美國中學(xué)生物教材中“種群變異實(shí)驗(yàn)”的探討

章君果　鄧嫦圓

美國、加拿大等國家中學(xué)生物教材中設(shè)置了豐富的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，不僅實(shí)驗(yàn)內(nèi)容全面，而且實(shí)驗(yàn)類型也呈現(xiàn)多樣化，包括調(diào)查實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)、思想實(shí)驗(yàn)、微實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等類型。Miller和Levine編著的美國《生物學(xué)》教材實(shí)驗(yàn)手冊中有進(jìn)化相關(guān)內(nèi)容的調(diào)查實(shí)驗(yàn)，一方面填補(bǔ)了國內(nèi)教材關(guān)于進(jìn)化實(shí)驗(yàn)的空白，另一方面為教學(xué)提供了一些新的思路。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容介紹

Miller和Levine編著的美國《生物學(xué)》教材實(shí)驗(yàn)手冊中設(shè)置了一個關(guān)于變異的調(diào)查實(shí)驗(yàn)：“種群的變異”。

1.1 實(shí)驗(yàn)前討論

一個物種的不同個體不可能完全相同，所有的植物和動物都會發(fā)生變異，有些變異可以通過繁殖遺傳給后代。許多可遺傳變異是中性的，不會影響生物的生存；有一些可遺傳變異是有利的，有利的可遺傳變異就是對環(huán)境的適應(yīng)；有害的可遺傳變異會削弱生物對環(huán)境的適應(yīng)。適應(yīng)環(huán)境的生物會獲得更多繁殖機(jī)會將有利性狀遺傳給后代；具有有害性狀的生物將會相繼淘汰；這個過程被稱為適者生存。調(diào)查中，你將觀察兩種不同類型植物及教室里不同人的變異。

1.2 實(shí)驗(yàn)問題

整個調(diào)查實(shí)驗(yàn)圍繞著一個主題：植物和動物種群中變異是如何測定的？

1.3 實(shí)驗(yàn)材料

10顆白色的菜豆、10片楓葉、公制尺、3支彩色鉛筆。

1.4 測量過程

植物的變異的測量：

（1） 給每個小組分發(fā)10顆菜豆和10片楓葉。

（2） 以毫米為單位測量每枚菜豆、每片楓葉葉片和葉柄的長度。根據(jù)圖1所示確定葉片和葉柄，將測量結(jié)果記錄在表1中。

（3） 匯總每個小組的測量結(jié)果，并全班共享、利用這些數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)菜豆、楓葉葉片及葉柄的長度，將長度按從小到大的順序排列，并統(tǒng)計(jì)每一長度值的數(shù)據(jù)個數(shù)，填入表2。

（4） 利用表2的數(shù)據(jù)，繪制以長度為橫坐標(biāo)，個數(shù)為縱坐標(biāo)的曲線圖。楓葉葉片和葉柄長度的曲線圖可以繪制在同一坐標(biāo)中，注意使用不同顏色的鉛筆繪制每一組數(shù)據(jù)，并確保包含每個圖的關(guān)鍵部分。

教室里不同人的變異的測量：

（1） 測量自己的手跨度時，應(yīng)該從拇指頂端到小指的前端，如圖2所示。對測量結(jié)果四舍五入精確到厘米，將測量結(jié)果記錄在黑板上共享。

（2） 將所有學(xué)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將統(tǒng)計(jì)結(jié)果填寫在表格3中，根據(jù)表格3的數(shù)據(jù)繪制曲線圖。

對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和繪制曲線圖以后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察。

1.5 分析和總結(jié)

