自然选择对种群基因频率变化的影响的模拟实验教学设计-2023-2024学年高一下学期生物人教版必修2

自然选择对种群基因频率变化的影响的模拟实验教学设计 “自然选择对种群基因频率变化的影响”是人教版高中生物学教材(必修2)第7章第2节“现代生物进化理论的主要内容”一节中的探究实验。教材中对此实验的安排是设置一定的情境,让学生计算第2~10年间桦尺蠖种群的基因型频率和基因频率,从而得出自然选择与种群基因频率变化之间的关系。 虽然“用数学方法讨论种群基因频率的变化”是本节课的教学目标之一,但教材在此处安排的计算颇为繁琐,学生对数据处理的工作量较大,花费时间较长;且本节课中已安排过两次计算:某种群基因型频率和基因频率的计算、满足哈代一温伯格平衡的种群中子代基因型频率和基因频率的计算,与此探究实验中的计算有一定的重复,并且该实验计算方法的科学性也有所欠缺。 学生在初中时期学习进化知识时就接触了“自然选择”一词,也大概了解了它的含义,但未必能真正理解自然选择的真实存在性及其对生物进化的意义。美国高中主流理科教材《生物·生命的动力》(Biology:The Dynamics of Life)也安排了一个模拟实验——由学生扮演鸟来抓取代表昆虫的黑白两色小圆片,从而使学生发现自然选择是如何使生物形成了伪装适应。关于模拟实验在高中生物学教学中的运用,国内外学者也做过不少研究。且多肯定它在教学中的积极意义。笔者参考上述资料,尝试将教材中该探究实验改为模拟实验一“模拟自然选择对桦尺蠖翅色的选择作用”,以期更好地达成教学目标,落实生物学核心素养。 1.实验准备 课前安排学生分组,每5~6位一组为宜。每组发放一份实验材料:①黑白两色A4纸各一张:白色纸模拟“白色树干背景”(有地衣生长),黑色纸模拟“黑色树干背景”(地衣死亡后,裸露的树皮被煤烟熏成黑色);②两袋豆子:每袋豆子各含30粒白豆(模拟“浅色桦尺蠖”)和30粒黑豆(模拟“黑色桦尺蠖”),豆子的大小相近且适宜;③两个容器:A容器装白色纸上抓取到的豆子(模拟“白色树干上捕获的桦尺蠖”),B容器装黑色纸上抓取到的豆子(模拟“黑色树干上捕获的桦尺蠖”)。 设计意图:模拟实验采用分组的形式进行,能调动学生参与的积极性;课前完成分组,避免上课过程中造成课堂秩序的混乱;用黑白两色纸模拟不同的树干背景,纸张简单易得、可重复利用,且寓意简洁明了,学生能直观理解不同颜色的纸张所代表的背景;用豆子来模拟桦尺蠖,相较于纸圆片而言更具立体感,有利于营造更“真实”的捕食环境;编号的容器既方便盛放，也避免学生在实验时混淆了黑白豆子。 2.实验过程 2.1 资料导入首先进行资料铺垫: 资料1:19世纪中叶以前,英国曼彻斯特地区的桦尺蠖几乎都是浅色,种群中A基因频率很低,在5%以下。到20世纪中叶,黑色桦尺蠖却成了常见的类型,A基因的频率上升到95%以上。 资料2:19世纪时,曼彻斯特地区的树干上长满了地衣。以后随着工业的发展,工厂排出的煤烟使地衣不能生存,结果树皮裸露并被熏成黑褐色。 学生思考:为什么资料1桦尺蠖种群中的A基因频率越来越高?学生联系之前学习的有关进化的知识,不难得出是由于环境的改变(自然选择)在起作用。教师顺势利导,引出“我是捕食者”游戏--“模拟自然选择对桦尺蠖翅色的选择作用”。 设计意图:从教材提供的资料出发,创设特定的桦尺蠖情境,让教材与模拟实验顺利衔接;避开教材中繁琐的计算,用轻松活泼的“我是捕食者”游戏引出模拟实验,调动了学生的学习兴趣,让其对接下来的课堂充满着期待。 2.2实验开展 教师下发模拟实验活动单,学生用5min时间讨论和准备实验。准备完毕后,全班各组同时进行游戏,教师负责统一计时,“抓捕”时间为30s:①每组组长安排两位组员扮演不同“树干背景”下的“桦尺蠖捕食者”,两位组员负责清点并记录“抓捕”结束后A、B容器中各自的黑白豆子数,其他学生负责监督;②清理桌面,将两张纸平放在对应的“捕食者”面前,再将两袋豆子分别倒在两张纸上,并用手随意混匀分散,注意动作轻缓,避免豆子掉落(图1);③两位扮演“捕食者”的学生背靠背侧对桌子坐下。在每一次的抓取时,“捕食者”的视线转回向纸张,抓取随机第一眼看到的那粒豆子并放入对应容器内。学生一次只抓一粒豆子,并在抓完后将身体姿势恢复到原位。重复上述过程,直至实验结束。 图1黑白纸和黑白豆模拟实验材料 设计意图:生动的模拟实验可让学生亲身体验到了自然选择对生物进化的影响,不仅品尝了趣味,更收获了知识;分组实验使学生参与的积极性提高,避免了只看不动“围观者”的出现;小组合作分工提高了学生动手动脑、团队合作的能力。另外,相较于《生物·生命的动力》中的实验操作2,笔者对“捕食者”的捕食动作进行了一定的修改并具体化,使其更符合课堂实际,提高了“捕食”的效率。 2.3 结果分析 “捕食”过程结束后,由各组