高中生物人教版 (新课标)选修3《现代生物科技专题》5.2 生态工程的实例和发展前景教学设计

这是一份高中生物人教版 (新课标)选修3《现代生物科技专题》5.2 生态工程的实例和发展前景教学设计，共9页。教案主要包含了教学目标，教学重点和难点，教学策略，答案与提示，知识拓展等内容，欢迎下载使用。


一、教学目标
1.举例说出生态工程的实例，说出这些实例所运用的主要生态工程原理。
2.评述生态工程发展前景，说出生态工程的局限性，举例说出我国生态工程的特点。
3.尝试设计简单的生态工程。
二、教学重点和难点
1.教学重点
生态工程的实例。
2.教学难点
应用生态工程的原理，设计简单的生态工程。
三、教学策略
教材选择的六个生态工程各有特色，教师可以根据学生的经验，区域的特点进行选择，“搭配”出适于学生学习的内容。例如，在第一节的教学中组织了实践活动《调查沼气工程的实施情况》，教师要精心设计参观内容，让学生通过调查，总结出以沼气工程为中心的农村综合发展型生态工程的特点。
小流域综合治理生态工程的教学可以通过资料分析进行；如果学生的家乡有这类问题，教师就应从社会调查入手开展教学活动，使学生对具有我国特色的生态工程有一定的了解。教学中要注意强调我国农民和科技工作者在实践中的创造，让学生理解实践出真知的道理，培养学生求实、创新及勇于实践的科学精神和科学态度。
大区域生态系统恢复工程的教学，师生可以通过搜集资料了解我国沙漠化现状和三北防护林建设的背景、发展前景及存在的问题。在有条件的地区，应组织学生开展植树等志愿者活动，积极参加生态工程的建设。
湿地生态恢复工程的教学，可适当加入湿地的生态功能、我国湿地面临的问题，以及生物多样性的保护等内容。可采取聘请专家开设专题讲座等多种方式进行，也可以组织志愿者活动，如去湿地观鸟、考察等，让学生重视湿地生态系统的保护，关注湿地生态恢复工程的建设，在教学中注意整体性原理的应用。
关于矿区废弃地生态恢复工程的教学，如果学生没有这方面的经验，除教材中的实例外，教师可查阅相关资料，如向学生介绍德国的矿区废弃地生态恢复工程（德国在这方面的工作很有特点）。
城市环境生态工程的教学，一种方式是对环境问题进行调查，组织学生进行研究性学习，如将学生分成不同的课题小组，分专题研究城市生态系统的主要问题，调查城市生态工程的现状，以小专题（如校园或小区绿化）的形式设计城市生态工程，撰写调查报告和开答辩会等。另一种方式是可以带领学生调查城市生态系统存在的问题，讨论目前所采用办法的利与弊，并在有条件的地方，组织学生参观城市环境生态工程，如污水处理厂、生态园区等。但无论哪种教学模式，都要把教学落实在学生的行动上，积极组织学生参加生态工程的建设和环保活动，提高学生的环保意识，并用行动教育周围的居民自觉地保护环境。
关于“生物圈2号”内容的教学，虽然“生物圈2号”在初中和高中必修模块中都有介绍，但作为人工模拟自然生态系统的工程，在本专题中还有必要进行认真地分析。对这部分内容的讲授，一方面是从科学实验的角度学习，如教师提出实验方案，与学生讨论其设计思路，最主要的是总结分析其失败原因和带来的启示。另一方面，可以从一个导游者的角度，带领学生进行“生物圈2号”虚拟参观，让学生以游记的形式记录所见所闻，或以当年进入“生物圈2号”的科学家的口气描述实验的过程，反思其失败的原因。
关于我国生态工程前景的分析与展望的教学，应在总结中西方生态工程区别的基础上，突出我国生态工程的特点，还可以让学生搜集古代哲学家的思想对生态工程和环境保护影响的名句。同时，应让学生理解建立生态工程是人们不得已而为之的，存在一定的局限性，而保护环境、建立循环经济是最根本的。可以引领学生分析“思考与探究”第1题中关于朝鲜三八线的例子，思考从一片没有生命的焦土到生机勃勃的野生生物的乐园这一过程中带给人们的启示。
