用模擬實(shí)驗(yàn)探究影響種群基因頻率變化的因素

黃志紅　郝立華

摘? ?要：模擬實(shí)驗(yàn)可將微觀現(xiàn)象宏觀化，宏觀現(xiàn)象微觀化，能讓學(xué)生在教室里親身體驗(yàn)微觀的基因頻率與宏觀的自然選擇之間的微妙關(guān)系。在課上，學(xué)生們邊做邊學(xué)，在體驗(yàn)著科學(xué)探究全過程的同時，他們良好的思維習(xí)慣、科學(xué)的探索精神、對生命的尊重、對社會的責(zé)任感不斷提升。同時通過黑白蛾與鳥的角色扮演，其保護(hù)環(huán)境的意識也進(jìn)一步增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：高中生物;模擬實(shí)驗(yàn);基因頻率

中圖分類號：G633.91? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1009-010X（2022）14-0056-03

“探究自然選擇對種群基因頻率變化的影響”是高中生物教材必修二生物進(jìn)化中的內(nèi)容，是幫助學(xué)生理解生物進(jìn)化實(shí)質(zhì)的重要探究活動。該活動充分體現(xiàn)了宏觀現(xiàn)象與微觀本質(zhì)的有機(jī)結(jié)合，但教材中的探究過程主要側(cè)重于假設(shè)數(shù)據(jù)的分析，這樣學(xué)生無法體會大自然真正的選擇作用。而模擬實(shí)驗(yàn)恰好能將微觀現(xiàn)象宏觀化，宏觀現(xiàn)象微觀化，所以筆者嘗試采用模擬實(shí)驗(yàn)探究自然選擇對種群基因頻率變化的影響。

探究種群基因頻率的變化是在學(xué)生學(xué)習(xí)了有關(guān)遺傳學(xué)的知識以及自然選擇學(xué)說的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)的。在這部分知識的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生通過探究—實(shí)踐活動很好地將前面所學(xué)的知識進(jìn)行了總結(jié)并提升到理論實(shí)質(zhì)的高度上來，這為物種形成及生物多樣性的學(xué)習(xí)做好了鋪墊。

學(xué)生對事物有強(qiáng)烈的好奇心，但缺乏建構(gòu)知識的能力，對體驗(yàn)有濃厚的興趣，但缺乏總結(jié)歸納的能力，尤其數(shù)據(jù)處理能力差。教材中的數(shù)據(jù)分析表計算量較大（見表1），所以學(xué)生填表時間過長。

一、教學(xué)目標(biāo)與重點(diǎn)、難點(diǎn)

教學(xué)目標(biāo)：1.理解種群、基因頻率等概念。2.學(xué)會基因頻率的計算方法。3.運(yùn)用數(shù)學(xué)方法討論種群基因頻率的變化，并構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。4.運(yùn)用生物進(jìn)化的觀點(diǎn)解釋一些生物現(xiàn)象。5.樹立辯證唯物主義世界觀。6.形成生物進(jìn)化理論在發(fā)展的觀念。7.培養(yǎng)保護(hù)環(huán)境的意識。

重點(diǎn)：1.理解生物進(jìn)化的實(shí)質(zhì)是基因頻率的改變。2.構(gòu)建種群基因頻率變化的數(shù)學(xué)模型。

難點(diǎn)：分析自然選擇對種群基因頻率變化的影響。

二、教學(xué)策略

將教材中利用假設(shè)數(shù)字直接構(gòu)建數(shù)學(xué)模型改為通過模擬實(shí)驗(yàn)獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。

三、教法與學(xué)法

本節(jié)內(nèi)容相對抽象，因此在教學(xué)中筆者采用先創(chuàng)設(shè)情境，提出問題引導(dǎo)學(xué)生討論，然后利用模擬實(shí)驗(yàn)提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，最后歸納總結(jié)得出結(jié)論的方法開展教學(xué)。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小組合作學(xué)習(xí)，不但能帶動學(xué)生的積極性還能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，因此應(yīng)采用引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小組合作探究的學(xué)習(xí)方法。

四、教學(xué)過程

（一）創(chuàng)設(shè)情境一，引出基因頻率的概念

出示白色樺樹的樹干上有一黑一白兩只樺尺蠖的圖片。

師：如果你是圖中的一只蛾子，你想做黑蛾還是白蛾？

生（大部分）：白蛾，白色是保護(hù)色，不容易被天敵發(fā)現(xiàn)。

生（一個）：黑蛾，與眾不同更利于吸引異性，產(chǎn)生更多后代。

師：正向和逆向思維都值得肯定，但在這種環(huán)境下做黑蛾是很危險的。這些蛾子叫樺尺蠖，生活在這片樹林中的所有樺尺蠖稱為一個種群，黑和白是這個種群中的一對相對性狀，從本質(zhì)上說，什么決定性狀？什么決定相對性狀？

生：基因決定性狀，等位基因決定相對性狀。

師：一個種群的全部基因稱為基因庫，其中某基因占全部等位基因的比例稱為基因頻率。

設(shè)計意圖：激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)入新課;通過角色扮演，使學(xué)生認(rèn)識到人只是大自然中的一員;在情境中進(jìn)一步理解基因頻率和基因型頻率等概念。

（二）構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，熟練計算方法

師：給出簡單例題，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建計算基因頻率的數(shù)學(xué)模型。

生：基因頻率=該基因純合子基因型頻率+ 雜合子基因型頻率的一半。

設(shè)計意圖：培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)思想，使其養(yǎng)成良好的理科思維習(xí)慣。

