基于類比推理的生物學(xué)探究性建模教學(xué)

邰玉韋

“生物進(jìn)化的學(xué)說(shuō)”是蘇教版初中生物學(xué)教材八年級(jí)上冊(cè)第16章第3節(jié)的內(nèi)容，本節(jié)教學(xué)共需要達(dá)成三個(gè)重要教學(xué)目標(biāo)：①認(rèn)同“生物的遺傳變異和環(huán)境的共同作用導(dǎo)致生物進(jìn)化”的觀點(diǎn)。②說(shuō)出達(dá)爾文生物進(jìn)化學(xué)說(shuō)的基本思想及其意義。③描述加拉帕戈斯群島上地雀發(fā)展和進(jìn)化的原因。

《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》“課程內(nèi)容”中明確指出，生命的起源和進(jìn)化是生物科學(xué)研究的重要領(lǐng)域，以自然選擇學(xué)說(shuō)為核心的生物進(jìn)化理論，解釋了生物進(jìn)化和發(fā)展的原因。這部分知識(shí)在初中生物學(xué)教學(xué)中屬于寶貴的“生物科學(xué)史”教學(xué)資源，對(duì)學(xué)生感受科學(xué)家的經(jīng)歷、領(lǐng)悟科學(xué)家的探究過(guò)程和思維方法、形成生物進(jìn)化的觀點(diǎn)、樹立辯證唯物主義自然觀具有重要意義。

達(dá)爾文的生物進(jìn)化學(xué)說(shuō)既是本節(jié)的重點(diǎn)又是難點(diǎn)。在實(shí)際教學(xué)中，如果僅僅通過(guò)資料閱讀和討論探究加拉帕戈斯群島上地雀的進(jìn)化，學(xué)生對(duì)生物進(jìn)化的原因會(huì)缺乏足夠的感性認(rèn)識(shí)鋪墊。需要設(shè)計(jì)一系列逐步深入的模擬活動(dòng)強(qiáng)化經(jīng)驗(yàn)及感性認(rèn)識(shí)，并滲透類比推理、歸納與演繹、模型與建模等教學(xué)思想和方法，環(huán)環(huán)相扣地引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)構(gòu)建知識(shí)體系模型，才能幫助學(xué)生形成對(duì)生物進(jìn)化學(xué)說(shuō)的理性認(rèn)識(shí)，并在教學(xué)過(guò)程中落實(shí)生物學(xué)核心素養(yǎng)，有效實(shí)現(xiàn)本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)。

一、聚焦情境問題，增強(qiáng)建模感性認(rèn)識(shí)

1.從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)昆蟲的繁殖能力很強(qiáng)

師：今天的課堂，我們一起前往海島探索，你們的課桌就是一個(gè)個(gè)模擬的海島。首先看情境（ppt呈現(xiàn)）：某海島上生活著一種昆蟲，親代是10只，一般一只這樣的昆蟲平均一年可產(chǎn)卵200粒，如果所有出生的個(gè)體都能成功繁殖，5年之后此島上大概有多少只這種昆蟲后代呢？

（師生一起通過(guò)數(shù)學(xué)換算得出，5年之后此島上大概有3.2×1012（10×2005）只昆蟲后代。）

師：這個(gè)數(shù)據(jù)告訴我們什么？

生1：5年之后，此島上有很多很多這種昆蟲。

生2：也說(shuō)明這種昆蟲繁殖能力很強(qiáng)，能產(chǎn)生大量的后代。

2.在解決問題中認(rèn)識(shí)生物變異現(xiàn)象

師：這種昆蟲的所有后代個(gè)體之間會(huì)不會(huì)長(zhǎng)得一模一樣？

生（齊聲）：不會(huì)。

師：這些個(gè)體之間會(huì)存在差異。那么，接下來(lái)，我們就針對(duì)昆蟲的翅膀進(jìn)行研究。（出示圖片）這些昆蟲的翅膀存在哪些差異？

生1：有的翅膀長(zhǎng)，有的翅膀短。

生2：有的翅膀粗大一些，有的細(xì)小一些。

師：生物學(xué)上，在遺傳的過(guò)程中，不同的個(gè)體之間出現(xiàn)差異的現(xiàn)象被稱為變異。在自然界，生物的變異現(xiàn)象是普遍存在的。

