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

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(tái)分院 北京 100073）

“生物進(jìn)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(jí)主題“生命的起源和生物進(jìn)化”，課程標(biāo)準(zhǔn)的具體要求是：認(rèn)同生物進(jìn)化的觀(guān)點(diǎn)［1］。本節(jié)課是北師大版8年級(jí)下冊(cè)第21 章第2 節(jié)“生命的進(jìn)化”的內(nèi)容。生物進(jìn)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(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作實(shí)踐，讓學(xué)生形成充分的感性認(rèn)識(shí)，以便更好地理解“自然選擇學(xué)說(shuō)”的觀(guān)點(diǎn)。教材中以達(dá)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(guò)“模擬自然選擇”實(shí)驗(yàn)增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。但大量的文獻(xiàn)資料表明，加拉帕戈斯群島上植物類(lèi)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(huì)增、減產(chǎn)，并對(duì)地雀的取食和生存造成影響，進(jìn)而影響其喙型的變化［2-5］。在本節(jié)教學(xué)中，對(duì)教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，選用更加貼近地雀真實(shí)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(shí)的自然界變化所推動(dòng)的物種進(jìn)化，讓學(xué)生更好地理解“自然選擇學(xué)說(shuō)”。

1 教學(xué)目標(biāo)

1）知識(shí)目標(biāo)：概述自然選擇學(xué)說(shuō)的主要內(nèi)容，說(shuō)出模擬實(shí)驗(yàn)的一般方法。

2）能力目標(biāo)：嘗試進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，按照規(guī)則完成實(shí)驗(yàn)，如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jià)值觀(guān)目標(biāo)：通過(guò)探究進(jìn)化的原因，認(rèn)同生物進(jìn)化的觀(guān)點(diǎn)，形成進(jìn)化與適應(yīng)的生命觀(guān)念；關(guān)注自然選擇學(xué)說(shuō)與人類(lèi)社會(huì)的關(guān)系，認(rèn)同人類(lèi)社會(huì)中更注重和平相處、合作共贏(yíng)。

2 教學(xué)重、難點(diǎn)

1）重點(diǎn)：概述自然選擇學(xué)說(shuō)的主要內(nèi)容。

2）難點(diǎn)：嘗試對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。

3 教學(xué)過(guò)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(gè)體變化與物種演變相類(lèi)比，幫助學(xué)生感性理解進(jìn)化過(guò)程，并提出問(wèn)題：推動(dòng)生物不斷進(jìn)化的原因是什么？從而引出本節(jié)課的主題。

3.2 探究實(shí)驗(yàn)——模擬自然選擇

1）創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境。教師介紹達(dá)爾文在加拉帕戈斯群島進(jìn)行考察時(shí)發(fā)現(xiàn)其中的地雀是在過(guò)去的300～100 萬(wàn)年前由共同祖先進(jìn)化而來(lái)，并向?qū)W生展示其中幾種雀鳥(niǎo)的圖片。學(xué)生通過(guò)觀(guān)察圖片發(fā)現(xiàn)這些雀鳥(niǎo)喙的大小、長(zhǎng)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(dòng)生物進(jìn)化的原因是什么？可用什么方法進(jìn)行研究？

2）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所面臨困難。學(xué)生基于已學(xué)過(guò)的探究實(shí)驗(yàn)知識(shí)，展開(kāi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的相關(guān)討論，討論后發(fā)現(xiàn)存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：①真實(shí)的研究對(duì)象無(wú)法獲得；②當(dāng)時(shí)的真實(shí)場(chǎng)景無(wú)法還原；③上百萬(wàn)年的演變歷程無(wú)法通過(guò)觀(guān)察實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)?；趯W(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)存在的困惑，教師引入新的科學(xué)探究方法——模擬實(shí)驗(yàn)，并向?qū)W生介紹模擬實(shí)驗(yàn)的一般方法：當(dāng)實(shí)驗(yàn)受到時(shí)間或空間的限制時(shí)，可根據(jù)研究目的和對(duì)象，設(shè)計(jì)可行的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。例如，本模擬實(shí)驗(yàn)就可簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)對(duì)象，選擇適宜的材料或模型替代研究對(duì)象（圖1～圖3）。

圖1 模擬“雀鳥(niǎo)”不同的喙的工具

圖2 模擬雀鳥(niǎo)食物模型

圖3 模擬雀鳥(niǎo)取食模型

3）設(shè)計(jì)及實(shí)施實(shí)驗(yàn)。教師向?qū)W生展示實(shí)驗(yàn)中可能用到的材料、工具，并引導(dǎo)學(xué)生思考、討論實(shí)驗(yàn)的方法步驟。學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(jìn)而影響食物種類(lèi)的變化，地雀喙型是否又會(huì)發(fā)生新的變化？在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，也因操作不規(guī)范、不統(tǒng)一導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)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(guān)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(jiān)果”。第1 個(gè)回合，每組選2 人參加，每人代表一只鳥(niǎo)，其余學(xué)生將分別作為本組親本的后代。②教師播放鳥(niǎo)鳴聲，并以鳥(niǎo)鳴聲的起止作為一次“取食”活動(dòng)的起止。規(guī)定第1 代鳥(niǎo)鳴聲50 s，第2 代25 s，第3 代15 s。當(dāng)鳥(niǎo)鳴聲開(kāi)始時(shí)，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(jì)數(shù)員統(tǒng)計(jì)取食數(shù)量。③假設(shè)每種親代的“雀鳥(niǎo)”在生存中必須取得20 個(gè)小型種子或5 個(gè)大型堅(jiān)果才有可能生存并繁殖后代。④第1 個(gè)回合中啄食不足者將被淘汰，每個(gè)存活者有1 個(gè)后代。當(dāng)組內(nèi)人員不夠時(shí)，其他組的被淘汰者可扮演其他種雀鳥(niǎo)存活者的后代。

