“自然選擇對(duì)種群基因頻率變化的影響”的模擬活動(dòng)

“自然選擇對(duì)種群基因頻率變化的影響”是人教版高中生物教材《遺傳與進(jìn)化》模塊中的一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)。自然選擇的具體過程怎樣?自然選擇是如何影響種群基因頻率的呢?教材中采用了構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的方法，步驟如下：

(1)創(chuàng)設(shè)數(shù)字化情況：1870年，樺尺蠖種群基因頻率如下：

SS為10％、Ss為20％、ss為70％、S基因頻率為__％。在樹干變黑的環(huán)境下，不利淺色樺尺蠖的生存，每年減少10％，黑樺尺蠖每年增加10％。

(2)計(jì)算2～10年間，SS、Ss、ss三種基因型個(gè)體的相對(duì)數(shù)量變化。

(3)將計(jì)算結(jié)果記錄到表1。

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為：在學(xué)習(xí)過程中，獲得知識(shí)的多少取決于學(xué)習(xí)者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、體驗(yàn)去建構(gòu)有關(guān)知識(shí)的能力，而不取決于學(xué)習(xí)者記憶教師講授內(nèi)容的能力。教材編寫人員在教材基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬探究活動(dòng)，力求讓學(xué)生在直觀的感受和計(jì)算中體會(huì)生物進(jìn)化的具體過程，在活動(dòng)中逐步培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題與交流、合作的能力，以期提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。

1 活動(dòng)簡介

1.1 過程簡介

在該模擬實(shí)驗(yàn)中，用鋪有黑紙的講臺(tái)代表被煤煙污染的環(huán)境，黑、白兩種小卡片分別代表深、淺兩種樺尺蠖，三名學(xué)生分別模仿樺尺蠖的天敵，如：各種鳥類。教師用計(jì)時(shí)器控制時(shí)間，讓3名學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)比賽抓取(捕捉)卡片，然后組織學(xué)生統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)前后各種卡片的數(shù)量和并計(jì)算s、s的基因頻率。

1.2 活動(dòng)器材

①背面寫有ss的黑色卡片10張(代表10％的深色樺尺蠖)、背面寫有Ss的黑色卡片20張(代表20％的深色樺尺蠖)、背面寫有ss的白色紙卡片70張(代表70％的淺色樺尺蠖)；②計(jì)時(shí)器一只；③鋪有黑紙的講臺(tái)。

2 活動(dòng)過程

2.1 導(dǎo)入新課

教師首先呈現(xiàn)多幅幻燈片，讓學(xué)生找出“花叢中的蝴蝶”、“隱藏在叢林里身著迷彩服的戰(zhàn)士”以及英國曼徹斯特地區(qū)不同時(shí)期的樺尺蠖，進(jìn)而以問激疑：自然選擇是生物進(jìn)化的原因，那么自然選擇是如何推動(dòng)生物的進(jìn)化?生物進(jìn)化的本質(zhì)又是什么呢?今天我們將通過一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)來探究這兩個(gè)問題。

教師請(qǐng)學(xué)生自主閱讀課本116-117頁實(shí)驗(yàn)的1、2兩段，并觀察講臺(tái)(鋪有黑紙)和卡片，猜一猜這些卡片分別代表什么?

2.2 提出問題

教師聯(lián)系畫面及卡片，讓學(xué)生進(jìn)入“模擬環(huán)境”，進(jìn)而設(shè)問：

在被嚴(yán)重污染的曼徹斯特地區(qū)，什么顏色的樺尺蠖最容易被它們的天敵發(fā)現(xiàn)進(jìn)而被捕食呢?

與樺尺蠖體色相關(guān)的s、s基因頻率會(huì)如何變化呢?

這種基因頻率變化與自然選擇之間有必然的聯(lián)系嗎?

2.3 作出假設(shè)

教師留出時(shí)間讓學(xué)生充分討論交流，待意見相對(duì)統(tǒng)一后請(qǐng)學(xué)生發(fā)表各自的看法，師生共同討論后形成假設(shè)(自然選擇可以使種群的基因頻率發(fā)生定向改變)。

2.4 實(shí)施探究

2.4.1 設(shè)計(jì)表格，處理數(shù)據(jù)

教師不斷設(shè)疑以問題串的形式逐步呈現(xiàn)：

需要在實(shí)驗(yàn)前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理嗎?