【設(shè)計(jì)意圖】

生物學(xué)建模是一種抽象的思維，具有一定的難度，需要循序漸進(jìn)。一方面，“生物進(jìn)化學(xué)說(shuō)”涉及許多重要概念，如遺傳變異、過(guò)度繁殖等，這些是建模的基礎(chǔ)。另一方面，需要給學(xué)生充足的時(shí)間在模擬活動(dòng)中獲得對(duì)生物進(jìn)化的過(guò)程體驗(yàn)和感悟，激發(fā)學(xué)生的元認(rèn)知，增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)，啟發(fā)學(xué)生思考，發(fā)現(xiàn)和解決建模進(jìn)程中的具體問題。

二、經(jīng)歷活動(dòng)體驗(yàn)，初步建模并檢驗(yàn)

1.開展模擬活動(dòng)，滲透建模思想

師：當(dāng)這些昆蟲共同生活在海島上的時(shí)候，這座海島上常常會(huì)刮起大風(fēng)……接下來(lái)，這些昆蟲會(huì)如何發(fā)展呢？我們一起通過(guò)模擬活動(dòng)來(lái)探索。每小組四位同學(xué)，一位同學(xué)模擬海島刮大風(fēng)，一位同學(xué)負(fù)責(zé)把10只模擬昆蟲（5只大翅，5只殘翅或無(wú)翅）在桌上放置好，一位同學(xué)負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，一位同學(xué)負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)填寫在活動(dòng)單（見表1）中。

學(xué)生參與活動(dòng)體驗(yàn)的氣氛很濃厚。在模擬刮大風(fēng)時(shí)，有的學(xué)生用雙手模擬，有的學(xué)生用生物課本模擬，有的學(xué)生認(rèn)為風(fēng)力不足夠大，便叫上同學(xué)一起用兩本書模擬;在放置模擬昆蟲時(shí)，有的組將其放在桌面中央，有的組將其放置在桌緣?；顒?dòng)簡(jiǎn)單有趣、效果明顯。

2.統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析結(jié)果

統(tǒng)計(jì)各組數(shù)據(jù)并算出平均值。大翅昆蟲留在海島的數(shù)量是2.1個(gè)，殘翅（無(wú)翅）昆蟲留在海島的數(shù)量是4.1個(gè)。

師：這個(gè)數(shù)據(jù)說(shuō)明什么？

生1：大翅昆蟲容易被海風(fēng)吹進(jìn)海里去，殘翅昆蟲容易在經(jīng)常刮大風(fēng)的海島上生存下來(lái)。

師：殘翅或無(wú)翅的昆蟲容易在這種海島上生存下來(lái)，就有更多的機(jī)會(huì)繁殖后代，我們稱這種變異為有利變異。我們繼續(xù)讓海島上的這個(gè)故事發(fā)展下去，猜測(cè)20年后，昆蟲情況會(huì)怎樣。

生2：沒有翅膀的昆蟲類型會(huì)變得更多。

師：很高興，我們的探究過(guò)程和方法，已經(jīng)走進(jìn)了著名科學(xué)家達(dá)爾文的思想和觀點(diǎn)，他認(rèn)為海島上的這種變化叫作生物進(jìn)化。

3.自主討論，初步建模

師：為進(jìn)一步走入達(dá)爾文“生物進(jìn)化”的理論，現(xiàn)在我們?cè)囍褎偛诺膶?shí)踐探索過(guò)程以模型的方式呈現(xiàn)出來(lái)。請(qǐng)同學(xué)們?cè)谙铝懈拍顜?kù)中選擇合適的詞條填入模型框架圖中：不利變異、過(guò)度繁殖、淘汰、適者生存、生存斗爭(zhēng)、遺傳變異。

學(xué)生在經(jīng)過(guò)小組討論后，能夠順利完成模型的初步建構(gòu)，并將其展示出來(lái)（見圖1）。

4.基于案例，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

師：現(xiàn)在我們能不能把海島昆蟲的案例和這個(gè)新構(gòu)建的理論模型二者結(jié)合起來(lái)，按照生物發(fā)展的過(guò)程來(lái)表述一下？

