基于類比推理的生物學探究性建模教學

邰玉韋

“生物進化的學說”是蘇教版初中生物學教材八年級上冊第16章第3節的內容，本節教學共需要達成三個重要教學目標：①認同“生物的遺傳變異和環境的共同作用導致生物進化”的觀點。②說出達爾文生物進化學說的基本思想及其意義。③描述加拉帕戈斯群島上地雀發展和進化的原因。

《義務教育生物學課程標準（2011年版）》“課程內容”中明確指出，生命的起源和進化是生物科學研究的重要領域，以自然選擇學說為核心的生物進化理論，解釋了生物進化和發展的原因。這部分知識在初中生物學教學中屬于寶貴的“生物科學史”教學資源，對學生感受科學家的經歷、領悟科學家的探究過程和思維方法、形成生物進化的觀點、樹立辯證唯物主義自然觀具有重要意義。

達爾文的生物進化學說既是本節的重點又是難點。在實際教學中，如果僅僅通過資料閱讀和討論探究加拉帕戈斯群島上地雀的進化，學生對生物進化的原因會缺乏足夠的感性認識鋪墊。需要設計一系列逐步深入的模擬活動強化經驗及感性認識，并滲透類比推理、歸納與演繹、模型與建模等教學思想和方法，環環相扣地引導學生主動構建知識體系模型，才能幫助學生形成對生物進化學說的理性認識，并在教學過程中落實生物學核心素養，有效實現本節課教學目標。

一、聚焦情境問題，增強建模感性認識

1.從數據中發現昆蟲的繁殖能力很強

師：今天的課堂，我們一起前往海島探索，你們的課桌就是一個個模擬的海島。首先看情境（ppt呈現）：某海島上生活著一種昆蟲，親代是10只，一般一只這樣的昆蟲平均一年可產卵200粒，如果所有出生的個體都能成功繁殖，5年之后此島上大概有多少只這種昆蟲后代呢？

（師生一起通過數學換算得出，5年之后此島上大概有3.2×1012（10×2005）只昆蟲后代。）

師：這個數據告訴我們什么？

生1：5年之后，此島上有很多很多這種昆蟲。

生2：也說明這種昆蟲繁殖能力很強，能產生大量的后代。

2.在解決問題中認識生物變異現象

師：這種昆蟲的所有后代個體之間會不會長得一模一樣？

生（齊聲）：不會。

師：這些個體之間會存在差異。那么，接下來，我們就針對昆蟲的翅膀進行研究。（出示圖片）這些昆蟲的翅膀存在哪些差異？

生1：有的翅膀長，有的翅膀短。

生2：有的翅膀粗大一些，有的細小一些。

師：生物學上，在遺傳的過程中，不同的個體之間出現差異的現象被稱為變異。在自然界，生物的變異現象是普遍存在的。

【設計意圖】

生物學建模是一種抽象的思維，具有一定的難度，需要循序漸進。一方面，“生物進化學說”涉及許多重要概念，如遺傳變異、過度繁殖等，這些是建模的基礎。另一方面，需要給學生充足的時間在模擬活動中獲得對生物進化的過程體驗和感悟，激發學生的元認知，增強感性認識，啟發學生思考，發現和解決建模進程中的具體問題。

二、經歷活動體驗，初步建模并檢驗

1.開展模擬活動，滲透建模思想

師：當這些昆蟲共同生活在海島上的時候，這座海島上常常會刮起大風……接下來，這些昆蟲會如何發展呢？我們一起通過模擬活動來探索。每小組四位同學，一位同學模擬海島刮大風，一位同學負責把10只模擬昆蟲（5只大翅，5只殘翅或無翅）在桌上放置好，一位同學負責統計數據，一位同學負責把數據填寫在活動單（見表1）中。

學生參與活動體驗的氣氛很濃厚。在模擬刮大風時，有的學生用雙手模擬，有的學生用生物課本模擬，有的學生認為風力不足夠大，便叫上同學一起用兩本書模擬;在放置模擬昆蟲時，有的組將其放在桌面中央，有的組將其放置在桌緣。活動簡單有趣、效果明顯。

2.統計數據，分析結果

統計各組數據并算出平均值。大翅昆蟲留在海島的數量是2.1個，殘翅（無翅）昆蟲留在海島的數量是4.1個。

師：這個數據說明什么？

生1：大翅昆蟲容易被海風吹進海里去，殘翅昆蟲容易在經常刮大風的海島上生存下來。

師：殘翅或無翅的昆蟲容易在這種海島上生存下來，就有更多的機會繁殖后代，我們稱這種變異為有利變異。我們繼續讓海島上的這個故事發展下去，猜測20年后，昆蟲情況會怎樣。

生2：沒有翅膀的昆蟲類型會變得更多。

師：很高興，我們的探究過程和方法，已經走進了著名科學家達爾文的思想和觀點，他認為海島上的這種變化叫作生物進化。

3.自主討論，初步建模

師：為進一步走入達爾文“生物進化”的理論，現在我們試著把剛才的實踐探索過程以模型的方式呈現出來。請同學們在下列概念庫中選擇合適的詞條填入模型框架圖中：不利變異、過度繁殖、淘汰、適者生存、生存斗爭、遺傳變異。