四、答案与提示
（一）思考与探究
1.分析朝鲜三八线的资料（具体资料见教材），说明它所蕴涵的意义。
提示：生态工程的恢复作用是有限的，不能认为只要有了生态工程，就可以先污染，后治理。人类迄今尚没有能力完全模拟出自然的生态系统。自然生态系统发展到今天已经过几十亿年的进化，每平方公里每年的无形服务价值高达6.4万美元，而为了达到同样的效果，用人工制造和模拟的办法，人类至少要花费10亿美元还不尽如人意。
另一方面，自然生态系统具有相当的自我恢复能力，我们在生态工程建设中应该积极利用自然生态系统的这种能力，以节省投资。
2.在我国北方地区，由于冬天气温很低，会导致农作物不能生长，家畜生长缓慢，甚至停止，沼气池不能正常产气；而农民要解决蔬菜的不间断生产问题。很显然，大量使用造价昂贵、并用燃料加热的玻璃温室是不符合我国国情的。你能用所学知识，设计一种生态工程，来较好地解决上述问题吗？请在画出其物质和能量结构图的基础上，说明你所依据的生态工程原理。
提示：（以下为参考答案，可让同学们进行其他设计）
教材中“四位一体”的图所示为近年来出现在我国北方农区的一种生态工程类型，它较好地解决了习题中所述问题。“四位”指沼气池、猪禽舍、厕所及日光温室四部分，是庭院经济与生态农业相结合的一种生产模式。它的运行原理为：日光温室的增温效应可使蔬菜等作物在冬天也能正常生长；同时也使猪禽免受严寒而快速生长；温室内的植物为动物提供氧气，同时吸收二氧化碳；人、猪、禽的粪尿及蔬菜废弃物和秸秆等物质投入沼气池产气，同时温室的高温也提高了沼气在冬天的产气稳定性；沼液和沼渣又是蔬菜的良好肥料，有助于减少蔬菜的病虫害，提高蔬菜的产量和质量。
“四位一体”充分应用了物质循环和生物多样性等原理，提高了单位土地面积的产出，同时减少了环境污染，大大提高了农业的综合效益。“四位一体”的物质循环见图5-2：
图5-2“四位一体”生态工程物质循环示意图
（二）正文中讨论题
【农村综合发展型生态工程案例】
1.在这一案例中，主要运用了哪些生态工程的基本原理？
提示：物质循环再生原理、整体性原理、物种多样性原理等。
2.这一生态系统的结构和功能有哪些特点？有哪些值得借鉴的做法？
提示：这个案例以沼气工程为核心，农林牧副渔各业全面发展，增加了劳动力就业机会，促进了经济发展；同时又降低了环境污染，促进了农村的可持续发展。
【小流域综合治理生态工程案例】
分析甘肃省陇南县的“九子登科”模式，在说明“九子”措施含义的基础上，谈谈你对小流域综合治理生态工程的理解。
补充资料──“九子登科”措施的具体意义
●山顶戴帽子：山头实行封禁管理、营造水土保持林，保护和恢复植被；
●山腰系带子：半山陡坡退耕还林还草，发挥林草拦蓄作用，减少径流；
●坡地修台子：坡耕地以坡改梯田为突破口，建设基本农田，为调整农业产业结构提供条件；
●地埂锁边子：充分利用地埂种植经济作物，既获得经济效益，又保护地埂；
●荒地荒沟栽苗子：在荒山、荒沟、荒坡地建设薪炭林；
●山脚种果子：山脚发展经济林果园，促进商品经济发展；
●沟底穿靴子：在干、支、毛沟沟底修建谷坊、拦挡坝，建设沟坝地，拦蓄泥沙，防止沟壑被水冲蚀而导致其不断扩张；
●见缝插针钉扣子：利用田间地头、房前屋后栽植林果，发挥零星作用，提高治理程度；
●秋田盖罩子：在缓坡耕地改顺坡种植为横坡等高种植、实行地膜覆盖等保土耕作措施。
1.小流域的综合治理，“综合”表现在哪些方面？