（師生達(dá)成共識(shí)：一開始，海島昆蟲親代祖先具有很強(qiáng)的繁殖能力，產(chǎn)生了大量的后代，在產(chǎn)生后代的過(guò)程中，存在著遺傳變異。大翅昆蟲子代個(gè)體在大風(fēng)海島環(huán)境下屬于不利變異，在生存斗爭(zhēng)中就容易被淘汰，而殘翅或無(wú)翅昆蟲則屬于有利變異，容易獲勝并繁殖大量后代，殘翅或無(wú)翅昆蟲逐代被積累，最后生存下來(lái)的就是殘翅或無(wú)翅昆蟲。）

師：在剛才的探究過(guò)程中，每個(gè)小組都模擬了大風(fēng)，大風(fēng)在生物進(jìn)化的過(guò)程中起了什么作用？

生：把不利變異淘汰掉了，對(duì)昆蟲的后代起了篩選作用。

師：這些昆蟲不斷地與大風(fēng)作斗爭(zhēng)，也不斷地被大風(fēng)選擇著，所以我們可以認(rèn)為海島大風(fēng)對(duì)昆蟲進(jìn)行了定向的自然選擇，使得昆蟲向殘翅的方向進(jìn)化。

【設(shè)計(jì)意圖】

建模的過(guò)程突出了生物學(xué)概念和規(guī)律發(fā)生發(fā)展的過(guò)程。學(xué)生在模擬活動(dòng)中經(jīng)歷了探究體驗(yàn)，并在自己經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上參與了自主建模的過(guò)程，激發(fā)了學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性?？茖W(xué)的模型需要立足于簡(jiǎn)單情境建構(gòu)，然后不斷地得到檢驗(yàn)和完善，歷經(jīng)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從局部到整體、從意義到結(jié)構(gòu)的建構(gòu)過(guò)程。

三、深度推理教學(xué)，完善模型建構(gòu)并解釋

1.分解復(fù)雜情境中的模擬活動(dòng)任務(wù)

師：達(dá)爾文還認(rèn)為，生物不斷進(jìn)化到一定階段時(shí)，能形成新物種，他用加拉帕戈斯群島的地雀來(lái)做了解釋。那么，今天就重走一遍達(dá)爾文的思考之路，來(lái)推理證明他的結(jié)論。我們先了解一下加拉帕戈斯群島的地理背景（圖文呈現(xiàn)）：它由十幾座主要島嶼組成，距南美洲西海岸500～600英里。島嶼之間彼此分開，這里經(jīng)常遭遇嚴(yán)重干旱或嚴(yán)重暴雨或火山爆發(fā)，食物匱乏……因此，生物要想在這樣的島上生存下來(lái)，就必須先獲得食物。生物進(jìn)化是如何形成新物種的？故事開始了，在很久很久以前，有一群喙長(zhǎng)得不一樣的地雀（現(xiàn)代地雀的祖先）從南美洲大陸來(lái)到了各個(gè)島上……每列桌子相當(dāng)于一個(gè)島嶼，全班共有三個(gè)島嶼，分別為島1、島2和島3。每組四位同學(xué)中，有三位同學(xué)利用所提供的橡膠手套、牙簽和透明膠帶等將手指進(jìn)行不同的固定，呈現(xiàn)不同活動(dòng)方式，將分別模擬三種鳥的喙即模擬喙A、模擬喙B和模擬喙C（見圖2）。

（學(xué)生按照?qǐng)D示很快就完成了不同的手指固定和對(duì)不同喙的模擬。）

師：各組模擬的鳥喙A、鳥喙B、鳥喙C請(qǐng)舉手示意一下。請(qǐng)問飛到同一個(gè)島上的鳥，它們的喙的形態(tài)和大小都一樣嗎？

生1：不一樣，鳥喙A、鳥喙B、鳥喙C都有。

師：最初飛到三個(gè)不同島嶼上的鳥，它們的喙應(yīng)該包括這三種，對(duì)嗎？

生2：是的，因?yàn)槎紒?lái)自同一群地雀祖先。

師：那么三個(gè)不同島嶼上的環(huán)境一樣嗎？請(qǐng)

看（PPT圖片呈現(xiàn)：島嶼1上雜草萋萋，巖石遍布，昆蟲躲藏在石縫或草叢中，蟲子多。島嶼2上樹木較多，能結(jié)出果皮堅(jiān)硬的果實(shí)。島嶼3上仙人掌叢生，會(huì)開花，花是管狀的，其花蜜可以食用）。

