美國中學生物教材中“種群變異實驗”的探討

章君果　鄧嫦圓

美國、加拿大等國家中學生物教材中設置了豐富的學生實驗，不僅實驗內容全面，而且實驗類型也呈現多樣化，包括調查實驗、數據分析實驗、思想實驗、微實驗和實驗設計等類型。Miller和Levine編著的美國《生物學》教材實驗手冊中有進化相關內容的調查實驗，一方面填補了國內教材關于進化實驗的空白，另一方面為教學提供了一些新的思路。

1 實驗內容介紹

Miller和Levine編著的美國《生物學》教材實驗手冊中設置了一個關于變異的調查實驗：“種群的變異”。

1.1 實驗前討論

一個物種的不同個體不可能完全相同，所有的植物和動物都會發生變異，有些變異可以通過繁殖遺傳給后代。許多可遺傳變異是中性的，不會影響生物的生存；有一些可遺傳變異是有利的，有利的可遺傳變異就是對環境的適應；有害的可遺傳變異會削弱生物對環境的適應。適應環境的生物會獲得更多繁殖機會將有利性狀遺傳給后代；具有有害性狀的生物將會相繼淘汰；這個過程被稱為適者生存。調查中，你將觀察兩種不同類型植物及教室里不同人的變異。

1.2 實驗問題

整個調查實驗圍繞著一個主題：植物和動物種群中變異是如何測定的？

1.3 實驗材料

10顆白色的菜豆、10片楓葉、公制尺、3支彩色鉛筆。

1.4 測量過程

植物的變異的測量：

（1） 給每個小組分發10顆菜豆和10片楓葉。

（2） 以毫米為單位測量每枚菜豆、每片楓葉葉片和葉柄的長度。根據圖1所示確定葉片和葉柄，將測量結果記錄在表1中。

（3） 匯總每個小組的測量結果，并全班共享、利用這些數據統計菜豆、楓葉葉片及葉柄的長度，將長度按從小到大的順序排列，并統計每一長度值的數據個數，填入表2。

（4） 利用表2的數據，繪制以長度為橫坐標，個數為縱坐標的曲線圖。楓葉葉片和葉柄長度的曲線圖可以繪制在同一坐標中，注意使用不同顏色的鉛筆繪制每一組數據，并確保包含每個圖的關鍵部分。

