基于探究能力培養的“生物進化的原因”一節教學設計

劉 琳 王 薇

（1 北京四中璞瑅學校 北京 100078 2 北京教育學院豐臺分院 北京 100073）

“生物進化的原因”隸屬于課程標準第八大主題“生物的多樣性”二級主題“生命的起源和生物進化”，課程標準的具體要求是：認同生物進化的觀點［1］。本節課是北師大版8年級下冊第21 章第2 節“生命的進化”的內容。生物進化的內容較為抽象，單憑教師講述，學生很難全面理解，需通過實驗設計和操作實踐，讓學生形成充分的感性認識，以便更好地理解“自然選擇學說”的觀點。教材中以達爾文環球考察和加拉帕戈斯群島上地雀物種作為背景資料，并通過“模擬自然選擇”實驗增加學生的感性認識。但大量的文獻資料表明，加拉帕戈斯群島上植物類群較為豐富，地雀的食物——種子，其體積大小存在差異，且隨著環境的改變，植物會增、減產，并對地雀的取食和生存造成影響，進而影響其喙型的變化［2-5］。在本節教學中，對教材實驗進行了改進，選用更加貼近地雀真實喙型的模擬工具，并增添了模擬不同體積大小的種子的材料，以期更加貼近真實的自然界變化所推動的物種進化，讓學生更好地理解“自然選擇學說”。

1 教學目標

1）知識目標：概述自然選擇學說的主要內容，說出模擬實驗的一般方法。

2）能力目標：嘗試進行實驗設計，按照規則完成實驗，如實記錄實驗數據，并對實驗過程和實驗數據進行分析，提升科學探究能力和科學思維能力。

3）情感態度與價值觀目標：通過探究進化的原因，認同生物進化的觀點，形成進化與適應的生命觀念；關注自然選擇學說與人類社會的關系，認同人類社會中更注重和平相處、合作共贏。

2 教學重、難點

1）重點：概述自然選擇學說的主要內容。

2）難點：嘗試對模擬實驗的過程和數據結果進行分析。

3 教學過程

3.1 導入新課 教師向學生展示自己從1 歲至今不同年齡階段的照片。引導學生將個體變化與物種演變相類比，幫助學生感性理解進化過程，并提出問題：推動生物不斷進化的原因是什么？從而引出本節課的主題。

3.2 探究實驗——模擬自然選擇

1）創設實驗情境。教師介紹達爾文在加拉帕戈斯群島進行考察時發現其中的地雀是在過去的300～100 萬年前由共同祖先進化而來，并向學生展示其中幾種雀鳥的圖片。學生通過觀察圖片發現這些雀鳥喙的大小、長短和形狀十分不同，由此提出疑惑：是什么原因造成地雀的喙產生差異？推動生物進化的原因是什么？可用什么方法進行研究？

2）實驗設計所面臨困難。學生基于已學過的探究實驗知識，展開實驗設計的相關討論，討論后發現存在以下幾個方面的問題：①真實的研究對象無法獲得；②當時的真實場景無法還原；③上百萬年的演變歷程無法通過觀察實驗實現。基于學生設計實驗時存在的困惑，教師引入新的科學探究方法——模擬實驗，并向學生介紹模擬實驗的一般方法：當實驗受到時間或空間的限制時，可根據研究目的和對象，設計可行的模擬實驗系統。例如，本模擬實驗就可簡化實驗對象，選擇適宜的材料或模型替代研究對象（圖1～圖3）。

圖1 模擬“雀鳥”不同的喙的工具

圖2 模擬雀鳥食物模型

圖3 模擬雀鳥取食模型

3）設計及實施實驗。教師向學生展示實驗中可能用到的材料、工具，并引導學生思考、討論實驗的方法步驟。學生在進行實驗時，提出：環境中只有這一種食物嗎？如果環境發生變化，進而影響食物種類的變化，地雀喙型是否又會發生新的變化？在實驗過程中，也因操作不規范、不統一導致實驗結果出現誤差較大。為了使學生明確任務、統一規則、減少誤差，教師在學生討論的基礎上確定明確的方法步驟。

①選出8 人為觀察記錄員。全班分為8 組，1～4 組啄食“小型種子”，5～8 組啄食“大型堅果”。第1 個回合，每組選2 人參加，每人代表一只鳥，其余學生將分別作為本組親本的后代。②教師播放鳥鳴聲，并以鳥鳴聲的起止作為一次“取食”活動的起止。規定第1 代鳥鳴聲50 s，第2 代25 s，第3 代15 s。當鳥鳴聲開始時，學生可用“喙”將培養皿中的食物依次放入自己面前的培養皿中，每次只允許取食1 粒，由監督計數員統計取食數量。③假設每種親代的“雀鳥”在生存中必須取得20 個小型種子或5 個大型堅果才有可能生存并繁殖后代。④第1 個回合中啄食不足者將被淘汰，每個存活者有1 個后代。當組內人員不夠時，其他組的被淘汰者可扮演其他種雀鳥存活者的后代。