學生在經過小組討論后，能夠順利完成模型的初步建構，并將其展示出來（見圖1）。

4.基于案例，檢驗模型

師：現在我們能不能把海島昆蟲的案例和這個新構建的理論模型二者結合起來，按照生物發展的過程來表述一下？

（師生達成共識：一開始，海島昆蟲親代祖先具有很強的繁殖能力，產生了大量的后代，在產生后代的過程中，存在著遺傳變異。大翅昆蟲子代個體在大風海島環境下屬于不利變異，在生存斗爭中就容易被淘汰，而殘翅或無翅昆蟲則屬于有利變異，容易獲勝并繁殖大量后代，殘翅或無翅昆蟲逐代被積累，最后生存下來的就是殘翅或無翅昆蟲。）

師：在剛才的探究過程中，每個小組都模擬了大風，大風在生物進化的過程中起了什么作用？

生：把不利變異淘汰掉了，對昆蟲的后代起了篩選作用。

師：這些昆蟲不斷地與大風作斗爭，也不斷地被大風選擇著，所以我們可以認為海島大風對昆蟲進行了定向的自然選擇，使得昆蟲向殘翅的方向進化。

【設計意圖】

建模的過程突出了生物學概念和規律發生發展的過程。學生在模擬活動中經歷了探究體驗，并在自己經驗積累的基礎上參與了自主建模的過程，激發了學習的積極性和主動性。科學的模型需要立足于簡單情境建構，然后不斷地得到檢驗和完善，歷經從簡單到復雜、從局部到整體、從意義到結構的建構過程。

三、深度推理教學，完善模型建構并解釋

1.分解復雜情境中的模擬活動任務

師：達爾文還認為，生物不斷進化到一定階段時，能形成新物種，他用加拉帕戈斯群島的地雀來做了解釋。那么，今天就重走一遍達爾文的思考之路，來推理證明他的結論。我們先了解一下加拉帕戈斯群島的地理背景（圖文呈現）：它由十幾座主要島嶼組成，距南美洲西海岸500～600英里。島嶼之間彼此分開，這里經常遭遇嚴重干旱或嚴重暴雨或火山爆發，食物匱乏……因此，生物要想在這樣的島上生存下來，就必須先獲得食物。生物進化是如何形成新物種的？故事開始了，在很久很久以前，有一群喙長得不一樣的地雀（現代地雀的祖先）從南美洲大陸來到了各個島上……每列桌子相當于一個島嶼，全班共有三個島嶼，分別為島1、島2和島3。每組四位同學中，有三位同學利用所提供的橡膠手套、牙簽和透明膠帶等將手指進行不同的固定，呈現不同活動方式，將分別模擬三種鳥的喙即模擬喙A、模擬喙B和模擬喙C（見圖2）。

（學生按照圖示很快就完成了不同的手指固定和對不同喙的模擬。）

師：各組模擬的鳥喙A、鳥喙B、鳥喙C請舉手示意一下。請問飛到同一個島上的鳥，它們的喙的形態和大小都一樣嗎？

生1：不一樣，鳥喙A、鳥喙B、鳥喙C都有。

師：最初飛到三個不同島嶼上的鳥，它們的喙應該包括這三種，對嗎？

生2：是的，因為都來自同一群地雀祖先。

師：那么三個不同島嶼上的環境一樣嗎？請

看（PPT圖片呈現：島嶼1上雜草萋萋，巖石遍布，昆蟲躲藏在石縫或草叢中，蟲子多。島嶼2上樹木較多，能結出果皮堅硬的果實。島嶼3上仙人掌叢生，會開花，花是管狀的，其花蜜可以食用）。

師：每個島之間是相互隔開的，島1、島2和島3上的食物是不一樣的，因此，老師為每個島嶼（各4個組）上準備的模擬食物也是不同的（見圖3）。請小組研究、推測一下自己島上的地雀喙會進行怎樣的進化。

2.模擬探究不同島上地雀喙的進化方向

師：探究中，用燒杯模擬鳥的消化系統，假設每取得5個食物才可以繁殖一代，而且每只雌鳥每代繁殖10只，請將取得的食物數量換算成存活的地雀子代數量。每組由三位同學分別在2分鐘內完成取食，由第四位同學統計數據并將其填寫在表2中。活動結束后，請推理該島上的地雀向哪個方向進化。

（各組學生積極參與模擬取食活動，時間2分鐘。）

3.分析結果，解釋表達

（1）數據說明：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?的地雀能獲得更多食物，更易在島上生存，有更多機會繁殖后代。

（2）結合已建立的進化概念模型，解釋該島上地雀的進化方向。地雀的祖先來到了這座島上繁殖后代，在繁殖過程中發生變異，有的鳥喙粗一些，有的鳥喙? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?，因為島上? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?，所以____________（喙A、喙B、喙C）的地雀能獲得更多食物，繁殖更多后代，所以多年以后，該島地雀不斷向____________（喙A、喙B、喙C）的方向進化。