怎么處理(算出桌面上這個(gè)“樺尺蠖的種群”的基因型頻率和基因頻率，如表中“實(shí)驗(yàn)前”數(shù)據(jù))?

每一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果都要進(jìn)行記錄處理嗎?可以以什么方式記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果(設(shè)計(jì)表格嗎)?

如何設(shè)計(jì)呢(表格如表2所示)?

2.4.2模擬“捕捉”，及時(shí)計(jì)算

教師選好“天敵”、布置好任務(wù)后，宣布“捕捉”開始，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，“捕捉”結(jié)束后組織學(xué)生統(tǒng)計(jì)各種基因型的個(gè)體數(shù)。

然后教師繼續(xù)設(shè)問導(dǎo)學(xué)：

剛才三位同學(xué)的實(shí)驗(yàn)過程模擬的是生物進(jìn)化中的什么過程?

經(jīng)過“自然選擇”之后，該模擬種群中相應(yīng)的基因型頻率和基因頻率會(huì)發(fā)生什么變化?哪種樺尺蠖更適應(yīng)環(huán)境呢?請(qǐng)大家通過計(jì)算說明(如表2中“第一次實(shí)驗(yàn)后”數(shù)據(jù))。

如果繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，你能預(yù)測(cè)一下“第二次實(shí)驗(yàn)后”的大致數(shù)據(jù)嗎?

2.4.3 繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，及時(shí)釋疑

教師重新選擇“天敵”、布置任務(wù)，以驗(yàn)證上述預(yù)測(cè)進(jìn)而得出結(jié)論。但實(shí)際教學(xué)中學(xué)生會(huì)有疑問，如：在進(jìn)行第二次實(shí)驗(yàn)前，是不是該對(duì)原來的種群適當(dāng)補(bǔ)充一些新生的個(gè)體?因?yàn)檫@期間樺尺蠖還在不斷地繁衍后代嗎?

教師可以讓學(xué)生討論分析：

①確實(shí)應(yīng)該少量補(bǔ)充!

②大致按照怎樣的比例添加黑白卡片?

③如果不補(bǔ)充對(duì)以后的實(shí)驗(yàn)影響大嗎?

借此機(jī)會(huì)可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和分析解決問題的能力。在成功釋疑之后再繼續(xù)實(shí)驗(yàn)、獲取數(shù)據(jù)(如表2中“第二次實(shí)驗(yàn)后”)。

2.4.4 分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論

獲得了表2中的兩組數(shù)據(jù)之后，教師因勢(shì)利導(dǎo)，讓學(xué)生就s、s基因頻率發(fā)生改變的趨勢(shì)，生物進(jìn)化與基因頻率變化之間的關(guān)系展開討論和交流，并讓學(xué)生匯總后分別匯報(bào)。

最后師生共同小結(jié)得出結(jié)論：

生物的進(jìn)化與基因頻率的變化趨勢(shì)是一致的，即：生物進(jìn)化的實(shí)質(zhì)是種群基因頻率改變，自然選擇決定了生物進(jìn)化的方向。

2.4.5 繼續(xù)探究，升華情感

經(jīng)過了兩次模擬活動(dòng)，學(xué)生已經(jīng)進(jìn)入了“自然選擇”的情境，較為直觀、深刻地了解了“自然選擇”的過程和本質(zhì)，此時(shí)，教師還應(yīng)該在此基礎(chǔ)上布置繼續(xù)探究的任務(wù)，以喚起學(xué)生保護(hù)環(huán)境的社會(huì)責(zé)任感。

教師可繼續(xù)以問題導(dǎo)學(xué)的方式引導(dǎo)學(xué)生思考：如果我們請(qǐng)6名同學(xué)同時(shí)完成該實(shí)驗(yàn)，你認(rèn)為s、s基因頻率的變化與表中數(shù)據(jù)會(huì)有什么不同嗎?

假如英國政府致力于對(duì)該地區(qū)環(huán)境污染的治理，若干年后曼徹斯特地區(qū)面貌一新，樹干上又長滿了淺色的地衣，深、淺兩種樺尺蠖的命運(yùn)又將如何呢?

s、s的基因頻率又將如何變化呢?我們國家現(xiàn)在正處在日新月異的大發(fā)展之中，你對(duì)我國的工業(yè)化進(jìn)程有什么建議嗎?

同學(xué)們課后可以用這套材料，針對(duì)自己感興趣的問題重新設(shè)計(jì)表格后進(jìn)行研究，在下節(jié)課談?wù)勛约旱目捶ā?/p>