基于探究能力培養(yǎng)的“生物進化的原因”一節(jié)教學(xué)設(shè)計

劉 琳 王 薇

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

“生物進化的原因”隸屬于課程標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的具體要求是：認同生物進化的觀點［1］。本節(jié)課是北師大版8年級下冊第21 章第2 節(jié)“生命的進化”的內(nèi)容。生物進化的內(nèi)容較為抽象，單憑教師講述，學(xué)生很難全面理解，需通過實驗設(shè)計和操作實踐，讓學(xué)生形成充分的感性認識，以便更好地理解“自然選擇學(xué)說”的觀點。教材中以達爾文環(huán)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(xué)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(huán)境的改變，植物會增、減產(chǎn)，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(jié)教學(xué)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(xué)生更好地理解“自然選擇學(xué)說”。

1 教學(xué)目標(biāo)

1）知識目標(biāo)：概述自然選擇學(xué)說的主要內(nèi)容，說出模擬實驗的一般方法。

2）能力目標(biāo)：嘗試進行實驗設(shè)計，按照規(guī)則完成實驗，如實記錄實驗數(shù)據(jù)，并對實驗過程和實驗數(shù)據(jù)進行分析，提升科學(xué)探究能力和科學(xué)思維能力。

3）情感態(tài)度與價值觀目標(biāo)：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(yīng)的生命觀念；關(guān)注自然選擇學(xué)說與人類社會的關(guān)系，認同人類社會中更注重和平相處、合作共贏。

2 教學(xué)重、難點

1）重點：概述自然選擇學(xué)說的主要內(nèi)容。

2）難點：嘗試對模擬實驗的過程和數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析。

3 教學(xué)過程

3.1 導(dǎo)入新課 教師向?qū)W生展示自己從1 歲至今不同年齡階段的照片。引導(dǎo)學(xué)生將個體變化與物種演變相類比，幫助學(xué)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(jié)課的主題。

3.2 探究實驗——模擬自然選擇

1）創(chuàng)設(shè)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(fā)現(xiàn)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?qū)W生展示其中幾種雀鳥的圖片。學(xué)生通過觀察圖片發(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(shè)計所面臨困難。學(xué)生基于已學(xué)過的探究實驗知識，展開實驗設(shè)計的相關(guān)討論，討論后發(fā)現(xiàn)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(dāng)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(xiàn)?；趯W(xué)生設(shè)計實驗時存在的困惑，教師引入新的科學(xué)探究方法——模擬實驗，并向?qū)W生介紹模擬實驗的一般方法：當(dāng)實驗受到時間或空間的限制時，可根據(jù)研究目的和對象，設(shè)計可行的模擬實驗系統(tǒng)。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(shè)計及實施實驗。教師向?qū)W生展示實驗中可能用到的材料、工具，并引導(dǎo)學(xué)生思考、討論實驗的方法步驟。學(xué)生在進行實驗時，提出：環(huán)境中只有這一種食物嗎？如果環(huán)境發(fā)生變化，進而影響食物種類的變化，地雀喙型是否又會發(fā)生新的變化？在實驗過程中，也因操作不規(guī)范、不統(tǒng)一導(dǎo)致實驗結(jié)果出現(xiàn)誤差較大。為了使學(xué)生明確任務(wù)、統(tǒng)一規(guī)則、減少誤差，教師在學(xué)生討論的基礎(chǔ)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(xué)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(guī)定第1 代鳥鳴聲50 s，第2 代25 s，第3 代15 s。當(dāng)鳥鳴聲開始時，學(xué)生可用“喙”將培養(yǎng)皿中的食物依次放入自己面前的培養(yǎng)皿中，每次只允許取食1 粒，由監(jiān)督計數(shù)員統(tǒng)計取食數(shù)量。③假設(shè)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(dāng)組內(nèi)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(guī)則：①手不能直接觸碰培養(yǎng)皿，只能用“喙”取食。②放到培養(yǎng)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(shù)量=幸存者+繁殖后代個體數(shù)。

實驗完成后，教師組織學(xué)生利用Seewo 一體機，將實驗數(shù)據(jù)現(xiàn)場輸入Excel 中，完成實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并向全班展示。