師：每個(gè)島之間是相互隔開的，島1、島2和島3上的食物是不一樣的，因此，老師為每個(gè)島嶼（各4個(gè)組）上準(zhǔn)備的模擬食物也是不同的（見圖3）。請(qǐng)小組研究、推測(cè)一下自己島上的地雀喙會(huì)進(jìn)行怎樣的進(jìn)化。

2.模擬探究不同島上地雀喙的進(jìn)化方向

師：探究中，用燒杯模擬鳥的消化系統(tǒng)，假設(shè)每取得5個(gè)食物才可以繁殖一代，而且每只雌鳥每代繁殖10只，請(qǐng)將取得的食物數(shù)量換算成存活的地雀子代數(shù)量。每組由三位同學(xué)分別在2分鐘內(nèi)完成取食，由第四位同學(xué)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并將其填寫在表2中?；顒?dòng)結(jié)束后，請(qǐng)推理該島上的地雀向哪個(gè)方向進(jìn)化。

（各組學(xué)生積極參與模擬取食活動(dòng)，時(shí)間2分鐘。）

3.分析結(jié)果，解釋表達(dá)

（1）數(shù)據(jù)說(shuō)明：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?的地雀能獲得更多食物，更易在島上生存，有更多機(jī)會(huì)繁殖后代。

（2）結(jié)合已建立的進(jìn)化概念模型，解釋該島上地雀的進(jìn)化方向。地雀的祖先來(lái)到了這座島上繁殖后代，在繁殖過(guò)程中發(fā)生變異，有的鳥喙粗一些，有的鳥喙? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?，因?yàn)閸u上? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?，所以____________（喙A、喙B、喙C）的地雀能獲得更多食物，繁殖更多后代，所以多年以后，該島地雀不斷向____________（喙A、喙B、喙C）的方向進(jìn)化。

4.基于類比推理，完善模型并解釋

師：經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，島1、島2、島3的環(huán)境更適合哪種鳥生存下來(lái)？也就是說(shuō)島1、島2、島3上的地雀分別逐漸向哪種喙（喙A、喙B、喙C）的方向進(jìn)化？

生1：島1的地雀向喙A方向進(jìn)化（完善模型）。

生2：島2的地雀向喙C方向進(jìn)化（完善模型）。

生3：島3的地雀向喙B方向進(jìn)化（完善模型）。

師：當(dāng)我們通過(guò)模擬探究得出這樣的結(jié)論后，我們又有什么新的發(fā)現(xiàn)？

生4：不同島上的地雀，向著不同的方向發(fā)展。

師：為什么？

生4：因?yàn)椴煌瑣u上的食物（完善模型）不同。

師：相當(dāng)于不同島上的環(huán)境對(duì)地雀進(jìn)行了選擇，使地雀向著不同的方向進(jìn)化。前面的模擬探究中也遇到了大風(fēng)對(duì)昆蟲的選擇問題，可見，這是一個(gè)共同的規(guī)律。環(huán)境的各種因素如大風(fēng)、食物、天敵等都會(huì)對(duì)生物的生存進(jìn)行不斷的選擇。在生存斗爭(zhēng)中，像這樣適者生存、不適者被淘汰的過(guò)程被稱為自然選擇（完善模型）。在不斷被選擇的過(guò)程中，島上的生物在發(fā)生不斷的變化，導(dǎo)致生物的進(jìn)化。如果說(shuō)地雀可以這樣進(jìn)化，那么地球上的其他生物是不是也可以這樣進(jìn)化？

生（齊聲）：可以。

師：經(jīng)過(guò)很多年以后，這三個(gè)島上的地雀之間的差異就會(huì)變得越來(lái)越怎樣？

生5：差異越來(lái)越大。

師：差異不僅僅表現(xiàn)在鳥喙方面，其他相應(yīng)的結(jié)構(gòu)也會(huì)出現(xiàn)差異。當(dāng)差異達(dá)到很大程度的時(shí)候，即使它們能進(jìn)行交配，也不能產(chǎn)生有生殖能力的后代了。所以，很多很多年后，就形成了不同物種（學(xué)生通過(guò)意會(huì)表示認(rèn)同——原來(lái)新的物種就是這樣產(chǎn)生的）。達(dá)爾文確實(shí)發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，在加拉帕戈斯群島上，他一共發(fā)現(xiàn)了13種不同的地雀。于是，他就用地雀的案例完美地解釋了他的進(jìn)化觀點(diǎn)。

