“生物進(jìn)化”專題復(fù)習(xí)中的進(jìn)化與適應(yīng)觀

陸曉文

摘要：以高三復(fù)習(xí)專題“生物進(jìn)化”為例，通過問題情境幫助學(xué)生從多角度認(rèn)識(shí)生物進(jìn)化，在重構(gòu)“生物的多樣性和適應(yīng)性是進(jìn)化的結(jié)果”這一大概念的同時(shí)逐步確立進(jìn)化與適應(yīng)觀。

關(guān)鍵詞：概念教學(xué)進(jìn)化與適應(yīng)觀生物的多樣性和適應(yīng)性情境創(chuàng)設(shè)

中圖分類號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

生命觀念是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中獨(dú)具生物學(xué)科特點(diǎn)的要素，是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的標(biāo)志和關(guān)鍵，《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出：“學(xué)生應(yīng)該在較好理解生物學(xué)概念的基礎(chǔ)上形成生命觀念，能夠用生命觀念認(rèn)識(shí)生物的多樣性、統(tǒng)一性、獨(dú)特性和復(fù)雜性，形成科學(xué)的自然觀和世界觀，并以此指導(dǎo)探究生命活動(dòng)的規(guī)律，解決實(shí)際問題?！鄙^念中的進(jìn)化與適應(yīng)觀是最獨(dú)特和最復(fù)雜的生命觀念，構(gòu)建“生物的多樣性和適應(yīng)性是進(jìn)化的結(jié)果”這一大概念的過程就是進(jìn)化與適應(yīng)觀逐步確立的過程。下面以高三復(fù)習(xí)中“生物進(jìn)化”專題為例，探討如何創(chuàng)設(shè)問題情境幫助學(xué)生在解決問題的過程中重新構(gòu)建核心概念，從而形成進(jìn)化與適應(yīng)觀。

1專題內(nèi)容的選擇及設(shè)計(jì)思路

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

生物進(jìn)化理論中的重要概念不是通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而是基于大量的生物學(xué)事實(shí)，通過邏輯推理獲得的。一般來說，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中接受一個(gè)事實(shí)性的知識(shí)較為容易，但要對(duì)觀察到的生命現(xiàn)象進(jìn)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(yīng)性？多樣性與適應(yīng)性形成與遺傳變異和環(huán)境存在怎樣的關(guān)系？專題設(shè)計(jì)在學(xué)生原有認(rèn)知的基礎(chǔ)上選擇一些經(jīng)典的生物學(xué)事實(shí)，從不同角度創(chuàng)設(shè)問題情境，運(yùn)用類比推理和歸納推理等邏輯思維的方法，通過概念重構(gòu)逐漸形成進(jìn)化與適應(yīng)觀。

2創(chuàng)設(shè)問題情境，理解適應(yīng)是自然選擇的結(jié)果

2.1創(chuàng)設(shè)有梯度的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生用歸納推理的方法思考進(jìn)化與適應(yīng)觀

情境1：位于印度洋南岸的克格倫島常年有暴風(fēng)雨，海島上的昆蟲一般只有兩種類型，不能飛的和少數(shù)能飛但翅膀異常發(fā)達(dá)的。為什么克格倫島上的昆蟲會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象？

教師引導(dǎo)學(xué)生分析資料，促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說做出解釋：島上由于風(fēng)大，翅膀中等發(fā)達(dá)的昆蟲被淘汰，只有翅膀特別發(fā)達(dá)（不容易被風(fēng)刮到海里）和翅膀退化（不能飛）這兩種類型的昆蟲個(gè)體才能在這種風(fēng)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(gè)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(kuò)大培養(yǎng)后，再轉(zhuǎn)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(gè)別細(xì)菌存活。逐漸提高培養(yǎng)基中青霉素含量。最后，得到一個(gè)能生活在250青霉素單位/cm³培養(yǎng)基的品系。在上述實(shí)驗(yàn)中，不同青霉素濃度處理的目的是什么？可以得出什么結(jié)論？