3.3 實驗過程和結(jié)果分析 根據(jù)實驗結(jié)果（表1～表6），教師引導(dǎo)學(xué)生思考、討論。

表1 尖頭鑷狀喙雀鳥取食小型種子數(shù)目與幸存數(shù)目記錄單

表2 小號晾衣夾狀喙雀鳥取食小型種子數(shù)目與幸存數(shù)目記錄單

表3 扁嘴夾狀喙雀鳥取食小型種子數(shù)目與幸存數(shù)目記錄單

表4 大號晾衣夾狀喙雀鳥取食小型種子數(shù)目與幸存數(shù)目記錄單

表5 以小型種子為食的雀鳥的親代和幸存數(shù)目記錄單

表6 以大型堅果為食的雀鳥的親代和幸存數(shù)目記錄單

①當(dāng)以小型種子為食時，第3 代幸存數(shù)量最多的是哪種喙型的雀鳥？（學(xué)生答：小號晾衣夾狀喙的雀鳥）若幸存者可繼續(xù)繁殖，并存活，數(shù)目是多少？（學(xué)生答：第4 代起始數(shù)量為16，第5 代為32……）此現(xiàn)象說明什么？（學(xué)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(xué)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(jié)：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(xué)生答：食物資源有限）在模擬實驗的時候，限定時間和食物數(shù)量在模擬自然界中的什么情境？（學(xué)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(xué)生答：競爭越來越激烈）如果食物充足，它們會被淘汰嗎？（學(xué)生答：不會）

③如果環(huán)境發(fā)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(fā)生怎樣的變化？（學(xué)生答：當(dāng)環(huán)境發(fā)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(huán)境在生物的進化中起了什么作用？（學(xué)生答：環(huán)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(chǎn)生具有不同喙型的后代，其原因是什么？（學(xué)生答：遺傳、變異）

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

本環(huán)節(jié)創(chuàng)設(shè)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(xué)生先自主嘗試設(shè)計實驗，發(fā)現(xiàn)問題，教師通過解惑為學(xué)生講解模擬實驗的一般方法，不僅鍛煉了學(xué)生的思維能力，也加深了學(xué)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(xué)生積累感性認識；通過獲取數(shù)據(jù)及對實驗數(shù)據(jù)結(jié)果的分析和推理，獲取證據(jù)，從感性認識上升到理性認識，最終構(gòu)建自由選擇學(xué)說的概念，并初步形成進化與適應(yīng)的生命觀念。在此過程中，結(jié)合層層深入的問題串，構(gòu)建學(xué)生的思維鏈條，培養(yǎng)學(xué)生理性思維和科學(xué)探究能力，從而促進學(xué)生生物學(xué)學(xué)科能力的不斷提升。

3.4 課后延伸 教師將學(xué)生實驗時現(xiàn)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(yán)謹、有序，數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)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(xué)生答：合作）學(xué)習(xí)了自然選擇學(xué)說后你有哪些感想？你認為自然選擇學(xué)說適用于人類社會嗎？（學(xué)生答：自然界的絕大多數(shù)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(fā)達，因此自然選擇學(xué)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(huán)節(jié)旨在鍛煉學(xué)生質(zhì)疑與批判的思維能力，讓學(xué)生學(xué)會辯證看待問題，明確了自然選擇學(xué)說在解釋生物進化中的重要作用，同時關(guān)注自然選擇學(xué)說與人類社會的關(guān)系，認同人類社會中更注重和平相處、合作共贏。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課學(xué)生通過親歷實驗過程，積累了遺傳變異、環(huán)境變化等因素對生物生存影響的感性認識。實驗結(jié)束后，通過環(huán)環(huán)相扣的問題串，讓學(xué)生通過分析和討論實驗過程和結(jié)果，理解達爾文自然選擇學(xué)說的大致內(nèi)容，構(gòu)建核心概念。在模擬實驗的教學(xué)設(shè)計部分，不僅關(guān)注學(xué)生實驗設(shè)計能力、操作基本技能和數(shù)據(jù)統(tǒng)計能力，更關(guān)注了對于學(xué)生實驗過程和數(shù)據(jù)的分析、推理、演繹和思辨等理性思維能力的培養(yǎng)。