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1、运用数学模型探究生物进化的实质摘要：生物进化的实质在于种群基因频率的改变，本节教学中，紧 紧围绕“桦尺蟻黑化的现象”，采用问题探究的形式探究进化的原因和实 质，培养了学生科学探究的能力。关键词：数学模型探究进化实质现代生物进化理论认为，生物进化的基本单位是种群，生物进化的实 质在于种群基因频率的改变。普通高中生物课程标准规定学生能够“说明 现代生物进化理论的主要内容”。在组织教学的过程中如何采用问题探究 的方法让学生形成进化的观点，揭示进化的实质是本节课要解决的核心问 题。一、教学目标1 .知识目标：解释种群是生物进化的基本单位；简述基因频率的概念 及基因频率的计算方法；说出突变和重组为生物进
2、化提供原材料的原因； 举例说明自然选择在生物进化中的作用。2能力冃标：运用数学方法讨论种群基因频率的变化。3情感态度与价值观目标：形成生物进化的观点。二、教学过程上课前，教师可以按照4位学生为一个小组进行分组，以方便分组探 究课堂上的几个问题。教师先准备好桦尺蟆夜间活动、白夭栖息在树干上 的生活视频，激发出学生的学习兴趣。整个课堂紧紧闱绕“桦尺蟆为什么 会发生黑化的现象”为主题，运用教学模型的办法來进行合作探究。(-)合作探究一：进化的对象是什么围绕引课的视频作为背景材料：英国的曼彻斯特地区冇一种桦尺蟆， 它们夜间活动，白天栖息在树干上。桦尺蟻的体色受一对等位基因S和S 控制，黑色(S)对浅色
3、(s)是显性的。19世纪中叶以前，桦尺蟻几乎都 是浅色型的，随着英国工业革命的发展，污染加重，到了 20世纪中叶， 黑色桦尺蟆却成了常见类型。提出小组合作探究的三个问题：问题1：在近1个世纪中桦尺蟻种群发生了什么变化？问题2：这种现象在生物学中叫什么？为什么会发生？问题3：产生的新基因如何才能保存下来？教师可以抽取每一个小组推荐的学生把小组合作探究的结果交流出 来，从而得到共同的答案。第一个探究活动完成后，学生已经对生物进化 的概念有了 泄的了解，这就为我们接下来探究进化的实质做了铺垫。在这三个问题的处理中，教师可以适当把基因库、基因频率、基因型 频率的概念明确给学生，并用一个例题来加以巩固：
4、某桦尺蟻种群中，黑 色的基因为S,浅色的基因为s,调查发现100个个体中发现SS、Ss、ss 的个体分别占10%、20%、70%,那么S、s的基因频率是多少？学生很容易 计算出S的基因频率为20%, s的基因频率为80%o假设上述例题中的群体满足以下五个条件，请学生完成表格1：(1)昆虫群体数量足够大。(2)全部的雌雄个体间都能自山交配并 能产生后代。(3)没有迁入与迁出。(4) SS、Ss、ss三种基因型昆虫的生存能力完全相同(也就是说自然选择対S、s控制的翅型性状没有作用)。（5）也没有基因突变和染色体变异。请学生填表计算子一代的基因频率 与基因型频率，并推算子二代、子三代的基因频率和基因
5、型频率。表格1通过计算，学生会发现子一代、子二代达到稳定后SS、Ss、ss的基 因型频率分别为4%、32%、64%；而种群的基因频率S、s却没有发生变化, 仍然是20%和80%o学生自然发现在这个过程中种群的基因频率并没有发 生改变。这时候，教师可以提问：上述计算结果是在满足五个假设条件的 基础上计算的，可以说是理想条件，在这种条件下，种群发生进化了吗？ 学生回答并没有发生进化，如果再此过程中发生基因突变，种群基因频率 会发生变化吗？自然过渡到“那怎样的情况才算发生了生物进化的现象”。（）合作探究二：进化的内因是什么还是以桦尺蟆的黑化现象为例，请学生分组探讨下面这个问题：黑色 桦尺蟆出现是在英
6、国工业化污染之前还是之后？什么原因导致黑色形状 出现的呢？很显然，黑色的桦尺蟻不是烟熏出来的，而是由于基因突变产 生新的性状，并且在后代的繁殖过程中出现基因重组，才形成多种多样的 基因型，从而构建以下概念图：通过这个概念图的构建，学生不难发现可遗传变异是生物进化的内 因，为住物进化提供最原始的材料。但是变异后的桦尺蟆不是泄都是黑 色的，因为变异是不定向的，那乂是什么决定生物进化的方向呢？（三）合作探究三：进化的外因是什么其实，这个探究的目的就是要分析进化的方向是受什么控制的，从而提出“探究自然选择对种群基因频率的影响”的问题，并且让学生做出“自 然选择确实会对种群基因频率产生影响”的假设。但是
7、这个实验我们很难 操作，所以可以借助教材上用创设数字化问题情境的方法来进行探究。用数学方法来讨论一下桦尺蟆基因频率变化的原因。1870年桦尺蟆的 基因型频率为SS 10% ； Ss 20%； ss 70%,在树干变黑这一环境条件下 假如树干变黑不利于桦尺蟻的生存，使得种群中浅色个体每年减少10%, 黑色个体每年增加10%,以后的几年内，桦尺蟆种群每年的基因型频率与 基因频率是多少呢？表格2通过学生的计算，最终可以得出以下结果，见表格3：表格3此时，可以提问学生：此结果支持你的假说吗？假设成立，从而得出 结论：自然选择决定生物进化的方向。现在，教师就可以在PPT上比较表 格1和表格3,最初时两个
8、模型的的基因型频率和基因频率都是一样，表 格1是理想状态下的数据；表格3则是考虑变界和自然选择下的数据，分 析得出表格3的情况下种群发生了生物进化，最终揭示出生物进化的实质 是“种群基因频率的改变”。通过以上对于两种不同情况的比较探究，学生能够很轻松地发掘出生 物进化的实质，并且采用数学模型来体验探究的乐趣，对提高学牛计算能 力、科学素养具有十分重要的作用。三、教学反思本节课以几个学生探究活动为主线，层层深入，由易到难，目的就是为了探究出“生物进化的实质”。这样的方法不仅有利于培养学生的学习 兴趣，而且对于培养学生学会科学探究的科学素养起到良好的作用，学生 在学习知识的过程中体会到探究的乐趣。科学探究的主体是学生，所以我们的教学设计一定要以学生为主题， 设计的问题要让学生有切入点，有能力回答，或者通过小组合作讨论后可 以得岀结果。体现出以学生为主体地位，营造岀课堂中的轻松活泼、师生 平等、和谐的课堂气氛，这样才能真正发挥出探究活动的意义。参考文献：1 鲍晓云“现代综合进化理论”的教学设计生物学教学，2011(5)： 47-48.2 刘本举运用数学探究生物进化的实质生物学通报，2008 (6)：36-38.(责编金东)