（1） 變異是指什么？

（2） 菜豆、楓葉葉片和葉柄長度主要集中在什么范圍？

（3） 菜豆、楓葉葉片和葉柄長度在什么范圍內(nèi)集中最少？

（4） 每一條曲線的一般形態(tài)是什么？

（5） 從菜豆、楓葉葉片和葉柄長度曲線圖的形態(tài)得出什么結(jié)論？

（6） 從菜豆、楓葉葉片和葉柄上能夠觀察到的另外兩種變異嗎？

（7） 班級所有學(xué)生的手跨度相同嗎？

（8） 最常見的手跨度是多少？最少見的是多少？

（9） 曲線，大致呈現(xiàn)什么形態(tài)？從班級學(xué)生的手跨度呈現(xiàn)的曲線形態(tài)，可以得出什么結(jié)論？

答案：（1） 同一物種在外觀上顯示出來的微小差異；

（2） 大部分樣品的長度都集中的在中間范圍；

（3） 樣品最少集中在整個長度范圍的極值；

（4） 每個曲線圖應(yīng)該是倒置U型；

（5） 由曲線圖形態(tài)表明，盡管長度在發(fā)生變化，但是主要還是集中在平均值附近，兩端的極端值很少；

（6） 這個問題答案不唯一，可以是寬度、厚度、葉柄直徑和顏色等；

（7） 不同，有各種長度；

（8） 根據(jù)不同人群測量結(jié)果會有差異，一般也是集中在平均值附近，最少見的也是兩端的極值；

（9） 曲線大致形態(tài)也是呈現(xiàn)倒置U型，根據(jù)具體曲線圖可以分析曲線的變化趨勢、變化程度等。

1.6 批判性思維和應(yīng)用

（1） 為什么豆莢里種子多比種子少的更有利于對環(huán)境的適應(yīng)？

（2） 為什么對沙漠仙人掌植物來說短根系是一種不利的適應(yīng)？

（3） 為什么北極地區(qū)的動物白色的皮毛對其在冬天里的適應(yīng)是有利的？

（4） 舉出兩例手跨度大的有利之處。

答案：（1） 豆莢里種子多，能發(fā)芽并長成新的植株的概率就高，這體現(xiàn)出對環(huán)境的適應(yīng)就更有利；（2） 仙人掌如果具有短根系就會很難獲得水分，這樣在沙漠里很難生存。（3） 白色皮毛與周圍的環(huán)境比較相似，這有利于其躲避天敵；（4） 答案是多樣的，包括樂器演奏、增強(qiáng)運(yùn)動能力、承載更大負(fù)荷及提升生存能力等。

1.7 拓展

調(diào)查其他植物的變異，模仿這個實(shí)驗(yàn)中的測量，并對結(jié)果和圖表數(shù)據(jù)分析。你認(rèn)為所有同一物種的不同個體在所有性狀上都存在變異嗎？為什么？

2 對實(shí)驗(yàn)的幾點(diǎn)探討

（1） 該實(shí)驗(yàn)的模式是生物學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)展的重要趨勢，值得借鑒。該實(shí)驗(yàn)概括起來主要包括三方面：“數(shù)據(jù)采集與處理”“數(shù)據(jù)分析與總結(jié)”和“數(shù)據(jù)應(yīng)用與延伸”?！皵?shù)據(jù)采集及處理”主要包含了“實(shí)驗(yàn)前討論”“實(shí)驗(yàn)問題”“實(shí)驗(yàn)材料”“操作過程”和“觀察”等內(nèi)容，目的是獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?！皵?shù)據(jù)分析與總結(jié)”主要是設(shè)置一系列問題，問題可以包括概念性問題、描述性問題、總結(jié)性問題和解釋性問題?！皵?shù)據(jù)的應(yīng)用與延伸”主要是運(yùn)用批判性思維對一些問題進(jìn)行探討、聯(lián)系和解釋。借鑒這種實(shí)驗(yàn)，對國內(nèi)教材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)化轉(zhuǎn)變，將會是一種有益的嘗試。對于容易操作的實(shí)驗(yàn)，教師可以讓學(xué)生自己去操作并獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；有些數(shù)據(jù)獲取過程比較復(fù)雜，可以側(cè)重對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和應(yīng)用。這種轉(zhuǎn)變對學(xué)生在知識理解和能力培養(yǎng)上都會有促進(jìn)作用，值得在教學(xué)中去嘗試。

