建模思想在生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

康順

摘要：介紹了如何通過(guò)建模過(guò)程傳遞生物學(xué)核心概念，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)鍵能力，引導(dǎo)學(xué)生形成建模思想，并構(gòu)建起自然選擇學(xué)說(shuō)的知識(shí)框架。

關(guān)鍵詞：生物建模 自然選擇 模擬實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

達(dá)爾文提出的自然選擇學(xué)說(shuō)對(duì)生物的進(jìn)化和適應(yīng)的形成作出了合理的解釋。他認(rèn)為適應(yīng)的來(lái)源是可遺傳的變異，適應(yīng)是自然選擇的結(jié)果。在解釋自然選擇學(xué)說(shuō)時(shí)，人教版高中生物《必修2·遺傳與進(jìn)貨》教材中引用了達(dá)爾文自然選擇學(xué)說(shuō)的解釋模型。模型展示了三個(gè)推論：個(gè)體間存在著生存斗爭(zhēng);具有有利變異個(gè)體生存并留下后代的機(jī)會(huì)多;有利變異逐代積累，具有這些有利變異的個(gè)體越來(lái)越多，形成具有新的適應(yīng)特征的生物新類(lèi)型。這三個(gè)推論環(huán)環(huán)相扣，層層遞進(jìn)，揭示了生物進(jìn)化的根本原因和本質(zhì)特征。為更好地讓學(xué)生理解這一理論模型，開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)是必不可少的。此模擬實(shí)驗(yàn)是在楊永慶老師發(fā)表的《自然選擇模型活動(dòng)的“鳥(niǎo)模型”方案設(shè)計(jì)》一文的啟發(fā)下改進(jìn)而來(lái)。

1設(shè)計(jì)背景

“折紙鳥(niǎo)”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(gè)干旱區(qū)域，只有能夠經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離飛行并到達(dá)綠洲的個(gè)體才能存活和繁殖。假定一個(gè)雌性個(gè)體與雄性個(gè)體交配后，能夠保證產(chǎn)卵一次，并且每次產(chǎn)卵3枚。本實(shí)驗(yàn)出場(chǎng)的個(gè)體均為雌性個(gè)體。

2“折紙鳥(niǎo)”的制作

將彩色繪圖紙剪成寬3 cm、長(zhǎng)20 cm的紙條，將其中一張紙條首尾相連（重疊1 cm），制成一個(gè)紙環(huán)，作為羽翅，并用膠帶粘結(jié)。對(duì)另一紙條重復(fù)以上操作。用一根長(zhǎng)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(biāo)記，并將紙環(huán)粘貼于吸管上，前端的回形針作為配重以適應(yīng)飛行（圖1）。

3模擬自然選擇的演化過(guò)程

在生物演化過(guò)程中，3只“折紙鳥(niǎo)”個(gè)體中飛行距離最遠(yuǎn)的一只存活，其余兩只死亡。存活的一只與雄性個(gè)體交配后產(chǎn)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(fā)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(guī)則。自然選擇盒由兩個(gè)涂有不同顏色的轉(zhuǎn)盤(pán)和一段“折紙鳥(niǎo)”的DNA序列組成（默認(rèn)上半段DNA片段為模板）。DNA片段上有5對(duì)控制性狀的基因，分別控制性狀可變異數(shù)量、羽色、羽翅的位置、前羽的位置、后羽的位置。首先根據(jù)子代第一對(duì)遺傳密碼確定基因可變異數(shù)量，而后轉(zhuǎn)動(dòng)左邊的轉(zhuǎn)盤(pán)，確定變異的基因位置，再轉(zhuǎn)動(dòng)右邊的轉(zhuǎn)盤(pán)，確定變異的堿基種類(lèi)。實(shí)驗(yàn)次數(shù)由第一對(duì)基因組決定。然后，依次根據(jù)基因突變表中將突變后的模板DNA經(jīng)轉(zhuǎn)錄翻譯后的性狀作為可變異個(gè)體的變異依據(jù)，以此模擬自然條件下的變異過(guò)程。如果基因可變異數(shù)量為0，或者經(jīng)變異后的性狀相同，則不需要繼續(xù)試飛，直接記錄與親本相同的飛行距離。

4操作步驟

在進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，手持“折紙鳥(niǎo)”模型吸管中部，向前投擲，動(dòng)作輕柔并盡量保證扔擲模型的力基本保持相同，重復(fù)兩次實(shí)驗(yàn)，記錄每只鳥(niǎo)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(niǎo)作為親代，繁衍后代，并重復(fù)以上步驟，最終產(chǎn)生4代左右的子代，逐一記錄并分析結(jié)論。此外，還應(yīng)該控制實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)風(fēng)速過(guò)大對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，可在教室、走廊等場(chǎng)所進(jìn)行。可將全年級(jí)的數(shù)據(jù)樣本為研究對(duì)象，得出的結(jié)果更具說(shuō)服力。圖4和表2列舉了從親本（P）繁殖到子一代（F，）的相關(guān)圖表。

學(xué)生需要根據(jù)表2，填寫(xiě)親本、子代①。③的“折紙鳥(niǎo)”資料表。最后，教師可以將全年級(jí)“折紙鳥(niǎo)”飛行數(shù)據(jù)匯總（表3）。學(xué)生再根據(jù)匯總數(shù)據(jù)，繪制出各世代“折紙鳥(niǎo)”飛行距離匯總圖。

5結(jié)語(yǔ)

科學(xué)思維是生物教學(xué)的核心任務(wù)之一。此次模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芎芎玫劐憻拰W(xué)生的科學(xué)思維。在高度重視培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的今天，教師要努力讓學(xué)生對(duì)科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行觀察與比較、歸納與演繹、分析與綜合，并且有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)模型、應(yīng)用模型、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷乃季S方法。建模思想是建立在證據(jù)和邏輯推理上的思維方式，其中數(shù)學(xué)建模思想是一種很好的生物學(xué)研究手段，從生命現(xiàn)象中總結(jié)出一般規(guī)律，并用直觀明了的方式進(jìn)行表達(dá)，數(shù)學(xué)模型對(duì)生命現(xiàn)象的研究有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。在本實(shí)驗(yàn)中，除了對(duì)數(shù)學(xué)建模思想的應(yīng)用，還構(gòu)建了對(duì)生物遺傳學(xué)中心法則、堿基互補(bǔ)配對(duì)、遺傳密碼子、自然選擇學(xué)說(shuō)等一系列核心概念知識(shí)體系。