用模拟实验探究影响种群基因频率变化的因素

黄志红　郝立华

摘   要：模拟实验可将微观现象宏观化，宏观现象微观化，能让学生在教室里亲身体验微观的基因频率与宏观的自然选择之间的微妙关系。在课上，学生们边做边学，在体验着科学探究全过程的同时，他们良好的思维习惯、科学的探索精神、对生命的尊重、对社会的责任感不断提升。同时通过黑白蛾与鸟的角色扮演，其保护环境的意识也进一步增强。

关键词：高中生物;模拟实验;基因频率

中图分类号：G633.91   文献标识码：A    文章编号：1009-010X（2022）14-0056-03

“探究自然选择对种群基因频率变化的影响”是高中生物教材必修二生物进化中的内容，是帮助学生理解生物进化实质的重要探究活动。该活动充分体现了宏观现象与微观本质的有机结合，但教材中的探究过程主要侧重于假设数据的分析，这样学生无法体会大自然真正的选择作用。而模拟实验恰好能将微观现象宏观化，宏观现象微观化，所以笔者尝试采用模拟实验探究自然选择对种群基因频率变化的影响。

探究种群基因频率的变化是在学生学习了有关遗传学的知识以及自然选择学说的基础上学习的。在这部分知识的学习过程中，学生通过探究—实践活动很好地将前面所学的知识进行了总结并提升到理论实质的高度上来，这为物种形成及生物多样性的学习做好了铺垫。

学生对事物有强烈的好奇心，但缺乏建构知识的能力，对体验有浓厚的兴趣，但缺乏总结归纳的能力，尤其数据处理能力差。教材中的数据分析表计算量较大（见表1），所以学生填表时间过长。

一、教学目标与重点、难点

教学目标：1.理解种群、基因频率等概念。2.学会基因频率的计算方法。3.运用数学方法讨论种群基因频率的变化，并构建数学模型。4.运用生物进化的观点解释一些生物现象。5.树立辩证唯物主义世界观。6.形成生物进化理论在发展的观念。7.培养保护环境的意识。

重点：1.理解生物进化的实质是基因频率的改变。2.构建种群基因频率变化的数学模型。

难点：分析自然选择对种群基因频率变化的影响。

二、教学策略

将教材中利用假设数字直接构建数学模型改为通过模拟实验获取实验数据构建数学模型。

三、教法与学法

本节内容相对抽象，因此在教学中笔者采用先创设情境，提出问题引导学生讨论，然后利用模拟实验提升学生学习的积极性，最后归纳总结得出结论的方法开展教学。教师引导学生进行小组合作学习，不但能带动学生的积极性还能提高学生的学习效率，因此应采用引导学生进行小组合作探究的学习方法。

四、教学过程

（一）创设情境一，引出基因频率的概念

出示白色桦树的树干上有一黑一白两只桦尺蠖的图片。

师：如果你是图中的一只蛾子，你想做黑蛾还是白蛾？

生（大部分）：白蛾，白色是保护色，不容易被天敌发现。

生（一个）：黑蛾，与众不同更利于吸引异性，产生更多后代。

师：正向和逆向思维都值得肯定，但在这种环境下做黑蛾是很危险的。这些蛾子叫桦尺蠖，生活在这片树林中的所有桦尺蠖称为一个种群，黑和白是这个种群中的一对相对性状，从本质上说，什么决定性状？什么决定相对性状？