教室里不同人的變異的測量：

（1） 測量自己的手跨度時，應該從拇指頂端到小指的前端，如圖2所示。對測量結果四舍五入精確到厘米，將測量結果記錄在黑板上共享。

（2） 將所有學生的數據進行統計，將統計結果填寫在表格3中，根據表格3的數據繪制曲線圖。

對測量的數據進行統計和繪制曲線圖以后，對數據進行觀察。

1.5 分析和總結

（1） 變異是指什么？

（2） 菜豆、楓葉葉片和葉柄長度主要集中在什么范圍？

（3） 菜豆、楓葉葉片和葉柄長度在什么范圍內集中最少？

（4） 每一條曲線的一般形態是什么？

（5） 從菜豆、楓葉葉片和葉柄長度曲線圖的形態得出什么結論？

（6） 從菜豆、楓葉葉片和葉柄上能夠觀察到的另外兩種變異嗎？

（7） 班級所有學生的手跨度相同嗎？

（8） 最常見的手跨度是多少？最少見的是多少？

（9） 曲線，大致呈現什么形態？從班級學生的手跨度呈現的曲線形態，可以得出什么結論？

答案：（1） 同一物種在外觀上顯示出來的微小差異；

（2） 大部分樣品的長度都集中的在中間范圍；

（3） 樣品最少集中在整個長度范圍的極值；

（4） 每個曲線圖應該是倒置U型；

（5） 由曲線圖形態表明，盡管長度在發生變化，但是主要還是集中在平均值附近，兩端的極端值很少；

（6） 這個問題答案不唯一，可以是寬度、厚度、葉柄直徑和顏色等；

（7） 不同，有各種長度；

（8） 根據不同人群測量結果會有差異，一般也是集中在平均值附近，最少見的也是兩端的極值；

（9） 曲線大致形態也是呈現倒置U型，根據具體曲線圖可以分析曲線的變化趨勢、變化程度等。

1.6 批判性思維和應用

（1） 為什么豆莢里種子多比種子少的更有利于對環境的適應？

（2） 為什么對沙漠仙人掌植物來說短根系是一種不利的適應？

（3） 為什么北極地區的動物白色的皮毛對其在冬天里的適應是有利的？

（4） 舉出兩例手跨度大的有利之處。

答案：（1） 豆莢里種子多，能發芽并長成新的植株的概率就高，這體現出對環境的適應就更有利；（2） 仙人掌如果具有短根系就會很難獲得水分，這樣在沙漠里很難生存。（3） 白色皮毛與周圍的環境比較相似，這有利于其躲避天敵；（4） 答案是多樣的，包括樂器演奏、增強運動能力、承載更大負荷及提升生存能力等。

1.7 拓展

調查其他植物的變異，模仿這個實驗中的測量，并對結果和圖表數據分析。你認為所有同一物種的不同個體在所有性狀上都存在變異嗎？為什么？

2 對實驗的幾點探討

（1） 該實驗的模式是生物學實驗發展的重要趨勢，值得借鑒。該實驗概括起來主要包括三方面：“數據采集與處理”“數據分析與總結”和“數據應用與延伸”。“數據采集及處理”主要包含了“實驗前討論”“實驗問題”“實驗材料”“操作過程”和“觀察”等內容，目的是獲得實驗數據。“數據分析與總結”主要是設置一系列問題，問題可以包括概念性問題、描述性問題、總結性問題和解釋性問題。“數據的應用與延伸”主要是運用批判性思維對一些問題進行探討、聯系和解釋。借鑒這種實驗，對國內教材進行實驗化轉變，將會是一種有益的嘗試。對于容易操作的實驗，教師可以讓學生自己去操作并獲得實驗數據；有些數據獲取過程比較復雜，可以側重對數據進行分析和應用。這種轉變對學生在知識理解和能力培養上都會有促進作用，值得在教學中去嘗試。

（2） 該實驗側重于測量和對數據的處理，整個實驗對學生的能力要求具體包括：測量、統計、繪圖、觀察、闡述、總結、比較、解釋和聯系等。學生通過測量、統計、繪圖和觀察等方式參與到整個實驗中，充分調動了學生的積極性。實驗中解決一系列具有一定關聯性或者圍繞某一主題的問題，鍛煉學生的闡述、總結、比較、解釋和聯系等能力。從實驗操作性和學生思維培養的角度，值得借鑒。當然，該實驗在問題設置方面有一些值得商榷的地方，實驗中設置的問題之間的邏輯性不強，“分析和總結模塊”設置的問題之間沒有太大邏輯，“批判性思維和應用”模塊設置的問題與該實驗本身關系不強。這個實驗是一個側重測量和對數據進行處理的實驗，是否可以多設置一些關于測量或者數據統計、繪圖等方面的問題？問題是思維的源泉，如何設置具有關聯性的問題層層遞進？如何將實驗教學與知識內容有效結合，既符合學生思維發展的要求，又體現知識和現實聯系的新課程理念？

（3） 該實驗利用的材料非常容易獲取，實驗過程的操作也非常簡便，這一點值得借鑒。該實驗涉及到數據統計，強調學生對數據共享，從而得到更加客觀的數據，共享精神也是實驗中需要向學生滲透的。

（4） 實驗中也存在一些疑問，值得探討：① 在選擇植物材料時，沒有明確是否可以是同一個體，也沒有明確葉片的發育程度，如果是同一個體的差異或者是發育程度不同導致的差異，這些差異是否是一種變異有待商榷。② 在對植物測量時沒有明確精確的要求，而對手跨度測量時，明確要求四舍五入精確到厘米，所以手跨度在表3中設置的數值是一系列整數。在實際操作中學生會得到各種不同精確要求的數值，導致得到長度的數據非常多，這一點讓實驗者產生困惑。③ 實驗中有些細節沒有向學生說明，如實驗中沒有明確菜豆長度如何測量；手跨度測量時沒有強調是測量左手還是右手，還是隨機選擇；在繪制曲線圖時楓葉葉片和葉柄長度畫在同一坐標系中，為什么這兩條曲線可以畫在同一坐標系中，是因為來自同一器官的原因嗎？如果楓葉葉片和葉柄的數據差異很大是否還可以畫在同一坐標系呢？這些問題都需要向學生說明。從學生的思維角度設置相關內容也值得思考和探討。