提示： “综合”表现在它一改以前的单纯造林和蓄水、减沙等工程模式，同时考虑到了生态效益和经济效益：不但注重通过还林、还草、筑坝等措施达到蓄水、降低土壤侵蚀的生态效果；还考虑如何提高人们的生活水平。例如，不但种植农作物，还同时种植经济作物来提高人们的收入；考虑到了种植薪柴林解决人们的燃料来源问题。各种措施的结果是建立一个稳定、持久、高效的生态系统。
2.为什么要针对不同的地形采取不同的措施？这体现了生态工程的什么原理？
提示：山顶土壤条件、气候条件恶劣，不宜蓄水，交通不便，改造成本高，适宜封山，依靠自然恢复力来恢复植被；山腰、荒地等土壤，虽然水分条件较好，但是仍不适宜种植农作物，对于这样的地方可以自然恢复，也可以人为种植适宜的林木、草或果树等，加快植被恢复速度，这样既能降低土壤侵蚀，又能创造一定的经济效益；对沟底而言，应建设堤坝系统，它可以蓄水和淤积土地，还能够减少山体的崩塌和滑坡，保证人民的生命财产安全；对坡地和山脚农田来说，土壤、水分条件良好，交通也较方便，土地生产力高，适宜种植农作物来解决人们的粮食和收入等问题，但是在坡地上要水平梯田种植，以减少水土流失。根据不同的地形采取不同的措施，既要考虑到生态效益，又要考虑到人们的生活和收入问题，这体现了生态工程协调与平衡、因地制宜的原理和思想。
3.从这一案例看，当地是怎么做到经济效益与生态效益相统一的？这一模式在其他小流域能够照搬吗？
提示：上题分析中已解答了经济效益与生态效益的统一问题。这种模式在其他小流域不能照搬，还是要因地制宜地进行生态工程建设，不同气候带、不同自然条件和不同经济发展水平的地区，其生态工程的模式应各具特色。
【大区域生态系统恢复工程──“三北”防护林案例】
1.国家为什么投入巨大的人力和物力兴建三北防护林工程？这一工程为什么需要如此漫长的时间？
提示：三北防护林跨越中国13个省、直辖市、自治区，对我国具有重要的意义：生态环境的质量关系到这一地区人民的生产和生活问题，对维护社会稳定具有重要意义；更重要的是，这一地区的生态环境关系到下游地区人民的生产、生活和经济发展，如黄河上游的水土流失容易导致下游地区的洪水泛滥，而危害巨大的沙尘暴的发生也与这一地区的土地沙漠化关系密切；同时这里自然矿产资源丰富，对我国的经济发展和国家安全具有重要战略意义。
这一地区区域广阔，气候、自然条件复杂，总体经济发展水平较低等情况也决定了这个工程需要较长的时间，非一朝一夕之功。
2.这一工程横跨多个省区，根据协调与平衡原理和生物多样性原理，不同地区在造林设计上应当注意什么问题？
提示：首先应考虑树种的生态适应性问题，种植适宜品种，宜林则林，宜灌则灌，宜草则草；其次要考虑树种的多样性，保证防护林体系的稳定性；不同地区应根据当地情况采取不同的策略，如条件恶劣的地区应该结合自然恢复力，而农区的防护林中农田防护林网可能占较大比重。
【湿地生态恢复工程案例】
1.当初人们为什么要围湖造田？
提示：主要原因：我国历来人多地少，在“以粮为纲”的年代，围湖造田，种植农作物，以生产更多的粮食；片面强调经济发展，没有认识到湖泊的巨大生态调节功能也是重要原因。
2.为什么说“退耕还湖”是一项巨大的系统工程？实施这一工程面临的主要困难是什么？
提示：退耕还湖不仅包括退耕地为湖区，还包括退耕后湖区上游以及湖区周围的生态环境保护工作；更重要的是原耕地上居民的迁移，要解决迁出居民的生活和就业等问题，这是退耕还湖工程的主要困难。
3.地处湖区上游的人们对湿地恢复生态工程负有什么责任？
提示：保护环境，减少水土流失和水污染。例如,减少工厂、生活污水往水体中的排放，农田中减少化肥和农药的施用量等。