生：基因决定性状，等位基因决定相对性状。

师：一个种群的全部基因称为基因库，其中某基因占全部等位基因的比例称为基因频率。

设计意图：激发学生的学习兴趣，导入新课;通过角色扮演，使学生认识到人只是大自然中的一员;在情境中进一步理解基因频率和基因型频率等概念。

（二）构建数学模型，熟练计算方法

师：给出简单例题，引导学生构建计算基因频率的数学模型。

生：基因频率=该基因纯合子基因型频率+ 杂合子基因型频率的一半。

设计意图：培养学生的模型建构思想，使其养成良好的理科思维习惯。

（三）创设情境二，分析基因突变

出示黑灰色背景下有多只黑蛾和一只白蛾的图片。

师：有一个蛾类种群，原本都是黑蛾，有一天发现后代中出现了一只白蛾，可能是什么原因？

生：基因突变。

师：基因突变产生了新的等位基因，改变了这个种群的基因频率，但是基因突变是不定向的，这一新基因的频率是上升还是下降了，取决于什么？

生：取决于这一突变对该生物有利还是有害，有利还是有害又取决于环境。

师：所以基因突变只能为进化提供原材料，并不能决定进化的方向，环境的选择作用使基因频率的改变有了方向。

设计意图：承上启下，寻找改变基因频率的因素。

（四）创设情境三，完成模拟实验

出示黑白背景下有多只黑白蛾的图片。

师：这是不同环境中同一种群的黑白蛾，今天我们通过科学探究的一般过程来体会一下大自然无形的选择作用，其探究步骤是？

生：提出问题—作出假设—设计实验—进行实验—分析结果—得出结论—表达交流。

师：黑色由S基因控制，白色由s基因控制，若鸟类等天敌存在，S和s的基因频率将如何变化呢？据此作出假设。

生：白色背景下最可能出现的情况是s频率上升，S频率下降。黑色背景下最可能出现的情况是S频率上升，s频率下降。假设：自然选择使种群基因频率发生定向改变。

师：基因我们看不到，小鸟不能去打扰，现在我们把大自然搬进课堂，如果你是一只小鸟，桌上有许多蛾子，请你用所给材料设计一个模拟实验方案以探究基因频率的变化。材料包括：黑色或白色硬紙板一张，用打花器打出的黑蛾子（背面标注基因型SS或Ss）、白蛾子（背面标注ss）若干，然后设计实验方案。因为实验方案必须严密，所以在设计前需要思考几个问题“蛾子的起始数量是多少？”“每只小鸟每次吃多少？”“蛾子要不要繁殖？”然后学习小组讨论（学生讨论，教师引导并寻找合理答案）。

生：我们6人一组，1人记录5只鸟，在代表环境的黑或白纸板上放20只黑白、蛾小纸片，每次1只鸟吃1只蛾，剩下的计算基因频率，考虑繁殖可补5只后再循环进行。

师：非常好。为了加快选择速度，我们让时间快进，允许一只鸟每次吃2只蛾，剩10只时再计算基因频率，这样可以大大减小计算量，节约时间。计算后将剩下的蛾子按现有基因型比例繁殖一倍，即剩下的每只蛾子都用打花器再加一只（颜色和基因型相同的，可以提前做好备用）。然后请各组在导学案上写出完整的实验方案，写完后小组展示。

生：实验方案1.每组6人。1人记录，5人为小鸟。2.取黑、白蛾20只（黑背景比例10%、20%、70%，白背景比例10%、20%、70%）。3.每只小鸟吃掉两只，剩余蛾子10只，统计10只余蛾各基因型的个数，然后记录。4.计算基因型频率和基因频率。5.10只余蛾以一变二繁殖，补足后20只。6.重复实验。

师：按实验方案完成实验。注意：1.快速拿掉第一眼看到的蛾子，不能犹豫。2.将数据填在导学案记录表中。

生：分工合作，尽快完成任务。

师：我们先来分享几组实验结果。这是一组黑板上的实验数据和一组白板上的实验数据，分析一下数据（见表2、表3）。

生：黑色背景下S频率上升、s频率下降，白色背景下s频率上升、S频率下降。

师：思考除突变和基因重组、自然选择外，影响种群基因频率的因素还有什么？留到课下继续探究。

通过以上教学过程可得出结论：自然选择使种群基因频率发生定向改变，决定进化的方向。生物进化的实质是种群基因频率的改变。

设计意图：认识科学探究的一般方法，提高科学探究能力。

以黑白蛾为主线，通过模型建构和模拟实验探究了自然选择对种群基因频率的影响，使学生从根本上认识到生物进化的实质是基因频率的改变。设计模拟实验，目的就是让学生边做边学，在直观感受中体会生物进化的实质，如此有助于引导学生理解和领悟科学的真谛。探究活动使学生体验到合作的乐趣，提高了学生分析、解决问题的能力，也培养了学生勇于探索的科学精神，使学生认识到保护环境的重要性，同时其学科核心素养也得到了提升。