проверка и
закрепление
знаний о
принципах
функционировани
я экосистем.
Вопросы в рамках эвристической беседы:
1. На прошлых занятиях речь шла об особенностях круговоротов веществ в биосфере.
Какие мы знаем круговороты?
Предполагаемый ответ учащихся
• Большой или геологический (абиотический круговорот) и малый или
биологический (биотический) круговороты.
2. В чем заключаются сходства и отличия геологического и биологического
круговоротов?
Предполагаемый ответ учащихся
Отличия:
В биологическом круговороте:
• участвуют живые организмы
• создается и разрушается органическое вещество
• используется ничтожно малое количество энергии и т.д.
Сходства:
• происходит превращение и перемещение химических веществ
• оба круговорота осуществляются за счет солнечной энергии
1. Какими же особенностями обладает солнечная энергия?
Предполагаемый ответ учащихся
1. Избыток
2. Чистота
1,2,3
4
4. Применение
знаний о
принципах
функционировани
я экосистем в
новой учебной
ситуации.
3. Постоянство
4. Вечность
2. В каком принципе функционирования экосистем они проявляются?
Предполагаемый ответ учащихся
Экосистема существует за счет практически вечной, не загрязняющей среду солнечной
энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно
Подведение итогов
данного этапа урока
Итак, экологические системы существуют, развиваются и поддерживают свою
устойчивость лишь за счет постоянного притока энергии. Биосфера - как глобальная
экологическая система, не является исключением. И сегодня мы рассмотрим, как
осуществляется поток энергии в биосфере и как он связан с её устойчивостью.
5
III. Постановка
темы, цели и задач
урока.
Задачи:
1.Сообщение темы,
цели и задач.
2. Показ
практической
значимости изучения
нового материала.
3. Постановка перед
учащимися учебной
проблемы.
Запись в тетради:
Лекция № 12 «Потоки энергии в биосфере. Устойчивость биосферы».
Не вызывает сомнений тот факт, что постоянно растущий запас мощности,
используемой человечеством энергии не может не влиять на процессы происходящие в
биосфере. Во время сегодняшней лекции нам предстоит ответить на вопрос:
Постановка проблемы:
«Как деятельность человека влияет на потоки энергии в биосфере, какие
глобальные проблемы возникают в результате этого влияния?»
5
6
IV Формирование
новых знаний и
умений.
Задачи:
1. Закрепить знания о
Вопросы в рамках эвристической беседы:
1. Рассмотрим уже знакомую нам схему биологического круговорота веществ в
биосфере и проанализируем в какой форме передается и используется энергия на
каждом трофическом уровне.
Дополнение символов перехода энергии в схеме биологического круговорота в
тетради.
7
потоках энергии в
экосистеме.
2. Развивать умение
устанавливать
межпредметные
связи.
3. Сформировать
понятие энтропия.
4. Развитие умений
применять новые
закономерности к уже
известным
процессам.
5. Рассмотреть новые
экологические
закономерности:
правила, принципы,
раскрывающие
изменение энтропии в
биологических
системах.
6. Развивать умение
применить знания
курса физики в новых
условиях –
применительно к
экоситемам.
7. Сформировать
понятие об
экосистеме как
2. Мы видим, что поток энергии в экосистемах однонаправлен. Почему? Каким
физическим закономерностям подчиняется этот процесс?
Предполагаемый ответ учащихся - Энергетические процессы в экосистеме
подчиняются законам термодинамики.
3. Вспомним из курса физики формулировки первого закона (начала) термодинамики:
• Энергия не создается и не уничтожается.
• В любой изолированной системе общее количество энергии постоянно.
• Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней
энергии и на совершение работы над внешними телами.
• Это одна из форм закона сохранения энергии.
При любых процессах, происходящих в системе при неизменных внешних
условиях, ее полная энергия остается постоянной.
Постановка проблемы:
Глядя на схему перехода энергии, самостоятельно сформулируйте первое начало
применительно к экологическим системам?
Предполагаемый ответ учащихся
Запись в тетради:
Энергия в экосистеме не может создаваться заново и исчезать, а только
переходит из одной формы в другую (Е света
Е химических связей органических
соединений; Е химических связей органических соединений
тепловая Е).
4. Вспомним из курса физики второе начало термодинамики.
Формулировки второго закона (начала) термодинамики:
• Невозможен процесс, при котором тепло самопроизвольно переходит от тел,
менее нагретых к телам более нагретым.
• Все самопроизвольные процессы в замкнутой неравновесной системе
происходят в таком направлении, при котором энтропия системы возрастает; в
состоянии теплового равновесия она максимальна и постоянна.
• Процессы, связанные с превращением энергии могут протекать
8
9
10
11
термодинамической
системе.
9. Раскрыть сущность
закона Бауэра.
