姚秀林 （重慶市渝北中學(xué)校 重慶 401120）

高中生物學(xué)課程中，一些問題的解決常會用到簡單的統(tǒng)計學(xué)原理。筆者發(fā)現(xiàn)，這些統(tǒng)計學(xué)原理在數(shù)學(xué)課堂中是非常簡單的數(shù)學(xué)問題，但學(xué)生很難將數(shù)學(xué)知識遷移到生物學(xué)的情境之中，很難建立數(shù)學(xué)模型解決生物學(xué)問題，原因是學(xué)生對該生物學(xué)情境的理解不夠透徹。因此，筆者在教學(xué)的過程中，常用一些模擬實驗的方法，讓學(xué)生體會生物學(xué)情境中統(tǒng)計學(xué)原理的本質(zhì)，期望學(xué)生能在做中學(xué)、做中思，充分理解教材上的科學(xué)方法、規(guī)律等，并能運(yùn)用這些知識和方法解決問題［1］。

1 模擬教材上的實驗：模擬標(biāo)志重捕法

標(biāo)志重捕法是在被調(diào)查種群的活動范圍內(nèi)，捕獲一部分個體，做上標(biāo)記后再放回原來的環(huán)境中，經(jīng)過一段時間后進(jìn)行重捕，根據(jù)重捕到的動物中標(biāo)記個體數(shù)所占比例，估算種群密度。

此方法成立的前提是：標(biāo)記個體在種群中所占比例不變，且標(biāo)記個體和被標(biāo)記個體被捕獲到的概率相同。為了讓學(xué)生理解這個前提，筆者設(shè)計了一個模擬實驗。

1.1 實驗材料 白色蠶豆、紅色蠶豆、布袋等。

1.2 實驗步驟

1）取白色蠶豆若干裝入布袋中，約占布袋總?cè)萘康?0%。

2）隨機(jī)抓出一部分白色蠶豆，統(tǒng)計其數(shù)量。

3）用相同數(shù)量的紅色蠶豆替換被抓出的白色蠶豆放入布袋，混合均勻。

4）再次從布袋中隨機(jī)抓出一部分蠶豆，統(tǒng)計其中紅色蠶豆所占的比例。

5）思考如何通過以上實驗過程估算最初放入布袋中白色蠶豆的數(shù)量？估算方法成立的前提是什么？

1.3 實驗思考

1）用標(biāo)志重捕法調(diào)查該地區(qū)某動物的種群密度時，由于該動物被捕一次后更容易捕捉，往往導(dǎo)致調(diào)查結(jié)果___________（偏高、偏低或不變）。

2）用標(biāo)志重捕法調(diào)查該地區(qū)某動物的種群密度時，若部分標(biāo)記個體遷出往往導(dǎo)致調(diào)查結(jié)果____________（偏高、偏低或不變）。

3）用標(biāo)志重捕法調(diào)查某種兔的種群密度時，若在第2 次捕獲過程中，發(fā)現(xiàn)地面有脫落的標(biāo)記（某些帶標(biāo)記的兔被天敵捕食，標(biāo)記不影響兔被捕食）。這種情況下，估算的種群數(shù)量__________（偏高、偏低或不變）。

2 拓展教材上的實驗：性狀分離比的模擬實驗、模擬非等位基因自由組合

必修2 的教材編排是以遺傳學(xué)的發(fā)展史為主線進(jìn)行的，因此，孟德爾通過豌豆雜交實驗發(fā)現(xiàn)基因分離定律和自由組合定律被安排在必修2 的第1 章。由于對基因的本質(zhì)、基因與DNA 的關(guān)系、基因與染色體的關(guān)系，以及基因與性狀的關(guān)系等沒有認(rèn)識，學(xué)生在學(xué)習(xí)孟德爾對實驗現(xiàn)象的解釋時會遇到困難。筆者通過模擬實驗的方式讓學(xué)生體會到這個過程中的統(tǒng)計學(xué)本質(zhì)。

2.1 性狀分離比的模擬實驗 為了讓學(xué)生體會配子的種類及比例與性狀分離比之間的數(shù)量關(guān)系，理解基因分離定律的實質(zhì)，教材安排了實驗“性狀分離比的模擬”。在教學(xué)過程中，筆者對實驗進(jìn)行了些許改動，以期學(xué)生在實驗的過程中能體會并理解以下2 點(diǎn)：1）統(tǒng)計學(xué)規(guī)律成立的前提是數(shù)據(jù)量足夠大；2）正是因為F1（Dd）自交時父本、母本均能產(chǎn)生2 種配子，且比例為1∶1，才使得自交后代出現(xiàn)DD∶Dd∶dd=1∶2∶1，故F1（Dd）產(chǎn)生配子D∶d=1∶1 是分離定律的實質(zhì)。