生6：生物進(jìn)化可以形成新物種。

師：達(dá)爾文認(rèn)為，其他生物也會(huì)按照我們構(gòu)建的模型的規(guī)律進(jìn)行進(jìn)化，于是他寫了一本書叫——

生（齊聲）：《物種起源》。

師：達(dá)爾文認(rèn)為，當(dāng)?shù)厍蛏线@么多各種各樣的生物進(jìn)化了，就形成了許多種生物，地球上的生物就豐富了，就產(chǎn)生了生物多樣性（完善模型）。所以，達(dá)爾文認(rèn)為，地球上為什么有這么多生物？是因?yàn)槊糠N生物都在——

生（齊聲）：不斷進(jìn)化。

師：達(dá)爾文的《物種起源》這本書其核心思想又是什么？為什么會(huì)形成生物多樣性？是因?yàn)樯镌诓粩噙M(jìn)化。為什么生物在不斷進(jìn)化？是因?yàn)椴粩嗟剡M(jìn)行著自然選擇、逐代選擇，有利變異的類型逐漸積累，出現(xiàn)了適應(yīng)環(huán)境的新類型。所以說(shuō)，《物種起源》的核心思想是什么學(xué)說(shuō)？

生（齊聲）：自然選擇學(xué)說(shuō)。（完整的模型建構(gòu)見圖4）

【設(shè)計(jì)意圖】

教師創(chuàng)設(shè)了復(fù)雜的情境，開展了接近加拉帕戈斯群島地雀實(shí)際生活的模擬活動(dòng)，滲透了類比推理的思想和方法，進(jìn)行深度建模，促進(jìn)了學(xué)生的思考逐漸走進(jìn)了達(dá)爾文的生物進(jìn)化思想和觀點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)了模型建構(gòu)的進(jìn)階。在模型的完善和補(bǔ)充過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)活動(dòng)體驗(yàn)和問題解決，理解了生存斗爭(zhēng)、自然選擇、生物進(jìn)化、不同物種、生物多樣性之間的關(guān)系，理解了自然選擇學(xué)說(shuō)是達(dá)爾文《物種起源》的核心思想。

四、聯(lián)系實(shí)際生活，拓展應(yīng)用模型

【閱讀材料】

18世紀(jì)的英國(guó)曼徹斯特地區(qū)，山清水秀，綠樹成蔭。那里的森林中生活著一種樺尺蠖，其成蟲是一種飛蛾。它們夜間活動(dòng)，白天棲息在長(zhǎng)滿地衣（顏色比較淺）的樹干上。1850年，一些生物學(xué)家來(lái)這里考察，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)樺尺蠖成蟲的體色是淺色的，只有少數(shù)是深色的。100年以后，也就是1950年，曼徹斯特已經(jīng)變成了一個(gè)工業(yè)城市。這里工廠林立，煙霧彌漫，工廠排出的煤煙殺死了地衣，結(jié)果使樹皮裸露并被熏成黑褐色。這時(shí)候，又有一些生物學(xué)家到這里考察，使他們驚訝的是，這里的深色樺尺蠖變成了常見類型，而淺色的樺尺蠖卻成了少數(shù)。

【請(qǐng)分析回答】

（1）請(qǐng)用達(dá)爾文生物進(jìn)化的觀點(diǎn)，解釋1850年、1950年曼徹斯特地區(qū)出現(xiàn)的不同類型樺尺蠖在數(shù)量方面的變化。

（2）如果要使淺色的樺尺蠖重新恢復(fù)為常見類型，你認(rèn)為應(yīng)該怎樣做？

【設(shè)計(jì)意圖】

科學(xué)解釋能力是聚焦學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)下的重要科學(xué)素養(yǎng)。因此，建立生物學(xué)模型不是最終教學(xué)目的，學(xué)會(huì)解釋、應(yīng)用模型才是真正目的。在教學(xué)中，教師需要重視聯(lián)系生活，設(shè)計(jì)與相應(yīng)模型同構(gòu)的問題情境，讓學(xué)生嘗試應(yīng)用模型分析和解決實(shí)際問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)展學(xué)生的思維。

（作者單位：江蘇省常州市北郊初級(jí)中學(xué)）

責(zé)任編輯：孫昕

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