用模擬實驗探究影響種群基因頻率變化的因素

黃志紅，郝立華

（石家莊市第16中學(xué)，河北 石家莊 050071）

“探究自然選擇對種群基因頻率變化的影響”是高中生物教材必修二生物進化中的內(nèi)容，是幫助學(xué)生理解生物進化實質(zhì)的重要探究活動。該活動充分體現(xiàn)了宏觀現(xiàn)象與微觀本質(zhì)的有機結(jié)合，但教材中的探究過程主要側(cè)重于假設(shè)數(shù)據(jù)的分析，這樣學(xué)生無法體會大自然真正的選擇作用。而模擬實驗恰好能將微觀現(xiàn)象宏觀化，宏觀現(xiàn)象微觀化，所以筆者嘗試采用模擬實驗探究自然選擇對種群基因頻率變化的影響。

探究種群基因頻率的變化是在學(xué)生學(xué)習了有關(guān)遺傳學(xué)的知識以及自然選擇學(xué)說的基礎(chǔ)上學(xué)習的。在這部分知識的學(xué)習過程中，學(xué)生通過探究—實踐活動很好地將前面所學(xué)的知識進行了總結(jié)并提升到理論實質(zhì)的高度上來，這為物種形成及生物多樣性的學(xué)習做好了鋪墊。

學(xué)生對事物有強烈的好奇心，但缺乏建構(gòu)知識的能力，對體驗有濃厚的興趣，但缺乏總結(jié)歸納的能力，尤其數(shù)據(jù)處理能力差。教材中的數(shù)據(jù)分析表計算量較大（見表1），所以學(xué)生填表時間過長。

表1

一、教學(xué)目標與重點、難點

教學(xué)目標：1.理解種群、基因頻率等概念。2.學(xué)會基因頻率的計算方法。3.運用數(shù)學(xué)方法討論種群基因頻率的變化，并構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。4.運用生物進化的觀點解釋一些生物現(xiàn)象。5.樹立辯證唯物主義世界觀。6.形成生物進化理論在發(fā)展的觀念。7.培養(yǎng)保護環(huán)境的意識。

重點：1.理解生物進化的實質(zhì)是基因頻率的改變。2.構(gòu)建種群基因頻率變化的數(shù)學(xué)模型。

難點：分析自然選擇對種群基因頻率變化的影響。

二、教學(xué)策略

將教材中利用假設(shè)數(shù)字直接構(gòu)建數(shù)學(xué)模型改為通過模擬實驗獲取實驗數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。

三、教法與學(xué)法

本節(jié)內(nèi)容相對抽象，因此在教學(xué)中筆者采用先創(chuàng)設(shè)情境，提出問題引導(dǎo)學(xué)生討論，然后利用模擬實驗提升學(xué)生學(xué)習的積極性，最后歸納總結(jié)得出結(jié)論的方法開展教學(xué)。教師引導(dǎo)學(xué)生進行小組合作學(xué)習，不但能帶動學(xué)生的積極性還能提高學(xué)生的學(xué)習效率，因此應(yīng)采用引導(dǎo)學(xué)生進行小組合作探究的學(xué)習方法。

四、教學(xué)過程

（一）創(chuàng)設(shè)情境一，引出基因頻率的概念

出示白色樺樹的樹干上有一黑一白兩只樺尺蠖的圖片。

師：如果你是圖中的一只蛾子，你想做黑蛾還是白蛾？

生（大部分）：白蛾，白色是保護色，不容易被天敵發(fā)現(xiàn)。

生（一個）：黑蛾，與眾不同更利于吸引異性，產(chǎn)生更多后代。

師：正向和逆向思維都值得肯定，但在這種環(huán)境下做黑蛾是很危險的。這些蛾子叫樺尺蠖，生活在這片樹林中的所有樺尺蠖稱為一個種群，黑和白是這個種群中的一對相對性狀，從本質(zhì)上說，什么決定性狀？什么決定相對性狀？

生：基因決定性狀，等位基因決定相對性狀。

師：一個種群的全部基因稱為基因庫，其中某基因占全部等位基因的比例稱為基因頻率。

設(shè)計意圖：激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，導(dǎo)入新課；通過角色扮演，使學(xué)生認識到人只是大自然中的一員；在情境中進一步理解基因頻率和基因型頻率等概念。

（二）構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，熟練計算方法

師：給出簡單例題，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建計算基因頻率的數(shù)學(xué)模型。

生：基因頻率=該基因純合子基因型頻率+雜合子基因型頻率的一半。

設(shè)計意圖：培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)思想，使其養(yǎng)成良好的理科思維習慣。