【矿区废弃地的生态恢复工程案例】
1.在这一案例中，恢复植被的措施是植树和种草，为什么不是种植农作物？
提示：矿区土壤条件恶劣，不适宜农作物的生长，因此代之以适应性强，耐旱的灌木、草和树。
2.怎样合理地筹划养殖肉牛的数量？
提示：首先要考虑到牧草的产量，以草定畜；从外地调运饲料要考虑饲养成本；更重要的是要考虑到土地对粪肥的承载力,以及对粪肥的加工或利用情况，要保持在承载力范围以内，以免养殖规模过大，粪肥数量巨大而造成新的污染。
3.除煤矿外，你知道还有哪些矿区吗？这些矿区的恢复工程与煤矿是否有不同之处？
提示：除煤矿外，还有金矿、铁矿等。这些生态恢复工程最重要的是改良表土，恢复植被，但要因地制宜。
【城市生态工程】
1.汽车尾气是城市大气污染的主要来源之一，汽车噪声又是城市噪声污染的主要来源。你认为应当限制城市居民购买汽车吗？为什么？如果不限制，应当采取什么措施来减少由汽车造成的污染？
提示：减少污染的措施：制定法律法规，禁止市区内鸣笛，禁止使用含铅汽油，鼓励使用电力、天然气等无污染能源的新型汽车，以及对其的研究和应用等。
2.城市的水污染问题应当采取哪些措施来解决？每一个城市居民应当在这方面承担什么责任和义务？
提示：减少或禁止工厂的污水排放；进行污水净化回收利用；实行雨水和污水分流。
每一个城市居民都应该树立节水意识、宣传节水的意义，家庭生活中应该使用无磷洗衣粉和洗涤剂，制止或减少生活中的水污染行为。
（三）旁栏思考题
发达国家与我国的生态工程建设强调的重点有所不同，为什么？
提示：发达国家经济发展水平较高，人均土地、水等资源占有量较多，所以这些国家的生态工程往往注重生态恢复，而较少注重经济效益。而我国人口较多，人均土地、水资源和能源占有量少，所以在进行生态工程时，一定要注重生态效益、社会效益和经济效益的统一。
五、知识拓展
1.你知道美国的罗斯福工程吗？
19世纪中叶，美国鼓励向半干旱的西部大草原移民开荒，认为这是既发展西部又解决就业问题的聪明之举。1860～1890年间，90 000 km2不宜作为农田的天然草原被开垦。但由于农作物的地面覆盖远没有草地来得有效，加上过度垦、牧造成土地大面积沙化，从而提供了沙尘源。从20世纪30年代起，沙尘暴渐成气候。1934年5月12日，一场巨大的风暴席卷了美国东部与加拿大西部的辽阔土地。风暴从美国西部土地破坏最严重的干旱地区刮起，形成一个东西长2 400 km，南北宽1 500 km，高3.2 km的巨大的移动尘土带，空气中含沙量达40 t/km3，遮天蔽日，向东部横扫过去，直达首都华盛顿。风暴持续了3天，掠过了美国2/3的大地，约3×108 t土壤被刮走。风过之处，水井、溪流干涸，牛羊死亡，冬小麦严重减产，人们背井离乡。这就是震惊世界的“黑风暴”（Dust Bwl）事件。类似事件后来又发生过若干起。
1934年起罗斯福总统紧急实施“大草原各州林业工程”，即“罗斯福工程”。工程规划沿西经100度线种植一条纵贯美国的防护林带，南北长约1 850 km，东西宽160 km，建设范围约1 851.5×104 hm2。用了约8年时间（1935～1942年），营造林带总长28 962 km，面积约105 hm2。到20世纪80年代中期，人工营造的防护林带总长16×104 km，面积约65×104 hm2。
在开展造林工程的同时，美国成立了土壤保持局，鼓励各州采取土壤保持措施，如农田免耕、覆盖、休耕、粮草轮作、退耕还草等措施；同时把新垦地上的几十万居民举家迁往西海岸。这些系统的生态治理措施，使得美国后来基本上控制了黑风暴。这是人类应用生态工程改造环境的一个良好案例。