（三）創(chuàng)設(shè)情境二，分析基因突變

出示黑灰色背景下有多只黑蛾和一只白蛾的圖片。

師：有一個蛾類種群，原本都是黑蛾，有一天發(fā)現(xiàn)后代中出現(xiàn)了一只白蛾，可能是什么原因？

生：基因突變。

師：基因突變產(chǎn)生了新的等位基因，改變了這個種群的基因頻率，但是基因突變是不定向的，這一新基因的頻率是上升還是下降了，取決于什么？

生：取決于這一突變對該生物有利還是有害，有利還是有害又取決于環(huán)境。

師：所以基因突變只能為進(jìn)化提供原材料，并不能決定進(jìn)化的方向，環(huán)境的選擇作用使基因頻率的改變有了方向。

設(shè)計意圖：承上啟下，尋找改變基因頻率的因素。

（四）創(chuàng)設(shè)情境三，完成模擬實(shí)驗(yàn)

出示黑白背景下有多只黑白蛾的圖片。

師：這是不同環(huán)境中同一種群的黑白蛾，今天我們通過科學(xué)探究的一般過程來體會一下大自然無形的選擇作用，其探究步驟是？

生：提出問題—作出假設(shè)—設(shè)計實(shí)驗(yàn)—進(jìn)行實(shí)驗(yàn)—分析結(jié)果—得出結(jié)論—表達(dá)交流。

師：黑色由S基因控制，白色由s基因控制，若鳥類等天敵存在，S和s的基因頻率將如何變化呢？據(jù)此作出假設(shè)。

生：白色背景下最可能出現(xiàn)的情況是s頻率上升，S頻率下降。黑色背景下最可能出現(xiàn)的情況是S頻率上升，s頻率下降。假設(shè)：自然選擇使種群基因頻率發(fā)生定向改變。

師：基因我們看不到，小鳥不能去打擾，現(xiàn)在我們把大自然搬進(jìn)課堂，如果你是一只小鳥，桌上有許多蛾子，請你用所給材料設(shè)計一個模擬實(shí)驗(yàn)方案以探究基因頻率的變化。材料包括：黑色或白色硬紙板一張，用打花器打出的黑蛾子（背面標(biāo)注基因型SS或Ss）、白蛾子（背面標(biāo)注ss）若干，然后設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)方案必須嚴(yán)密，所以在設(shè)計前需要思考幾個問題“蛾子的起始數(shù)量是多少？”“每只小鳥每次吃多少？”“蛾子要不要繁殖？”然后學(xué)習(xí)小組討論（學(xué)生討論，教師引導(dǎo)并尋找合理答案）。

生：我們6人一組，1人記錄5只鳥，在代表環(huán)境的黑或白紙板上放20只黑白、蛾小紙片，每次1只鳥吃1只蛾，剩下的計算基因頻率，考慮繁殖可補(bǔ)5只后再循環(huán)進(jìn)行。

師：非常好。為了加快選擇速度，我們讓時間快進(jìn)，允許一只鳥每次吃2只蛾，剩10只時再計算基因頻率，這樣可以大大減小計算量，節(jié)約時間。計算后將剩下的蛾子按現(xiàn)有基因型比例繁殖一倍，即剩下的每只蛾子都用打花器再加一只（顏色和基因型相同的，可以提前做好備用）。然后請各組在導(dǎo)學(xué)案上寫出完整的實(shí)驗(yàn)方案，寫完后小組展示。

生：實(shí)驗(yàn)方案1.每組6人。1人記錄，5人為小鳥。2.取黑、白蛾20只（黑背景比例10%、20%、70%，白背景比例10%、20%、70%）。3.每只小鳥吃掉兩只，剩余蛾子10只，統(tǒng)計10只余蛾各基因型的個數(shù)，然后記錄。4.計算基因型頻率和基因頻率。5.10只余蛾以一變二繁殖，補(bǔ)足后20只。6.重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

師：按實(shí)驗(yàn)方案完成實(shí)驗(yàn)。注意：1.快速拿掉第一眼看到的蛾子，不能猶豫。2.將數(shù)據(jù)填在導(dǎo)學(xué)案記錄表中。

生：分工合作，盡快完成任務(wù)。

師：我們先來分享幾組實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這是一組黑板上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和一組白板上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析一下數(shù)據(jù)（見表2、表3）。

生：黑色背景下S頻率上升、s頻率下降，白色背景下s頻率上升、S頻率下降。

師：思考除突變和基因重組、自然選擇外，影響種群基因頻率的因素還有什么？留到課下繼續(xù)探究。

通過以上教學(xué)過程可得出結(jié)論：自然選擇使種群基因頻率發(fā)生定向改變，決定進(jìn)化的方向。生物進(jìn)化的實(shí)質(zhì)是種群基因頻率的改變。

設(shè)計意圖：認(rèn)識科學(xué)探究的一般方法，提高科學(xué)探究能力。

以黑白蛾為主線，通過模型建構(gòu)和模擬實(shí)驗(yàn)探究了自然選擇對種群基因頻率的影響，使學(xué)生從根本上認(rèn)識到生物進(jìn)化的實(shí)質(zhì)是基因頻率的改變。設(shè)計模擬實(shí)驗(yàn)，目的就是讓學(xué)生邊做邊學(xué)，在直觀感受中體會生物進(jìn)化的實(shí)質(zhì)，如此有助于引導(dǎo)學(xué)生理解和領(lǐng)悟科學(xué)的真諦。探究活動使學(xué)生體驗(yàn)到合作的樂趣，提高了學(xué)生分析、解決問題的能力，也培養(yǎng)了學(xué)生勇于探索的科學(xué)精神，使學(xué)生認(rèn)識到保護(hù)環(huán)境的重要性，同時其學(xué)科核心素養(yǎng)也得到了提升。