（三）創(chuàng)設(shè)情境二，分析基因突變

出示黑灰色背景下有多只黑蛾和一只白蛾的圖片。

師：有一個蛾類種群，原本都是黑蛾，有一天發(fā)現(xiàn)后代中出現(xiàn)了一只白蛾，可能是什么原因？

生：基因突變。

師：基因突變產(chǎn)生了新的等位基因，改變了這個種群的基因頻率，但是基因突變是不定向的，這一新基因的頻率是上升還是下降了，取決于什么？

生：取決于這一突變對該生物有利還是有害，有利還是有害又取決于環(huán)境。

師：所以基因突變只能為進化提供原材料，并不能決定進化的方向，環(huán)境的選擇作用使基因頻率的改變有了方向。

設(shè)計意圖：承上啟下，尋找改變基因頻率的因素。

（四）創(chuàng)設(shè)情境三，完成模擬實驗

出示黑白背景下有多只黑白蛾的圖片。

師：這是不同環(huán)境中同一種群的黑白蛾，今天我們通過科學(xué)探究的一般過程來體會一下大自然無形的選擇作用，其探究步驟是？

生：提出問題—作出假設(shè)—設(shè)計實驗—進行實驗—分析結(jié)果—得出結(jié)論—表達交流。

師：黑色由S 基因控制，白色由s 基因控制，若鳥類等天敵存在，S 和s 的基因頻率將如何變化呢？據(jù)此作出假設(shè)。

生：白色背景下最可能出現(xiàn)的情況是s 頻率上升，S 頻率下降。黑色背景下最可能出現(xiàn)的情況是S 頻率上升，s 頻率下降。假設(shè)：自然選擇使種群基因頻率發(fā)生定向改變。

師：基因我們看不到，小鳥不能去打擾，現(xiàn)在我們把大自然搬進課堂，如果你是一只小鳥，桌上有許多蛾子，請你用所給材料設(shè)計一個模擬實驗方案以探究基因頻率的變化。材料包括：黑色或白色硬紙板一張，用打花器打出的黑蛾子（背面標注基因型SS 或Ss）、白蛾子（背面標注ss）若干，然后設(shè)計實驗方案。因為實驗方案必須嚴密，所以在設(shè)計前需要思考幾個問題“蛾子的起始數(shù)量是多少？”“每只小鳥每次吃多少？”“蛾子要不要繁殖？”然后學(xué)習小組討論（學(xué)生討論，教師引導(dǎo)并尋找合理答案）。

生：我們6 人一組，1 人記錄5 只鳥，在代表環(huán)境的黑或白紙板上放20 只黑白、蛾小紙片，每次1 只鳥吃1 只蛾，剩下的計算基因頻率，考慮繁殖可補5 只后再循環(huán)進行。

師：非常好。為了加快選擇速度，我們讓時間快進，允許一只鳥每次吃2 只蛾，剩10 只時再計算基因頻率，這樣可以大大減小計算量，節(jié)約時間。計算后將剩下的蛾子按現(xiàn)有基因型比例繁殖一倍，即剩下的每只蛾子都用打花器再加一只（顏色和基因型相同的，可以提前做好備用）。然后請各組在導(dǎo)學(xué)案上寫出完整的實驗方案，寫完后小組展示。

生：實驗方案1.每組6 人。1 人記錄，5 人為小鳥。2.取黑、白蛾20 只（黑背景比例10%、20%、70%，白背景比例10%、20%、70%）。3.每只小鳥吃掉兩只，剩余蛾子10 只，統(tǒng)計10 只余蛾各基因型的個數(shù)，然后記錄。4.計算基因型頻率和基因頻率。5.10 只余蛾以一變二繁殖，補足后20 只。6.重復(fù)實驗。

師：按實驗方案完成實驗。注意：1.快速拿掉第一眼看到的蛾子，不能猶豫。2.將數(shù)據(jù)填在導(dǎo)學(xué)案記錄表中。

生：分工合作，盡快完成任務(wù)。

師：我們先來分享幾組實驗結(jié)果。這是一組黑板上的實驗數(shù)據(jù)和一組白板上的實驗數(shù)據(jù)，分析一下數(shù)據(jù)（見表2、表3）。

表2

表3

生：黑色背景下S 頻率上升、s 頻率下降，白色背景下s 頻率上升、S 頻率下降。

師：思考除突變和基因重組、自然選擇外，影響種群基因頻率的因素還有什么？留到課下繼續(xù)探究。

通過以上教學(xué)過程可得出結(jié)論：自然選擇使種群基因頻率發(fā)生定向改變，決定進化的方向。生物進化的實質(zhì)是種群基因頻率的改變。

設(shè)計意圖：認識科學(xué)探究的一般方法，提高科學(xué)探究能力。

以黑白蛾為主線，通過模型建構(gòu)和模擬實驗探究了自然選擇對種群基因頻率的影響，使學(xué)生從根本上認識到生物進化的實質(zhì)是基因頻率的改變。設(shè)計模擬實驗，目的就是讓學(xué)生邊做邊學(xué)，在直觀感受中體會生物進化的實質(zhì)，如此有助于引導(dǎo)學(xué)生理解和領(lǐng)悟科學(xué)的真諦。探究活動使學(xué)生體驗到合作的樂趣，提高了學(xué)生分析、解決問題的能力，也培養(yǎng)了學(xué)生勇于探索的科學(xué)精神，使學(xué)生認識到保護環(huán)境的重要性，同時其學(xué)科核心素養(yǎng)也得到了提升。