“自然選擇對種群基因頻率變化的影響”的模擬活動

“自然選擇對種群基因頻率變化的影響”是人教版高中生物教材《遺傳與進化》模塊中的一個探究實驗。自然選擇的具體過程怎樣?自然選擇是如何影響種群基因頻率的呢?教材中采用了構建數學模型的方法，步驟如下：

(1)創設數字化情況：1870年，樺尺蠖種群基因頻率如下：

SS為10％、Ss為20％、ss為70％、S基因頻率為__％。在樹干變黑的環境下，不利淺色樺尺蠖的生存，每年減少10％，黑樺尺蠖每年增加10％。

(2)計算2～10年間，SS、Ss、ss三種基因型個體的相對數量變化。

(3)將計算結果記錄到表1。

建構主義學習理論認為：在學習過程中，獲得知識的多少取決于學習者根據經驗、體驗去建構有關知識的能力，而不取決于學習者記憶教師講授內容的能力。教材編寫人員在教材基礎之上設計了一個模擬探究活動，力求讓學生在直觀的感受和計算中體會生物進化的具體過程，在活動中逐步培養學生分析解決問題與交流、合作的能力，以期提高學生的生物科學素養。

1 活動簡介

1.1 過程簡介

在該模擬實驗中，用鋪有黑紙的講臺代表被煤煙污染的環境，黑、白兩種小卡片分別代表深、淺兩種樺尺蠖，三名學生分別模仿樺尺蠖的天敵，如：各種鳥類。教師用計時器控制時間，讓3名學生在規定時間內比賽抓取(捕捉)卡片，然后組織學生統計實驗前后各種卡片的數量和并計算s、s的基因頻率。

1.2 活動器材

①背面寫有ss的黑色卡片10張(代表10％的深色樺尺蠖)、背面寫有Ss的黑色卡片20張(代表20％的深色樺尺蠖)、背面寫有ss的白色紙卡片70張(代表70％的淺色樺尺蠖)；②計時器一只；③鋪有黑紙的講臺。

2 活動過程

2.1 導入新課

教師首先呈現多幅幻燈片，讓學生找出“花叢中的蝴蝶”、“隱藏在叢林里身著迷彩服的戰士”以及英國曼徹斯特地區不同時期的樺尺蠖，進而以問激疑：自然選擇是生物進化的原因，那么自然選擇是如何推動生物的進化?生物進化的本質又是什么呢?今天我們將通過一個模擬實驗來探究這兩個問題。

教師請學生自主閱讀課本116-117頁實驗的1、2兩段，并觀察講臺(鋪有黑紙)和卡片，猜一猜這些卡片分別代表什么?

2.2 提出問題

教師聯系畫面及卡片，讓學生進入“模擬環境”，進而設問：

在被嚴重污染的曼徹斯特地區，什么顏色的樺尺蠖最容易被它們的天敵發現進而被捕食呢?

與樺尺蠖體色相關的s、s基因頻率會如何變化呢?

這種基因頻率變化與自然選擇之間有必然的聯系嗎?

2.3 作出假設

教師留出時間讓學生充分討論交流，待意見相對統一后請學生發表各自的看法，師生共同討論后形成假設(自然選擇可以使種群的基因頻率發生定向改變)。

2.4 實施探究

2.4.1 設計表格，處理數據

教師不斷設疑以問題串的形式逐步呈現：

需要在實驗前對數據進行處理嗎?

怎么處理(算出桌面上這個“樺尺蠖的種群”的基因型頻率和基因頻率，如表中“實驗前”數據)?

每一次實驗結果都要進行記錄處理嗎?可以以什么方式記錄實驗結果(設計表格嗎)?

如何設計呢(表格如表2所示)?

2.4.2模擬“捕捉”，及時計算

教師選好“天敵”、布置好任務后，宣布“捕捉”開始，同時開始計時，“捕捉”結束后組織學生統計各種基因型的個體數。

然后教師繼續設問導學：

剛才三位同學的實驗過程模擬的是生物進化中的什么過程?

經過“自然選擇”之后，該模擬種群中相應的基因型頻率和基因頻率會發生什么變化?哪種樺尺蠖更適應環境呢?請大家通過計算說明(如表2中“第一次實驗后”數據)。

如果繼續實驗，你能預測一下“第二次實驗后”的大致數據嗎?

2.4.3 繼續實驗，及時釋疑

教師重新選擇“天敵”、布置任務，以驗證上述預測進而得出結論。但實際教學中學生會有疑問，如：在進行第二次實驗前，是不是該對原來的種群適當補充一些新生的個體?因為這期間樺尺蠖還在不斷地繁衍后代嗎?

教師可以讓學生討論分析：

①確實應該少量補充!

②大致按照怎樣的比例添加黑白卡片?

③如果不補充對以后的實驗影響大嗎?

借此機會可以培養學生發現問題和分析解決問題的能力。在成功釋疑之后再繼續實驗、獲取數據(如表2中“第二次實驗后”)。

2.4.4 分析數據，得出結論

獲得了表2中的兩組數據之后，教師因勢利導，讓學生就s、s基因頻率發生改變的趨勢，生物進化與基因頻率變化之間的關系展開討論和交流，并讓學生匯總后分別匯報。

最后師生共同小結得出結論：

生物的進化與基因頻率的變化趨勢是一致的，即：生物進化的實質是種群基因頻率改變，自然選擇決定了生物進化的方向。

2.4.5 繼續探究，升華情感

經過了兩次模擬活動，學生已經進入了“自然選擇”的情境，較為直觀、深刻地了解了“自然選擇”的過程和本質，此時，教師還應該在此基礎上布置繼續探究的任務，以喚起學生保護環境的社會責任感。

教師可繼續以問題導學的方式引導學生思考：如果我們請6名同學同時完成該實驗，你認為s、s基因頻率的變化與表中數據會有什么不同嗎?

假如英國政府致力于對該地區環境污染的治理，若干年后曼徹斯特地區面貌一新，樹干上又長滿了淺色的地衣，深、淺兩種樺尺蠖的命運又將如何呢?

s、s的基因頻率又將如何變化呢?我們國家現在正處在日新月異的大發展之中，你對我國的工業化進程有什么建議嗎?

同學們課后可以用這套材料，針對自己感興趣的問題重新設計表格后進行研究，在下節課談談自己的看法。