（2） 該實(shí)驗(yàn)側(cè)重于測量和對數(shù)據(jù)的處理，整個實(shí)驗(yàn)對學(xué)生的能力要求具體包括：測量、統(tǒng)計(jì)、繪圖、觀察、闡述、總結(jié)、比較、解釋和聯(lián)系等。學(xué)生通過測量、統(tǒng)計(jì)、繪圖和觀察等方式參與到整個實(shí)驗(yàn)中，充分調(diào)動了學(xué)生的積極性。實(shí)驗(yàn)中解決一系列具有一定關(guān)聯(lián)性或者圍繞某一主題的問題，鍛煉學(xué)生的闡述、總結(jié)、比較、解釋和聯(lián)系等能力。從實(shí)驗(yàn)操作性和學(xué)生思維培養(yǎng)的角度，值得借鑒。當(dāng)然，該實(shí)驗(yàn)在問題設(shè)置方面有一些值得商榷的地方，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的問題之間的邏輯性不強(qiáng)，“分析和總結(jié)模塊”設(shè)置的問題之間沒有太大邏輯，“批判性思維和應(yīng)用”模塊設(shè)置的問題與該實(shí)驗(yàn)本身關(guān)系不強(qiáng)。這個實(shí)驗(yàn)是一個側(cè)重測量和對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的實(shí)驗(yàn)，是否可以多設(shè)置一些關(guān)于測量或者數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、繪圖等方面的問題？問題是思維的源泉，如何設(shè)置具有關(guān)聯(lián)性的問題層層遞進(jìn)？如何將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與知識內(nèi)容有效結(jié)合，既符合學(xué)生思維發(fā)展的要求，又體現(xiàn)知識和現(xiàn)實(shí)聯(lián)系的新課程理念？

（3） 該實(shí)驗(yàn)利用的材料非常容易獲取，實(shí)驗(yàn)過程的操作也非常簡便，這一點(diǎn)值得借鑒。該實(shí)驗(yàn)涉及到數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對數(shù)據(jù)共享，從而得到更加客觀的數(shù)據(jù)，共享精神也是實(shí)驗(yàn)中需要向?qū)W生滲透的。

（4） 實(shí)驗(yàn)中也存在一些疑問，值得探討：① 在選擇植物材料時，沒有明確是否可以是同一個體，也沒有明確葉片的發(fā)育程度，如果是同一個體的差異或者是發(fā)育程度不同導(dǎo)致的差異，這些差異是否是一種變異有待商榷。② 在對植物測量時沒有明確精確的要求，而對手跨度測量時，明確要求四舍五入精確到厘米，所以手跨度在表3中設(shè)置的數(shù)值是一系列整數(shù)。在實(shí)際操作中學(xué)生會得到各種不同精確要求的數(shù)值，導(dǎo)致得到長度的數(shù)據(jù)非常多，這一點(diǎn)讓實(shí)驗(yàn)者產(chǎn)生困惑。③ 實(shí)驗(yàn)中有些細(xì)節(jié)沒有向?qū)W生說明，如實(shí)驗(yàn)中沒有明確菜豆長度如何測量；手跨度測量時沒有強(qiáng)調(diào)是測量左手還是右手，還是隨機(jī)選擇；在繪制曲線圖時楓葉葉片和葉柄長度畫在同一坐標(biāo)系中，為什么這兩條曲線可以畫在同一坐標(biāo)系中，是因?yàn)閬碜酝黄鞴俚脑騿幔咳绻麠魅~葉片和葉柄的數(shù)據(jù)差異很大是否還可以畫在同一坐標(biāo)系呢？這些問題都需要向?qū)W生說明。從學(xué)生的思維角度設(shè)置相關(guān)內(nèi)容也值得思考和探討。