2.你知道“斯大林改造大自然计划”的前因和后果吗？
前苏联从1954年开始提出“让荒地服务于社会主义”的口号，在哈萨克、乌拉尔等地的半干旱草原上，10年之内盲目开垦了约6×105 km2土地。这虽然一度使前苏联粮食年产量增加了大约2/3，但却造成了植被和表土结构的破坏。在1960年3月和4月，两次出现大面积黑风暴，仅哈萨克新垦区农田就被毁了2×105 km2。其农耕系统几乎瘫痪，连邻国罗马尼亚、匈牙利和南斯拉夫也都尘土迷漫。比黑风暴波及更广、持续更长的，是同时发生并绵延至今的白风暴。前苏联在土库曼斯坦卡拉库姆沙漠中修建卡拉库姆运河，从亚洲第三大湖咸海的主要水源──阿姆河调水，灌溉农田和草场。这种“创造性地再造自然”带来了一系列生态环境问题：阿姆河河水被截走，使得阿姆河下游的咸海水位急剧下降，30年间湖岸线后退了10～20 km，咸海湖底盐碱裸露，周围地区沙化严重，“白风暴”（含盐尘的风暴）接踵而来，不仅使咸海附近的环境荒漠化，还永久性地毁灭了60%的新垦区，使其成为生命的禁区，导致了不可逆转的生态灾难。
1948年，前苏联实行了“苏联欧洲部分草原和森林草原地区营造农田防护林，实行草田轮用，修建池塘和水库，以确保农业稳产高产计划”，这就是所谓的“斯大林改造大自然计划”。规划用17年时间（1949～1965年），营造各种防护林57×105 hm2。实际营造各种防护林287×104 hm2。1967年，前苏联发布“关于防止土壤侵蚀紧急措施”的决议，将营造各种防护林列为防止土壤侵蚀的主要措施，再次把防护林建设列入国家计划。到1985年，前苏联已营造防护林约55×105 hm2；国家防护林带13.3×104 hm2，总长11 500 km，这些林带分布在分水岭、平原、大河两岸、道路两旁，对调节径流、改善小气候、提高农作物产量等起到明显作用。20世纪80年代末期，前苏联解体，防护林大规模营造活动中止。
从总体上看，前苏联把生态恢复和保护工程片面理解为只是营造农田防护林网，而且是“改造”自然的行动；但伴随造林工程的不是退耕还林还草，反而是耕种面积的进一步扩展和生产用水扩大。其结果是虽然到1953年营建的防护林近23×105 hm2，但到20世纪60年代末，保存下来的防护林面积只有2%，其结果就是生态环境局部变好而整体恶化。
3.最近这些年来我国北方沙尘暴问题日益严重的主要原因是什么？
沙尘暴的形成及其大小，直接取决于风力、气温、降水及与其相关的土壤表层状况。气候异常、高空气流运动、气温升高是造成沙尘暴的主要原因；降水稀少导致表层土壤干燥、疏松；植被破坏、沙化土地不断扩展是沙尘暴频繁发生的重要原因，而这与人类的毁林毁草开荒、过度放牧、滥樵滥采等破坏活动密切相关；同时城市建设中工地裸露也是扬沙浮尘天气的原因之一。
4.有什么新方法处理农作物的秸秆？
秸秆还田、青贮饲料、沼气发酵和秸秆汽化等。
秸秆汽化技术是近年来发展的一项较新的秸秆利用技术。秸秆经过汽化后，生成可燃气体（相当于发生炉煤气），用于农村居民的炊事及采暖，也可生产电力。这种技术比秸秆在作为燃料使用时的热效率大大提高，可以更有效地利用，并减少了环境污染。
5.薪炭林种植的树种有什么特点？
薪炭林具有生长稳定、速生、高产、发芽率高、热值高等特性，包括天然林和人工林。发展以生产燃料为主要目的薪炭林是我国森林发展的重要方面。发展薪炭林，不仅关系着我国林业建设成效，也是缓解我国薪材供求矛盾和农村能源短缺的重要措施，对于改善林种树种结构，增强森林适应社会和抗御自然灾害能力，维护和改善生态环境，促进秸秆、畜粪还田和农村经济发展都具有重大战略作用。