4.基于類比推理，完善模型并解釋

師：經過數據分析，島1、島2、島3的環境更適合哪種鳥生存下來？也就是說島1、島2、島3上的地雀分別逐漸向哪種喙（喙A、喙B、喙C）的方向進化？

生1：島1的地雀向喙A方向進化（完善模型）。

生2：島2的地雀向喙C方向進化（完善模型）。

生3：島3的地雀向喙B方向進化（完善模型）。

師：當我們通過模擬探究得出這樣的結論后，我們又有什么新的發現？

生4：不同島上的地雀，向著不同的方向發展。

師：為什么？

生4：因為不同島上的食物（完善模型）不同。

師：相當于不同島上的環境對地雀進行了選擇，使地雀向著不同的方向進化。前面的模擬探究中也遇到了大風對昆蟲的選擇問題，可見，這是一個共同的規律。環境的各種因素如大風、食物、天敵等都會對生物的生存進行不斷的選擇。在生存斗爭中，像這樣適者生存、不適者被淘汰的過程被稱為自然選擇（完善模型）。在不斷被選擇的過程中，島上的生物在發生不斷的變化，導致生物的進化。如果說地雀可以這樣進化，那么地球上的其他生物是不是也可以這樣進化？

生（齊聲）：可以。

師：經過很多年以后，這三個島上的地雀之間的差異就會變得越來越怎樣？

生5：差異越來越大。

師：差異不僅僅表現在鳥喙方面，其他相應的結構也會出現差異。當差異達到很大程度的時候，即使它們能進行交配，也不能產生有生殖能力的后代了。所以，很多很多年后，就形成了不同物種（學生通過意會表示認同——原來新的物種就是這樣產生的）。達爾文確實發現了這種現象，在加拉帕戈斯群島上，他一共發現了13種不同的地雀。于是，他就用地雀的案例完美地解釋了他的進化觀點。

生6：生物進化可以形成新物種。

師：達爾文認為，其他生物也會按照我們構建的模型的規律進行進化，于是他寫了一本書叫——

生（齊聲）：《物種起源》。

師：達爾文認為，當地球上這么多各種各樣的生物進化了，就形成了許多種生物，地球上的生物就豐富了，就產生了生物多樣性（完善模型）。所以，達爾文認為，地球上為什么有這么多生物？是因為每種生物都在——

生（齊聲）：不斷進化。

師：達爾文的《物種起源》這本書其核心思想又是什么？為什么會形成生物多樣性？是因為生物在不斷進化。為什么生物在不斷進化？是因為不斷地進行著自然選擇、逐代選擇，有利變異的類型逐漸積累，出現了適應環境的新類型。所以說，《物種起源》的核心思想是什么學說？

生（齊聲）：自然選擇學說。（完整的模型建構見圖4）

【設計意圖】

教師創設了復雜的情境，開展了接近加拉帕戈斯群島地雀實際生活的模擬活動，滲透了類比推理的思想和方法，進行深度建模，促進了學生的思考逐漸走進了達爾文的生物進化思想和觀點，并實現了模型建構的進階。在模型的完善和補充過程中，學生通過活動體驗和問題解決，理解了生存斗爭、自然選擇、生物進化、不同物種、生物多樣性之間的關系，理解了自然選擇學說是達爾文《物種起源》的核心思想。

四、聯系實際生活，拓展應用模型

【閱讀材料】

18世紀的英國曼徹斯特地區，山清水秀，綠樹成蔭。那里的森林中生活著一種樺尺蠖，其成蟲是一種飛蛾。它們夜間活動，白天棲息在長滿地衣（顏色比較淺）的樹干上。1850年，一些生物學家來這里考察，發現大多數樺尺蠖成蟲的體色是淺色的，只有少數是深色的。100年以后，也就是1950年，曼徹斯特已經變成了一個工業城市。這里工廠林立，煙霧彌漫，工廠排出的煤煙殺死了地衣，結果使樹皮裸露并被熏成黑褐色。這時候，又有一些生物學家到這里考察，使他們驚訝的是，這里的深色樺尺蠖變成了常見類型，而淺色的樺尺蠖卻成了少數。

【請分析回答】

（1）請用達爾文生物進化的觀點，解釋1850年、1950年曼徹斯特地區出現的不同類型樺尺蠖在數量方面的變化。

（2）如果要使淺色的樺尺蠖重新恢復為常見類型，你認為應該怎樣做？

【設計意圖】

科學解釋能力是聚焦學生發展核心素養下的重要科學素養。因此，建立生物學模型不是最終教學目的，學會解釋、應用模型才是真正目的。在教學中，教師需要重視聯系生活，設計與相應模型同構的問題情境，讓學生嘗試應用模型分析和解決實際問題，激發學生的學習興趣，發展學生的思維。

（作者單位：江蘇省常州市北郊初級中學）

責任編輯：孫昕

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