實驗規則：①手不能直接觸碰培養皿，只能用“喙”取食。②放到培養皿中的食物才是獲取到的食物。③每次模擬“取食”時，手拿工具的位置和夾取角度要保持一致。④下一代起始數量=幸存者+繁殖后代個體數。

實驗完成后，教師組織學生利用Seewo 一體機，將實驗數據現場輸入Excel 中，完成實驗數據統計，并向全班展示。

3.3 實驗過程和結果分析 根據實驗結果（表1～表6），教師引導學生思考、討論。

表1 尖頭鑷狀喙雀鳥取食小型種子數目與幸存數目記錄單

表2 小號晾衣夾狀喙雀鳥取食小型種子數目與幸存數目記錄單

表3 扁嘴夾狀喙雀鳥取食小型種子數目與幸存數目記錄單

表4 大號晾衣夾狀喙雀鳥取食小型種子數目與幸存數目記錄單

表5 以小型種子為食的雀鳥的親代和幸存數目記錄單

表6 以大型堅果為食的雀鳥的親代和幸存數目記錄單

①當以小型種子為食時，第3 代幸存數量最多的是哪種喙型的雀鳥？（學生答：小號晾衣夾狀喙的雀鳥）若幸存者可繼續繁殖，并存活，數目是多少？（學生答：第4 代起始數量為16，第5 代為32……）此現象說明什么？（學生答：說明這種雀鳥繁殖能力很強）在自然界中，其他生物是否也有如此強的繁殖能力？（學生答：植物，播下一顆種子，可收獲很多種子） 教師補充：以動物界的大象為例，一對大象，750年之后后代可達1 900 萬頭。師生共同總結：生物都具有過度繁殖能力。

②為什么某些喙型的“雀鳥”最終沒能存活而被淘汰了？（學生答：食物資源有限）在模擬實驗的時候，限定時間和食物數量在模擬自然界中的什么情境？（學生答：模擬有限的自然資源）時間一次比一次短模擬什么情境？（學生答：競爭越來越激烈）如果食物充足，它們會被淘汰嗎？（學生答：不會）

③如果環境發生變化，小型種子植物滅絕，只有相對較大的堅果，情況又會發生怎樣的變化？（學生答：當環境發生改變時，小號晾衣夾狀喙雀鳥被淘汰，而扁嘴夾狀喙雀鳥第3 代卻還有存活）這說明環境在生物的進化中起了什么作用？（學生答：環境決定了進化的方向）

④300～100 萬年前雀鳥的祖先種在生存和繁衍的過程中會產生具有不同喙型的后代，其原因是什么？（學生答：遺傳、變異）

師生共同總結：“幸存者”的喙型與其所獲取的食物相適應，說明適應環境的變異個體能被保留，并得以繁殖后代。

本環節創設由共同祖先演化出多種多樣喙型的加拉帕戈斯地雀的實驗情境，讓學生先自主嘗試設計實驗，發現問題，教師通過解惑為學生講解模擬實驗的一般方法，不僅鍛煉了學生的思維能力，也加深了學生對于新探究方法的理解。之后，再通過有序的實驗操作，讓學生積累感性認識；通過獲取數據及對實驗數據結果的分析和推理，獲取證據，從感性認識上升到理性認識，最終構建自由選擇學說的概念，并初步形成進化與適應的生命觀念。在此過程中，結合層層深入的問題串，構建學生的思維鏈條，培養學生理性思維和科學探究能力，從而促進學生生物學學科能力的不斷提升。

3.4 課后延伸 教師將學生實驗時現場拍攝的實驗照片通過手機投影到電子屏幕上，并作出評價：在實驗過程中，小組中每個成員都各司其職、相互配合，實驗過程嚴謹、有序，數據記錄準確、真實，最終使實驗順利完成。提出問題：順利完成實驗的最主要原因是什么？（學生答：合作）學習了自然選擇學說后你有哪些感想？你認為自然選擇學說適用于人類社會嗎？（學生答：自然界的絕大多數生物往往因為資源有限，存在生存斗爭，但是人類社會更加文明和發達，因此自然選擇學說中的“生存斗爭、適者生存”并不適用于人類社會，人類更加注重合作共贏）

本環節旨在鍛煉學生質疑與批判的思維能力，讓學生學會辯證看待問題，明確了自然選擇學說在解釋生物進化中的重要作用，同時關注自然選擇學說與人類社會的關系，認同人類社會中更注重和平相處、合作共贏。

4 教學反思

本節課學生通過親歷實驗過程，積累了遺傳變異、環境變化等因素對生物生存影響的感性認識。實驗結束后，通過環環相扣的問題串，讓學生通過分析和討論實驗過程和結果，理解達爾文自然選擇學說的大致內容，構建核心概念。在模擬實驗的教學設計部分，不僅關注學生實驗設計能力、操作基本技能和數據統計能力，更關注了對于學生實驗過程和數據的分析、推理、演繹和思辨等理性思維能力的培養。