6.生物净化生态工程如何用于解决水体的富营养化？
包括养殖场、屠宰场废水在内的高浓度有机废水，虽然经过厌氧处理（沼气发酵），可以有效的降低生物耗氧量（BOD）和化学耗氧量（COD），但是沼液中大量的氮、磷养分并未脱去。如果集中排入水体，仍然可能导致富营养化。这种情况与由于面源污染和城市污水引起的富营养化是一样的。关键是如何能有效地脱出过多的氮、磷等，以至脱去水中的重金属。原中国水稻所科技人员创造了用浮床种植特殊的水生、半水生植物的办法，较好的解决了这个问题，所定期采收的绿色植物体有的可以直接用做饲料，或加工成绿肥，有的甚至在大量干燥处理后进行金属的熔炼，提取铜、锌、汞等金属。目前国内外都有类似的试验。该技术一般在1～2年内就能使水体内原来的劣Ⅴ类标准净化达到Ⅲ类标准，并能使沉水植物和底栖生物等水生生物得到自然恢复，使水生态系统逐步达到稳定状态。
7.“生物圈2号”生物群落分区的情况是怎样的？
（1）人类居住区
这是首批“生态航行者”曾居住过的房间，现以博物馆的形式向公众开放。在第一层准备了一个有关地球发生气候变化的展览。通过电脑演示，参观者可以发现，当温室效应增强时，地球上将可能发生什么情况，并且可以参与设想各种拯救地球的方案。
（2）“肺”（大气扩张室）
在“生物圈2号”中，“肺”的作用是贮存缓冲空气，并推动空气在“生物圈2号”中的运动，以适应“生物圈2号”内的压力变化，这样可以避免温室发生爆炸。
（3）农业区
温室的农业区称为精细农业生态区，在那里生产科学家所需要的食物，还要进行恶劣条件下可持续农业的实验。
（4）沙漠
在“生物圈2号”内模拟的沙漠是以美国加利福尼亚沿海沙漠的生态系统为样板（冬季靠雨水灌溉）。目前正在进行的研究,是为了确定生物体在多大程度上能够适应这种土壤条件，尤其是适应湿度的重大变化。移植的植物大部分是所谓的“多汁”植物（肉质植物），其中包括各种仙人掌。
（5）热带雨林
模拟热带雨林的生态系统区占地约2 000 m2，最高处达28 m。这个区域包括了绝大部分热带植物，其中以亚马孙河流域的物种占多数。该生态区内部为各个物种提供了8个不同的生态环境，其中有山脉、河流、瀑布和芦苇丛生的湖泊等。
（6）热带草原
这个区域分为两个部分，分别种植着不同植物。一部分由佛罗里达州大沼泽地岛上的水生植物和各种金合欢属植物（经过挑选，以便进行生产橡胶的试验）组成，另一部分则长满果树，主要是芒果树。
（7）海洋
海洋以加勒比海珊瑚礁的生态系统为样板，由一个3 500 m2的大水池构成海洋。选择的物种较齐全，从浮游生物到大型捕食动物都有。目前的研究涉及珊瑚礁的营养循环，以及过量的二氧化碳对珊瑚生长的负面影响。
8.“生物圈2号”用了多长时间建成？
“生物圈2号”于1986年11月破土动工。1991年9月，第一批8名实验者进入其中并开始实验。1993年2月，向“生物圈2号”输氧，人员撤出。1994年2月第二批7名实验者进入其中，几个月后撤出，实验失败。
9.什么是“精确农业”？
精确农业（precisin agriculture，PA），或称精细农业、精准农业，是大约20年前在美国明尼苏达大学的土壤学者倡导下开始探索的环境保护型农业的通称。作为基于信息高科技的集约农业，PA将遥感、地理信息系统、全球定位系统等技术与作物生长模型、作物—土壤养分动态等农学技术，以及传感技术、电脑控制喷洒施肥装置等农业机械技术结合起来，实现在农业生产全过程中对农作物、土地、土壤从宏观到微观的实时监测，进行因地（土地空间分布）制宜地精确施肥和用药，做到增产、节肥（药）、节水和减少农业化学品对环境的污染，同时实现生产率的提高和可持续发展。