10. Повторить этапы
развития экосистем и
свойства
агроэкосистем.
самопроизвольно лишь при условии, что энергия переходит из
концентрированной формы в рассеянную.
5. Что же такое энтропия?
Запись в тетради:
Энтропия системы – это мера рассеивания энергии, степень внутренней
неупорядоченности системы.
Ее величина связана со структурой самой системы. В равновесной системе
энтропия высокая, в открытой сложноорганизованной системе – низкая.
6. Посмотрите на схему и подумайте, как меняется энтропия в живых системах в
процессе жизнедеятельности?
Предполагаемый ответ учащихся
Растения аккумулируют энергию в процессе фотосинтеза, животные питаются
сложными органическими соединениями (богатыми энергией), таким образом,
повышая внутреннюю упорядоченность и снижая энтропию.
Запись в тетради:
Отличительная особенность живых организмов, экосистем и биосферы в целом –
способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней
упорядоченности (сложную структурную организацию), то есть состояние с
низкой энтропией.
Откройте список экологических правил и законов (см. Приложение1), с которым мы
работаем на протяжении 11-го класса. Найдите и отметьте правила и принципы,
отражающие данную закономерность, выучите их к следующему уроку.
Правило Шредингера
«о питании» организма отрицательной энтропией: упорядоченность организма выше
окружающей среды и организм отдает в эту среду больше неупорядоченности, чем
получает. Это правило соотносится с принципом сохранения упорядоченности
Пригожина.
Принцип сохранения упорядоченности Пригожина
11
12
13
в открытых системах энтропия не возрастает, а уменьшается до тех пор, пока не
достигается минимальная постоянная величина, всегда большая нуля.
Принцип экономии энергии Л. Онсагера:
при вероятности развития процесса в некотором множестве направлений, допустимых
началами термодинамики, реализуется то, которое обеспечивает минимум рассеивания
энергии.
Постановка проблемы:
Таким образом, мы видим,что биологические системы развиваются в сторону
понижения энторопии, что противоречит второму началу термодинамики.
Получается, что для экосистем второе начало термодинамики не выполняется?
Нет, выполняется т. к. второе начало имеет более общую формулировку, справедливую
для открытых, в том числе живых, систем:
Запись в тетради:
Второй закон термодинамики в применении к экосистемам:
не может быть ни одного процесса связанного с превращением энергии без потери
некоторой ее части (т.е. эффективность самопроизвольного превращения энергии
всегда меньше 100 %). В экосистемах часть энергии превращается в недоступную
тепловую и, следовательно, теряется. Поэтому жизнь на Земле не возможна без
притока солнечной энергии.
7. Какой, уже известный нам, закон экологии отражает данную закономерность
убывания энергии по трофическим уровням?
Предполагаемый ответ учащихся
Закон пирамиды энергий (закон Линдемана):
с одного трофического уровня переходит на другой, более высокий уровень в среднем
около 10% поступившей на предыдущий уровень энергии.
8. Подумайте, как человек в процессе своей хозяйственной деятельности нарушает
14
15
16
17
данный закон?
Предполагаемый ответ учащихся
Потребляет слишком много (более 10% вместо положенного 1%) продукции биосферы,
находясь на третьем трофическом уровне.
9. Итак, что представляет собой экосистема с точки зрения термодинамики?
Предполагаемый ответ учащихся
Запись в тетради.
С термодинамической точки зрения, экосистемы – это неравновесные системы,
постоянно поглощающие из окружающей среды энергию, вещество и
информацию, уменьшая энтропию внутри себя, но увеличивая энтропию вовне в
связи с рассеиванием тепловой энергии на каждом трофическом уровне.
10. Какое значение для биосферы имеет постоянный поток энергии из экосистемы в
окружающую среду?
Эрвин Бауэр так же сделал вывод о том, что экосистема находится в состоянии
устойчивого неравновесия и развивается в сторону понижения энтропии. В процессе
рассеивания энергии экосистема увеличивает свою внешнюю работу – воздействует на
внешнюю среду, при этом развивается и обуславливает эволюцию биосферы.
Обратимся вновь к нашему списку (Прложение1) и найдем закон Бауэра, отметим и
выучим к следующему уроку.
Закон исторического саморазвития экосистем (Эрвина Бауэра):
развитие биологических систем есть результат увеличения их внешней работы –
воздействия этих систем на окружающую среду.
Согласно закону Бауэра эволюция биосферы протекает под действием внешней работы
(энтропии) слагающих ее экосистем. При повышении энтропии до определенного
порога эволюция вынуждена идти экстенсивно, с темпом, диктуемым преобразованием
природы человеком, а не ходом естественных явлений. Это может привести к
самодеструкции живого вещества планеты. Сейчас уже можно видеть проявление
этого процесса в виде массового размножения отдельных организмов, разрушающих
18
19
20
сложившиеся экосистемы.
