建模思想在生物學教學中的應用

康順

摘要：介紹了如何通過建模過程傳遞生物學核心概念，培養學生關鍵能力，引導學生形成建模思想，并構建起自然選擇學說的知識框架。

關鍵詞：生物建模 自然選擇 模擬實驗

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：B

達爾文提出的自然選擇學說對生物的進化和適應的形成作出了合理的解釋。他認為適應的來源是可遺傳的變異，適應是自然選擇的結果。在解釋自然選擇學說時，人教版高中生物《必修2·遺傳與進貨》教材中引用了達爾文自然選擇學說的解釋模型。模型展示了三個推論：個體間存在著生存斗爭;具有有利變異個體生存并留下后代的機會多;有利變異逐代積累，具有這些有利變異的個體越來越多，形成具有新的適應特征的生物新類型。這三個推論環環相扣，層層遞進，揭示了生物進化的根本原因和本質特征。為更好地讓學生理解這一理論模型，開展相關實驗是必不可少的。此模擬實驗是在楊永慶老師發表的《自然選擇模型活動的“鳥模型”方案設計》一文的啟發下改進而來。

1設計背景

“折紙鳥”是一種具有以下生物特征的假想虛擬生物：它們棲息的生境是一個干旱區域，只有能夠經過長距離飛行并到達綠洲的個體才能存活和繁殖。假定一個雌性個體與雄性個體交配后，能夠保證產卵一次，并且每次產卵3枚。本實驗出場的個體均為雌性個體。

2“折紙鳥”的制作

將彩色繪圖紙剪成寬3 cm、長20 cm的紙條，將其中一張紙條首尾相連（重疊1 cm），制成一個紙環，作為羽翅，并用膠帶粘結。對另一紙條重復以上操作。用一根長度適中的塑料吸管作為軀干，在距離吸管前端與后端3 cm處做好標記，并將紙環粘貼于吸管上，前端的回形針作為配重以適應飛行（圖1）。

3模擬自然選擇的演化過程

在生物演化過程中，3只“折紙鳥”個體中飛行距離最遠的一只存活，其余兩只死亡。存活的一只與雄性個體交配后產生子代，子代中必有一只繼承雌性親本全部性狀，其余兩只可以發生變異（圖2）。

變異遵循“自然選擇盒（圖3）與基因突變表（表1）”中編制的變異規則。自然選擇盒由兩個涂有不同顏色的轉盤和一段“折紙鳥”的DNA序列組成（默認上半段DNA片段為模板）。DNA片段上有5對控制性狀的基因，分別控制性狀可變異數量、羽色、羽翅的位置、前羽的位置、后羽的位置。首先根據子代第一對遺傳密碼確定基因可變異數量，而后轉動左邊的轉盤，確定變異的基因位置，再轉動右邊的轉盤，確定變異的堿基種類。實驗次數由第一對基因組決定。然后，依次根據基因突變表中將突變后的模板DNA經轉錄翻譯后的性狀作為可變異個體的變異依據，以此模擬自然條件下的變異過程。如果基因可變異數量為0，或者經變異后的性狀相同，則不需要繼續試飛，直接記錄與親本相同的飛行距離。

4操作步驟

在進行模擬實驗時，手持“折紙鳥”模型吸管中部，向前投擲，動作輕柔并盡量保證扔擲模型的力基本保持相同，重復兩次實驗，記錄每只鳥飛行的平均距離，記錄最大飛行距離。隨后選擇出在上代中以最大飛行距離的那只鳥作為親代，繁衍后代，并重復以上步驟，最終產生4代左右的子代，逐一記錄并分析結論。此外，還應該控制實驗地點風速過大對實驗的干擾，可在教室、走廊等場所進行。可將全年級的數據樣本為研究對象，得出的結果更具說服力。圖4和表2列舉了從親本（P）繁殖到子一代（F，）的相關圖表。

學生需要根據表2，填寫親本、子代①。③的“折紙鳥”資料表。最后，教師可以將全年級“折紙鳥”飛行數據匯總（表3）。學生再根據匯總數據，繪制出各世代“折紙鳥”飛行距離匯總圖。

5結語

科學思維是生物教學的核心任務之一。此次模擬實驗能很好地鍛煉學生的科學思維。在高度重視培養學生生物學學科核心素養的今天，教師要努力讓學生對科學問題進行觀察與比較、歸納與演繹、分析與綜合，并且有意識地培養學生建構模型、應用模型、檢驗模型的思維方法。建模思想是建立在證據和邏輯推理上的思維方式，其中數學建模思想是一種很好的生物學研究手段，從生命現象中總結出一般規律，并用直觀明了的方式進行表達，數學模型對生命現象的研究有著不可替代的優勢。在本實驗中，除了對數學建模思想的應用，還構建了對生物遺傳學中心法則、堿基互補配對、遺傳密碼子、自然選擇學說等一系列核心概念知識體系。