學(xué)生分組討論，通過質(zhì)疑和辯駁，用達(dá)爾文的進(jìn)化理論解釋：不同濃度的青霉素處理的目的是對(duì)金黃色葡萄球菌進(jìn)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(qiáng)。

情境3：人類鐮刀型細(xì)胞貧血癥患者的血紅蛋白容易破碎，至今全世界每年會(huì)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(xì)胞貧血癥為什么沒有在生命演化的過程中被淘汰？仔細(xì)比較世界范圍內(nèi)鐮刀型細(xì)胞貧血癥與瘧疾發(fā)病的地理分布，發(fā)現(xiàn)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(xué)生不容易回答。教師引導(dǎo)學(xué)生分析資料，使學(xué)生了解鐮刀型細(xì)胞貧血癥的發(fā)病機(jī)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(xì)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(gè)情境中設(shè)置有梯度問題串，對(duì)學(xué)生的回答應(yīng)適時(shí)予以肯定或糾錯(cuò)并進(jìn)行正確的引導(dǎo)。利用情境1、2，幫助學(xué)生構(gòu)建“具有優(yōu)勢(shì)性狀的個(gè)體在種群中所占的比例會(huì)增加”和“自然選擇促使生物更好地適應(yīng)特定的生存環(huán)境”兩個(gè)概念，并引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：個(gè)體雖然是生命基本特征的載體，卻無法承載整個(gè)生物的進(jìn)化歷程，從而得出生物進(jìn)化的單位是種群的結(jié)論。教師利用情境3，啟發(fā)學(xué)生思考在瘧疾高發(fā)的地區(qū)鐮刀型細(xì)胞貧血癥攜帶者較基因型完全正常的個(gè)體對(duì)瘧疾的抵抗力更強(qiáng)的原因。學(xué)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(yīng)形成的機(jī)制，適應(yīng)是選擇的結(jié)果，而且說明適應(yīng)是相對(duì)的，是對(duì)一定環(huán)境的適應(yīng)。

2.2創(chuàng)設(shè)情境，用數(shù)據(jù)激發(fā)思維靈感，從“遺傳變異”的角度培養(yǎng)學(xué)生的進(jìn)化與適應(yīng)觀

情境4：DNA復(fù)制時(shí)的堿基互補(bǔ)配對(duì)原則很大程度上保證了復(fù)制的準(zhǔn)確性，但是DNA平均每復(fù)制109個(gè)堿基對(duì)，就會(huì)產(chǎn)生1個(gè)錯(cuò)誤。請(qǐng)根據(jù)這一數(shù)據(jù)計(jì)算，約有3.16x109個(gè)堿基對(duì)的人類基因組復(fù)制時(shí)可產(chǎn)生多少個(gè)錯(cuò)誤？如果在一個(gè)中等數(shù)量（108）的種群中，這些錯(cuò)誤導(dǎo)致的基因突變數(shù)量有多少？

情境5：人類的染色體有23對(duì)，一個(gè)人進(jìn)行減數(shù)分裂可能產(chǎn)生的精子或卵細(xì)胞的染色體組成有多少種？一對(duì)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(duì)夫婦產(chǎn)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(shè)真實(shí)問題情境，學(xué)生通過思考計(jì)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(xiàn)大量可遺傳的變異，但由于突變和重組都是隨機(jī)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(jìn)化的方向。

情境6：在一個(gè)顯性性狀和隱形性狀數(shù)量相當(dāng)?shù)姆N群中，假設(shè)自然選擇對(duì)顯性性狀有0.001的選擇優(yōu)勢(shì)，即選擇1000個(gè)AA和Aa的同時(shí)，只選擇999個(gè)aa。即使初始A頻率只有0.00001，只要23400個(gè)世代即可增加到0.99，相應(yīng)的等位基因就會(huì)降到0.01，可使一個(gè)物種發(fā)生明顯改變。