11. Давайте вспомним основные этапы развития экосистем.
Предполагаемый ответ учащихся
Рост, стабилизация, климакс. То есть экосистема сначала является растущей, а затем
становится зрелой.
Сравним растущую и зрелую экосистему по основным показателям.
Показатель
Растущая
экосистема
Зрелая экосистема
Продуктивность
высокая
низкая
Видовое разнообразие
мало
велико
Структурное разнообразие
слабо организовано
хорошо
организовано
Жизненные циклы
короткие и простые
длинные и сложные
Скорость обмена веществ между
организмом и средой
высокая
низкая
Давление отбора
на быстрый рост
популяций
на регуляцию
обратной связи
Сохранение биогенных веществ
с потерями
полное
Устойчивость
низкая
высокая
Энтропия
высокая
низкая
Информация
мало
много
21
Мы видим обратную зависимость между энтропией и устойчивостью, которая
достигается увеличением количества видов, а так же энтропии и продуктивности
экосистемы.
В соответствии с основным законом экологии устойчивость непосредственно связана с
разнообразием, а высокая продуктивность дает низкую надежность.
12. Таким образом, что является основной стратегией экосистем?
Предполагаемый ответ учащихся
Повышение устойчивости и снижение продуктивности.
13. Учитывая постоянный рост популяции человека, какова стратегия человечества?
Предполагаемый ответ учащихся
Получение максимума урожая (продукции). Поэтому он создает агроэкосистемы.
14. Вспомним основные особенности агроэкосистем?
1. Высокая продуктивность
2. Низкое биологическое разнообразие
3. Высокая энтропия
4. Низкая устойчивость
5. Внесение большого количества
антропогенной энергии
Человек замедляет развитие экологических систем на ранних стадиях развития,
характеризующихся высокой продуктивностью, поддерживая низкое видовое
разнообразие, что ведет к гомогенизации систем биосферы, к упрощению внутренней
организации системы, и как следствие вызывает повышение энтропии и снижение
устойчивости.
21
22
23
Подведение итогов
данного этапа
Таким образом, деятельность человека и прямо и косвенно затрагивает и изменяет
потоки энергии в конкретных экосистемах и биосфере в целом. Не вызывает сомнений,
что все это не может не иметь последствий.
V. Закрепление и
обобщение
полученных знаний.
Разбейтесь на группы и в течении 2-3 минут напишите как можно больше примеров
влияния антропогенной деятельности на энергетические потоки в биосфере и
попытайтесь продумать, чем это может быть опасно для биосферы.
24
Задачи:
1. Закрепить знание
законов Линдемана,
Бауэра применив их
при ответе на
проблемный вопрос.
2. Применить знание
этапов развития
экосистем, свойств
агроэкосистем,
понятия энтропия при
ответе на
проблемный вопрос.
Предполагаемые ответы учащихся
1. Человек потребляет более 10% продукции биосферы, хотя по закону Линдемана
это потребление не должно превышать 1%. Это приводит к снижению
устойчивости и разрушению природных экосистем, что выводит всю биосферу из
состояния устойчивого равновесия.
2. Человек изменяет термодинамические процессы в биосфере, привнося
антропогенную энергию (ископаемого топлива, атомного ядра, ГЭС и др.), что
увеличивает поток тепловой энергии с поверхности планеты. Тепловая энергия
накапливается в атмосфере, что приводит к глобальному изменению климата
планеты.
3. Замена, разнообразных внутренне, естественных экосистем на монотонные
агроэкосистемы приводит к росту энтропии, а значит снижению устойчивости
биосферы.
4. Увеличение энтропии приводит к экстенсивному течению эволюции, что может
привести к саморазрушению живой материи или глобальному изменению
видового состава и всего облика биосферы. Это приведет к глобальным
перестройкам на всех уровнях экосистем и может привести к очередной
катастрофе в процессе эволюции биосферы, во время которых погибала большая
часть биомассы биосферы, и начинался новый этап ее эволюции.
VI.
Подведение итогов
урока
Задачи:
1. Анализ работы
учащихся и
эффективности
усвоения учебного
материала.
Анализ активности, полноты, логичности ответов учащихся, выставление оценок.
VII.
25
Домашнее задание
Задачи:
1. Сообщить
учащимся домашнее
задание.
2. Разъяснить
методику
выполнения.
1. Выучить конспект лекции.
2. Выучить законы, принципы и правила из списка.
3. Выбрать любую проблему, возникающую вследствие изменения потоков энергии
и предложить пути её решения.
4. По желанию:
предложить формулировку темы экологического проекта в области энергетических
проблем биосферы, собрать дополнительный материал, иллюстрирующий данные
проблемы, для организации работы над экологическим проектом.
