建模思想在生物学教学中的应用

康顺

摘要：介绍了如何通过建模过程传递生物学核心概念，培养学生关键能力，引导学生形成建模思想，并构建起自然选择学说的知识框架。

关键词：生物建模 自然选择 模拟实验

中图分类号：G633.91 文献标志码：B

达尔文提出的自然选择学说对生物的进化和适应的形成作出了合理的解释。他认为适应的来源是可遗传的变异，适应是自然选择的结果。在解释自然选择学说时，人教版高中生物《必修2·遗传与进货》教材中引用了达尔文自然选择学说的解释模型。模型展示了三个推论：个体间存在着生存斗争;具有有利变异个体生存并留下后代的机会多;有利变异逐代积累，具有这些有利变异的个体越来越多，形成具有新的适应特征的生物新类型。这三个推论环环相扣，层层递进，揭示了生物进化的根本原因和本质特征。为更好地让学生理解这一理论模型，开展相关实验是必不可少的。此模拟实验是在杨永庆老师发表的《自然选择模型活动的“鸟模型”方案设计》一文的启发下改进而来。

1设计背景

“折纸鸟”是一种具有以下生物特征的假想虚拟生物：它们栖息的生境是一个干旱区域，只有能够经过长距离飞行并到达绿洲的个体才能存活和繁殖。假定一个雌性个体与雄性个体交配后，能够保证产卵一次，并且每次产卵3枚。本实验出场的个体均为雌性个体。

2“折纸鸟”的制作

将彩色绘图纸剪成宽3 cm、长20 cm的纸条，将其中一张纸条首尾相连（重叠1 cm），制成一个纸环，作为羽翅，并用胶带粘结。对另一纸条重复以上操作。用一根长度适中的塑料吸管作为躯干，在距离吸管前端与后端3 cm处做好标记，并将纸环粘贴于吸管上，前端的回形针作为配重以适应飞行（图1）。

3模拟自然选择的演化过程

在生物演化过程中，3只“折纸鸟”个体中飞行距离最远的一只存活，其余两只死亡。存活的一只与雄性个体交配后产生子代，子代中必有一只继承雌性亲本全部性状，其余两只可以发生变异（图2）。

变异遵循“自然选择盒（图3）与基因突变表（表1）”中编制的变异规则。自然选择盒由两个涂有不同颜色的转盘和一段“折纸鸟”的DNA序列组成（默认上半段DNA片段为模板）。DNA片段上有5对控制性状的基因，分别控制性状可变异数量、羽色、羽翅的位置、前羽的位置、后羽的位置。首先根据子代第一对遗传密码确定基因可变异数量，而后转动左边的转盘，确定变异的基因位置，再转动右边的转盘，确定变异的碱基种类。实验次数由第一对基因组决定。然后，依次根据基因突变表中将突变后的模板DNA经转录翻译后的性状作为可变异个体的变异依据，以此模拟自然条件下的变异过程。如果基因可变异数量为0，或者经变异后的性状相同，则不需要继续试飞，直接记录与亲本相同的飞行距离。

4操作步骤

在进行模拟实验时，手持“折纸鸟”模型吸管中部，向前投掷，动作轻柔并尽量保证扔掷模型的力基本保持相同，重复两次实验，记录每只鸟飞行的平均距离，记录最大飞行距离。随后选择出在上代中以最大飞行距离的那只鸟作为亲代，繁衍后代，并重复以上步骤，最终产生4代左右的子代，逐一記录并分析结论。此外，还应该控制实验地点风速过大对实验的干扰，可在教室、走廊等场所进行。可将全年级的数据样本为研究对象，得出的结果更具说服力。图4和表2列举了从亲本（P）繁殖到子一代（F，）的相关图表。

学生需要根据表2，填写亲本、子代①。③的“折纸鸟”资料表。最后，教师可以将全年级“折纸鸟”飞行数据汇总（表3）。学生再根据汇总数据，绘制出各世代“折纸鸟”飞行距离汇总图。

5结语

科学思维是生物教学的核心任务之一。此次模拟实验能很好地锻炼学生的科学思维。在高度重视培养学生生物学学科核心素养的今天，教师要努力让学生对科学问题进行观察与比较、归纳与演绎、分析与综合，并且有意识地培养学生建构模型、应用模型、检验模型的思维方法。建模思想是建立在证据和逻辑推理上的思维方式，其中数学建模思想是一种很好的生物学研究手段，从生命现象中总结出一般规律，并用直观明了的方式进行表达，数学模型对生命现象的研究有着不可替代的优势。在本实验中，除了对数学建模思想的应用，还构建了对生物遗传学中心法则、碱基互补配对、遗传密码子、自然选择学说等一系列核心概念知识体系。