“生物進化”專題復習中的進化與適應觀

陸曉文

摘要：以高三復習專題“生物進化”為例，通過問題情境幫助學生從多角度認識生物進化，在重構“生物的多樣性和適應性是進化的結果”這一大概念的同時逐步確立進化與適應觀。

關鍵詞：概念教學進化與適應觀生物的多樣性和適應性情境創(chuàng)設

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：B

生命觀念是生物學學科核心素養(yǎng)中獨具生物學科特點的要素，是生物學學科核心素養(yǎng)的標志和關鍵，《普通高中生物學課程標準（2017年版）》指出：“學生應該在較好理解生物學概念的基礎上形成生命觀念，能夠用生命觀念認識生物的多樣性、統(tǒng)一性、獨特性和復雜性，形成科學的自然觀和世界觀，并以此指導探究生命活動的規(guī)律，解決實際問題。”生命觀念中的進化與適應觀是最獨特和最復雜的生命觀念，構建“生物的多樣性和適應性是進化的結果”這一大概念的過程就是進化與適應觀逐步確立的過程。下面以高三復習中“生物進化”專題為例，探討如何創(chuàng)設問題情境幫助學生在解決問題的過程中重新構建核心概念，從而形成進化與適應觀。

1專題內容的選擇及設計思路

“適應是自然選擇的結果”是“生物的多樣性和適應性是進化的結果”這一大概念的重要概念，這個概念揭示了自然選擇促使生物更好地適應特定的生存環(huán)境。自然選擇學說為地球上的生命演化提供了科學的解釋，現代進化理論在變異、選擇和隔離三個方面對新物種形成進行闡明。

生物進化理論中的重要概念不是通過實驗驗證，而是基于大量的生物學事實，通過邏輯推理獲得的。一般來說，學生在學習過程中接受一個事實性的知識較為容易，但要對觀察到的生命現象進行相互聯(lián)系并通過解釋后抽象形成生命觀念則十分困難。如何理解生物的多樣性與適應性？多樣性與適應性形成與遺傳變異和環(huán)境存在怎樣的關系？專題設計在學生原有認知的基礎上選擇一些經典的生物學事實，從不同角度創(chuàng)設問題情境，運用類比推理和歸納推理等邏輯思維的方法，通過概念重構逐漸形成進化與適應觀。

2創(chuàng)設問題情境，理解適應是自然選擇的結果

2.1創(chuàng)設有梯度的問題情境，引導學生用歸納推理的方法思考進化與適應觀

情境1：位于印度洋南岸的克格倫島常年有暴風雨，海島上的昆蟲一般只有兩種類型，不能飛的和少數能飛但翅膀異常發(fā)達的。為什么克格倫島上的昆蟲會出現這種現象？

教師引導學生分析資料，促進學生運用達爾文的自然選擇學說做出解釋：島上由于風大，翅膀中等發(fā)達的昆蟲被淘汰，只有翅膀特別發(fā)達（不容易被風刮到海里）和翅膀退化（不能飛）這兩種類型的昆蟲個體才能在這種風大的海島上通過選擇保留下來。

情境2：在青霉素濃度為0.1單位/cm³的普通培養(yǎng)基中，只有個別突變型的金黃色葡萄球菌能存活，將這種突變的金黃色葡萄球菌擴大培養(yǎng)后，再轉移到青霉素濃度為0.2單位/cm³的普通培養(yǎng)基中，又只有個別細菌存活。逐漸提高培養(yǎng)基中青霉素含量。最后，得到一個能生活在250青霉素單位/cm³培養(yǎng)基的品系。在上述實驗中，不同青霉素濃度處理的目的是什么？可以得出什么結論？

學生分組討論，通過質疑和辯駁，用達爾文的進化理論解釋：不同濃度的青霉素處理的目的是對金黃色葡萄球菌進行定向的選擇，通過多代的選擇與淘汰，使群體中的抗藥性逐漸增強。

情境3：人類鐮刀型細胞貧血癥患者的血紅蛋白容易破碎，至今全世界每年會有10多萬人死于這種病，有4000萬人攜帶這種疾病的變異基因。人類鐮刀型細胞貧血癥為什么沒有在生命演化的過程中被淘汰？仔細比較世界范圍內鐮刀型細胞貧血癥與瘧疾發(fā)病的地理分布，發(fā)現這兩種看起來毫不相干的疾病在地理分布上居然有很高的重合度，這說明了什么？

本問題的難度較大，學生不容易回答。教師引導學生分析資料，使學生了解鐮刀型細胞貧血癥的發(fā)病機理，基因攜帶者可能通過輕微缺氧中斷瘧原蟲形成分生孢子從而有利于防止瘧疾的發(fā)生，因此鐮刀型細胞貧血癥的基因突變反而有利于阻止瘧疾的流行。

教師在3個情境中設置有梯度問題串，對學生的回答應適時予以肯定或糾錯并進行正確的引導。利用情境1、2，幫助學生構建“具有優(yōu)勢性狀的個體在種群中所占的比例會增加”和“自然選擇促使生物更好地適應特定的生存環(huán)境”兩個概念，并引導學生得出結論：個體雖然是生命基本特征的載體，卻無法承載整個生物的進化歷程，從而得出生物進化的單位是種群的結論。教師利用情境3，啟發(fā)學生思考在瘧疾高發(fā)的地區(qū)鐮刀型細胞貧血癥攜帶者較基因型完全正常的個體對瘧疾的抵抗力更強的原因。學生通過分析理解基因無所謂好壞之分，多種多樣的自然選擇是適應形成的機制，適應是選擇的結果，而且說明適應是相對的，是對一定環(huán)境的適應。

