“小球”在高中生物模擬實驗中的應用

摘 要：在高中新課標教材中，模擬實驗的比例明顯增大，精心設計的模擬實驗使宏觀和微觀領域難以操作的實驗得以實施，不同顏色、不同大小的彈力小球在遺傳和生態等多個模擬實驗中的使用取得了良好的教學效果。

關鍵詞：模擬實驗；宏觀和微觀；小球；遺傳和生態

中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：A 文章編號：1009-010X（2015）27-0069-02

在生命起源的研究中，米勒等人著名的模擬實驗為無機小分子合成有機小分子的過程提供了有力的證據。模擬實驗以其特有的優勢，越來越受到學者們的重視。在高中新課程標準教材中，模擬實驗的比例明顯增大，由于可以克服時間和空間以及材料和用具的限制，一些原本在課堂上很難完成的宏觀和微觀領域的實驗得以實施，其中模擬性狀分離、模擬自然選擇、模擬標志重捕等幾個實驗都可以選用不同顏色、不同大小的彈力小球作模擬材料，從小玩到大的小球引發學生極大的熱情，取得了良好的教學效果。

一、模擬性狀分離實驗開始與小球結緣

自生物必修2《遺傳與進化》第一章第一節模擬性狀分離實驗開始，學生就對小球產生了濃厚的興趣，沒想到肉眼看不到的配子竟然可以拿在手里，他們感覺好像在做有意思的游戲。游戲需要有游戲規則，規則合理，結論才會可靠，于是同學們開始精心地設計實驗過程，在不斷探討中，使得該實驗得不斷到改進和完善。

（一）對性狀分離比模擬實驗的質疑

根據模擬實驗相似性原理，模型與原型之間相似程度越高，科學性越強，同學們將模型與原型作了認真對比，然后對教材中的實驗設計提出了兩點質疑：（1）兩桶中小球數量是否應該相等？（2）每次取出的小球是否應該放回？ 各小組經過激烈的討論最終達成一致意見：兩桶中小球應該一桶多一桶少，因為自然界中進行配子生殖的生物通常是雄配子多于雌配子；每次取出的小球不應該放回，理由是已經受精的配子不會再次參與受精。學生的質疑有根有據，不得不佩服他們的能力，這時老師可以對教材中兩桶小球數量相等做出解釋：書中小球僅代表完成受精的雌雄配子。但繼續鼓勵學生按照自己的思路設計出更科學的實驗方案。

（二）對性狀分離比模擬實驗的改進

在不斷探討的基礎上，同學們將實驗方案做了進一步改進，改進后的設計方案是：

（1）取兩只小桶，標號甲、乙，甲桶中放入兩種顏色分別標有D、d的小球各10個，乙桶中放入同種分別標有D、d的小球各20個；

（2）搖動小桶，使小球混合均勻；

（3）分別從兩桶內隨機抓取一個小球，記錄字母組合；

（4）重復（3）至甲桶取完為止，統計結果。

（三）對性狀分離比模擬實驗的深入探討

同學們看著自己設計的實驗方案得到了老師的肯定，非常有成就感，按方案認真地完成了實驗，并對全班的結果進行統計，得出性狀分離比為3：1的結果，喜悅之情溢于言表。此時同學們以為大功告成，可作為教師，所要達到的目標遠不止此，在直觀模擬的基礎上抽象出本質才是我們的終極目標，所以需要引導學生深入探討：出現3：1性狀分離比的根本原因是什么？也就是找出基因分離定律的實質。同學們重新拿起小球，一步步分析過程，終于找到問題的關鍵：子一代產生兩種配子，數量相等，活力相同；雌雄配子結合機會相等；子二代個體存活機會相等；樣本數目足夠多；完全顯性等。

通過這次模擬實驗學生學會了合作與分享，提高了實驗設計能力。由于模擬實驗教學中特別關注學習過程和方法，所以不僅幫助學生形成了解決問題的良好思維習慣，還著重培養了批判性思維，鼓勵學生發現問題勇于質疑，并通過努力使其完善，不斷提高自己的科學素養。

二、遺傳系列模擬實驗中與小球為伴

從模擬性狀分離實驗開始，同學們與實驗室的幾桶小球結下了不解之緣，拓展了遺傳部分的一系列模擬實驗，如模擬一對相對性狀測交實驗、模擬兩對等位基因雜合子形成配子實驗、模擬兩對相對性狀自由組合實驗、模擬兩對相對性狀測交實驗、模擬人類男女比例相等實驗等等，學習遺傳部分時幾乎每節課都與小球為伴，雖然操作簡單，方法相似，但在不同實驗中，小球的標記不同，實驗的結果不同，總結出的規律不同，學生們樂此不疲，還總結出用配子概率計算子代概率的方法。這些收獲極大地調動了學生學習生物的積極性，提高了科學素養，激發了他們的探究熱情。

三、進化與生態模擬實驗中小球情結延續

學習了遺傳變異之后開始學習進化知識，同學們發現模擬自然選擇、模擬基因頻率的變化、模擬共同進化等仍然可以用小球，當然小球的“身份”發生了變化，不再是肉眼看不到的配子，而是大自然中的生物個體，不同顏色代表不同性狀。草地用什么模擬呢？綠色的紙？綠色的布？好像都不太理想。有幾個體育生發現操場角落里放著一堆兒操場改造剩下的假草坪，簡直太合適了！模擬自然選擇的方法如下：鋪開一塊大小適宜的綠色假草地，將紅、黃、綠三種不同顏色小球各10個隨機撒在草地上；分別快速撿起一種顏色小球（10個），記錄三種顏色各需時間；多次重復后求平均值，進行對比，得出結論。

生態部分的標志重捕法調查種群密度模擬實驗也給我留下了深刻印象：一個大桶中放入若干個同種顏色小球代表一個種群，隨機取出M個，用筆作上小標記再放回桶內；充分搖勻后，隨機取出小球n個，統計其中標記小球的個數記為m個；計算桶中小球總量N=Mn/m，多次重復后求平均值。

是小球幫助我們將遺傳部分的微觀實驗宏觀化，將生態部分的野外宏觀實驗微型化，這些實驗搬進課堂，既避免了實驗對生物和環境的影響，又節約了成本，還有效地完成了教學目標。

四、值得注意的問題

第一，模擬實驗的結果受模型的限制，得出的結論不完全可靠，實驗方案需要一個在實踐中不斷改進和逐漸完善的過程。第二，模擬實驗操作簡單，主要鍛煉的不是學生的操作技能，而注重的是思維過程，特別注意培養學生類比推理能力。