實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(gè)體數(shù)。

實(shí)驗(yàn)完成后，教師組織學(xué)生利用Seewo 一體機(jī)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)輸入Excel 中，完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并向全班展示。

3.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果分析 根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(niǎo)取食小型種子數(shù)目與幸存數(shù)目記錄單

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

表4 大號(hào)晾衣夾狀喙雀鳥(niǎo)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(niǎo)的親代和幸存數(shù)目記錄單

表6 以大型堅(jiān)果為食的雀鳥(niǎo)的親代和幸存數(shù)目記錄單

①當(dāng)以小型種子為食時(shí)，第3 代幸存數(shù)量最多的是哪種喙型的雀鳥(niǎo)？（學(xué)生答：小號(hào)晾衣夾狀喙的雀鳥(niǎo)）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(shuō)明什么？（學(xué)生答：說(shuō)明這種雀鳥(niǎo)繁殖能力很強(qiáng)）在自然界中，其他生物是否也有如此強(qiáng)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(bǔ)充：以動(dòng)物界的大象為例，一對(duì)大象，750年之后后代可達(dá)1 900 萬(wàn)頭。師生共同總結(jié)：生物都具有過(guò)度繁殖能力。

②為什么某些喙型的“雀鳥(niǎo)”最終沒(méi)能存活而被淘汰了？（學(xué)生答：食物資源有限）在模擬實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，限定時(shí)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(shí)間一次比一次短模擬什么情境？（學(xué)生答：競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈）如果食物充足，它們會(huì)被淘汰嗎？（學(xué)生答：不會(huì)）

③如果環(huán)境發(fā)生變化，小型種子植物滅絕，只有相對(duì)較大的堅(jiān)果，情況又會(huì)發(fā)生怎樣的變化？（學(xué)生答：當(dāng)環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，小號(hào)晾衣夾狀喙雀鳥(niǎo)被淘汰，而扁嘴夾狀喙雀鳥(niǎo)第3 代卻還有存活）這說(shuō)明環(huán)境在生物的進(jìn)化中起了什么作用？（學(xué)生答：環(huán)境決定了進(jìn)化的方向）

④300～100 萬(wàn)年前雀鳥(niǎo)的祖先種在生存和繁衍的過(guò)程中會(huì)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(shuō)明適應(yīng)環(huán)境的變異個(gè)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(shí)驗(yàn)情境，讓學(xué)生先自主嘗試設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，教師通過(guò)解惑為學(xué)生講解模擬實(shí)驗(yàn)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(duì)于新探究方法的理解。之后，再通過(guò)有序的實(shí)驗(yàn)操作，讓學(xué)生積累感性認(rèn)識(shí)；通過(guò)獲取數(shù)據(jù)及對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的分析和推理，獲取證據(jù)，從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，最終構(gòu)建自由選擇學(xué)說(shuō)的概念，并初步形成進(jìn)化與適應(yīng)的生命觀(guān)念。在此過(guò)程中，結(jié)合層層深入的問(wèn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)拍攝的實(shí)驗(yàn)照片通過(guò)手機(jī)投影到電子屏幕上，并作出評(píng)價(jià)：在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，小組中每個(gè)成員都各司其職、相互配合，實(shí)驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)謹(jǐn)、有序，數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確、真實(shí)，最終使實(shí)驗(yàn)順利完成。提出問(wèn)題：順利完成實(shí)驗(yàn)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(shuō)后你有哪些感想？你認(rèn)為自然選擇學(xué)說(shuō)適用于人類(lèi)社會(huì)嗎？（學(xué)生答：自然界的絕大多數(shù)生物往往因?yàn)橘Y源有限，存在生存斗爭(zhēng)，但是人類(lèi)社會(huì)更加文明和發(fā)達(dá)，因此自然選擇學(xué)說(shuō)中的“生存斗爭(zhēng)、適者生存”并不適用于人類(lèi)社會(huì)，人類(lèi)更加注重合作共贏(yíng)）

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(huì)辯證看待問(wèn)題，明確了自然選擇學(xué)說(shuō)在解釋生物進(jìn)化中的重要作用，同時(shí)關(guān)注自然選擇學(xué)說(shuō)與人類(lèi)社會(huì)的關(guān)系，認(rèn)同人類(lèi)社會(huì)中更注重和平相處、合作共贏(yíng)。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課學(xué)生通過(guò)親歷實(shí)驗(yàn)過(guò)程，積累了遺傳變異、環(huán)境變化等因素對(duì)生物生存影響的感性認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)環(huán)環(huán)相扣的問(wèn)題串，讓學(xué)生通過(guò)分析和討論實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果，理解達(dá)爾文自然選擇學(xué)說(shuō)的大致內(nèi)容，構(gòu)建核心概念。在模擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)部分，不僅關(guān)注學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、操作基本技能和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)能力，更關(guān)注了對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)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)。