教師引導(dǎo)學(xué)生分析情境6，促進(jìn)學(xué)生思考微小的選擇差異是如何通過不斷迭代從而導(dǎo)致物種的變化，進(jìn)化的實(shí)質(zhì)是自然選擇對(duì)種群中的個(gè)體進(jìn)行選擇最終導(dǎo)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(shù)字化，激發(fā)學(xué)生的思維靈感，幫助學(xué)生更好地理解DNA分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及半保留復(fù)制機(jī)制的意義。通過情境6具體數(shù)據(jù)的直觀對(duì)比，說明在自然選擇中僅有微弱優(yōu)勢(shì)性狀的基因頻率也會(huì)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(jìn)化的方向，生物進(jìn)化是遺傳變異和環(huán)境選擇共同作用的結(jié)果。

2.3創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生開拓思維，通過知識(shí)橫向聯(lián)系培養(yǎng)進(jìn)化與適應(yīng)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(shí)添加氨基酸甲和乙的基本培養(yǎng)基中混合培養(yǎng)一段時(shí)間后，再將菌體接種在基本培養(yǎng)基平板上，發(fā)現(xiàn)長出了大腸桿菌（x）的菌落。大腸桿菌（x）是怎么產(chǎn)生的？

學(xué)生大多只能對(duì)這個(gè)現(xiàn)象進(jìn)行簡單的猜測(cè)，判斷這個(gè)變異的來源是“基因突變”或“基因重組”。教師可結(jié)合肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，說明細(xì)菌在混合培養(yǎng)時(shí)會(huì)發(fā)生DNA的轉(zhuǎn)移，啟發(fā)學(xué)生從基因轉(zhuǎn)移的角度思考生物進(jìn)化的過程，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生從生命系統(tǒng)不同層次、細(xì)胞結(jié)構(gòu)、細(xì)胞代謝、細(xì)胞分裂以及遺傳和免疫等角度尋找生物進(jìn)化的證據(jù)。學(xué)生通過分析、討論和相互評(píng)價(jià)，將新知識(shí)有效地整合到原有的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)中，使知識(shí)體系得到豐富和發(fā)展，從而認(rèn)同生物界的大一統(tǒng)理論以及進(jìn)化是生命世界的核心發(fā)展主線，在概念的重新構(gòu)建中培養(yǎng)學(xué)生的進(jìn)化與適應(yīng)觀。

3復(fù)習(xí)課建立生命觀念的教學(xué)反思

生物進(jìn)化專題的設(shè)計(jì)主要圍繞“生物的多樣性和適應(yīng)性是進(jìn)化的結(jié)果”這一重要概念展開，高三教師對(duì)本專題設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該從多渠道多角度提供真實(shí)問題情境引發(fā)學(xué)生主動(dòng)參與，將相關(guān)生物學(xué)事實(shí)導(dǎo)入各級(jí)概念重構(gòu)環(huán)節(jié)中。該過程能培養(yǎng)學(xué)生獲取信息的能力，運(yùn)用生物進(jìn)化理論解釋生物界中紛繁復(fù)雜的多樣性和適應(yīng)性，在鍛煉學(xué)生歸納推理等邏輯思維能力的同時(shí)，對(duì)“適應(yīng)與進(jìn)化觀”等生命觀念的建立也有一定幫助。

由于本內(nèi)容是對(duì)學(xué)生進(jìn)行“進(jìn)化與適應(yīng)觀”滲透的重要載體，教師應(yīng)該將教學(xué)評(píng)價(jià)融入教學(xué)活動(dòng)，在活動(dòng)中評(píng)價(jià)學(xué)生的過程性表現(xiàn)、知識(shí)掌握水平以及語言表達(dá)能力等。該專題的學(xué)習(xí)還能培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任意識(shí)，使學(xué)生認(rèn)同人與其他生物一樣也是自然界歷史演化的產(chǎn)物，“尊重自然并與自然和諧相處”應(yīng)該成為全人類的共識(shí)并為之努力奮斗。