2.2創(chuàng)設情境，用數據激發(fā)思維靈感，從“遺傳變異”的角度培養(yǎng)學生的進化與適應觀

情境4：DNA復制時的堿基互補配對原則很大程度上保證了復制的準確性，但是DNA平均每復制109個堿基對，就會產生1個錯誤。請根據這一數據計算，約有3.16x109個堿基對的人類基因組復制時可產生多少個錯誤？如果在一個中等數量（108）的種群中，這些錯誤導致的基因突變數量有多少？

情境5：人類的染色體有23對，一個人進行減數分裂可能產生的精子或卵細胞的染色體組成有多少種？一對夫婦通過有性生殖形成受精卯的染色體組成有多少種？如果考慮染色體的交叉互換，一對夫婦產生子代的基因組成又有多少種？從基因重組角度，說明人群中性狀的多樣性有什么意義？

教師創(chuàng)設真實問題情境，學生通過思考計算得出情境4和5的答案，從而理解基因突變和基因重組使種群出現大量可遺傳的變異，但由于突變和重組都是隨機的，它們只是為自然選擇提供了大量的原始材料，并不能決定生物進化的方向。

情境6：在一個顯性性狀和隱形性狀數量相當的種群中，假設自然選擇對顯性性狀有0.001的選擇優(yōu)勢，即選擇1000個AA和Aa的同時，只選擇999個aa。即使初始A頻率只有0.00001，只要23400個世代即可增加到0.99，相應的等位基因就會降到0.01，可使一個物種發(fā)生明顯改變。

教師引導學生分析情境6，促進學生思考微小的選擇差異是如何通過不斷迭代從而導致物種的變化，進化的實質是自然選擇對種群中的個體進行選擇最終導致種群基因頻率的定向改變。

該環(huán)節(jié)通過情境4和情境5將抽象的問題具體數字化，激發(fā)學生的思維靈感，幫助學生更好地理解DNA分子結構的穩(wěn)定性以及半保留復制機制的意義。通過情境6具體數據的直觀對比，說明在自然選擇中僅有微弱優(yōu)勢性狀的基因頻率也會隨著世代增加而發(fā)生定向的改變。通過上述情境可以說明自然選擇決定生物進化的方向，生物進化是遺傳變異和環(huán)境選擇共同作用的結果。

2.3創(chuàng)設情境，引導學生開拓思維，通過知識橫向聯(lián)系培養(yǎng)進化與適應觀

情境7：某大腸桿菌能在基本培養(yǎng)基上生長，其突變體M和N均不能在基本培養(yǎng)基上生長，但M可在添加了氨基酸甲的基本培養(yǎng)基上生長，N可在添加了氨基酸乙的基本培養(yǎng)基上生長，將M和N在同時添加氨基酸甲和乙的基本培養(yǎng)基中混合培養(yǎng)一段時間后，再將菌體接種在基本培養(yǎng)基平板上，發(fā)現長出了大腸桿菌（x）的菌落。大腸桿菌（x）是怎么產生的？

學生大多只能對這個現象進行簡單的猜測，判斷這個變異的來源是“基因突變”或“基因重組”。教師可結合肺炎雙球菌的轉化實驗，說明細菌在混合培養(yǎng)時會發(fā)生DNA的轉移，啟發(fā)學生從基因轉移的角度思考生物進化的過程，進而引導學生從生命系統(tǒng)不同層次、細胞結構、細胞代謝、細胞分裂以及遺傳和免疫等角度尋找生物進化的證據。學生通過分析、討論和相互評價，將新知識有效地整合到原有的知識網絡中，使知識體系得到豐富和發(fā)展，從而認同生物界的大一統(tǒng)理論以及進化是生命世界的核心發(fā)展主線，在概念的重新構建中培養(yǎng)學生的進化與適應觀。

3復習課建立生命觀念的教學反思

生物進化專題的設計主要圍繞“生物的多樣性和適應性是進化的結果”這一重要概念展開，高三教師對本專題設計時，應該從多渠道多角度提供真實問題情境引發(fā)學生主動參與，將相關生物學事實導入各級概念重構環(huán)節(jié)中。該過程能培養(yǎng)學生獲取信息的能力，運用生物進化理論解釋生物界中紛繁復雜的多樣性和適應性，在鍛煉學生歸納推理等邏輯思維能力的同時，對“適應與進化觀”等生命觀念的建立也有一定幫助。

由于本內容是對學生進行“進化與適應觀”滲透的重要載體，教師應該將教學評價融入教學活動，在活動中評價學生的過程性表現、知識掌握水平以及語言表達能力等。該專題的學習還能培養(yǎng)學生的社會責任意識，使學生認同人與其他生物一樣也是自然界歷史演化的產物，“尊重自然并與自然和諧相處”應該成為全人類的共識并為之努力奮斗。