2.1.1 實驗材料 白色蠶豆、布袋、黑色記號筆。

2.1.2 實驗準(zhǔn)備 用黑色記號筆在白色蠶豆上寫“D”或“d”。

2.1.3 實驗步驟

1）將全班學(xué)生分為10 組，每組學(xué)生取2 個布袋，編號為A、B。1～5 組的學(xué)生在2 個布袋中均放入寫有D 和d 的蠶豆各15 顆，6～10 組學(xué)生在A布袋中放入寫有D 和d 的蠶豆各15 顆，在B 布袋中放入寫有D 和d 的蠶豆各35 顆。

2）從A、B 2 個布袋中各隨機(jī)取出1 顆蠶豆，記錄其基因組成，并將蠶豆放回原布袋。

3）每組學(xué)生至少重復(fù)上述實驗操作20 次，將實驗結(jié)果記錄到表格中（表1），并將本組實驗結(jié)果填寫到黑板上。

表1 性狀分離比模擬實驗記錄表

2.1.4 實驗思考

1）寫有D、d 的蠶豆模擬的是什么細(xì)胞？布袋模擬的是什么器官？

2）從2 個布袋中各隨機(jī)取出1 顆蠶豆進(jìn)行組合模擬的是什么過程？

3）單獨(dú)觀察每組記錄的數(shù)據(jù)，DD、Dd 和dd 的數(shù)量比例是否有規(guī)律？綜合1～5 組或6～10 組的數(shù)據(jù)是否有規(guī)律？

4）6～10組中A、B 2 個布袋中的蠶豆數(shù)不相等，與1～5 組的實驗結(jié)果是否有明顯差異？

5）若因某種環(huán)境因素導(dǎo)致含d 的精子不育，F(xiàn)1（Dd）自交后代還是DD∶Dd∶dd=1∶2∶1 嗎？

2.2 模擬非等位基因自由組合 筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)自由組合定律時，往往難以理解在等位基因分離的同時非等位基因自由組合。筆者通過設(shè)計模擬實驗讓學(xué)生體驗此過程以期解決該問題。

2.2.1 實驗材料 小紙盒、白色蠶豆、紅色蠶豆、黑色簽字筆。

2.2.2 實驗準(zhǔn)備 在白色蠶豆上寫“Y”或“y”，紅色蠶豆上寫“R”或“r”。

2.2.3 實驗步驟

1）全班學(xué)生每2 人一組，共30 組。每組取小紙盒3 個，編號為A、B、C，取寫有Y、y、R、r 的蠶豆各1 顆放入A 紙盒中。

2）每組的一位學(xué)生將寫有“Y”、“y”蠶豆隨機(jī)放入B、C 2 個盒子中，另一位學(xué)生將寫有“R”、“r” 蠶豆隨機(jī)放入B、C 2 個盒子中，記錄B、C 2個盒子的基因組成。

3）每組學(xué)生重復(fù)上述實驗操作10 次，將實驗結(jié)果記錄到表格中（表2），并將本組實驗結(jié)果填寫在黑板上。

表2 基因自由組合定律模擬實驗記錄表

2.2.4 實驗思考

1）紙盒A、B、C 分別模擬的是什么細(xì)胞？

2）成對的基因分離和不成對的基因間的組合都發(fā)生在什么過程中？

3）如何理解“非等位基因自由組合”這句話中的“自由”二字？

3 設(shè)計實驗完成教學(xué)活動：自然選擇對種群基因頻率的影響

在現(xiàn)代生物進(jìn)化理論的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生很容易理解“自然選擇的直接作用對象是生物的表現(xiàn)型”這個概念，但很難理解“生物進(jìn)化的實質(zhì)是長期自然選擇導(dǎo)致種群基因頻率發(fā)生定向改變”這一概念。因此，在教學(xué)的過程中，筆者設(shè)計了模擬實驗讓學(xué)生體會該過程。

3.1 實驗材料 蠶豆、黃豆、大紙盒、小紙盒、筷子。

3.2 實驗準(zhǔn)備 在蠶豆上寫“AA”或“Aa”。

3.3 實驗步驟

1）每個小組取寫有AA 的蠶豆30 顆，寫有Aa的蠶豆20 顆，黃豆（代表aa）50 顆，放入大紙盒中。

2）教師計時10 s，每組學(xué)生用筷子盡可能多地將蠶豆或黃豆夾入小紙盒中。

3）統(tǒng)計大紙盒中剩下的AA、Aa 和aa 的數(shù)量，記錄在表格中（表3）。

4）每個小組調(diào)整大紙盒中蠶豆與黃豆的數(shù)量，使AA、Aa 的數(shù)量各增加10%，aa 的數(shù)量減少10%，重復(fù)上述實驗操作。

表3 種群基因頻率改變記錄表

3.4 實驗思考

1）大紙盒中的蠶豆和黃豆代表什么生命系統(tǒng)層次？

2）小紙盒中的蠶豆和黃豆代表什么個體？

3）哪種基因型個體生存能力較弱？

4）調(diào)整大紙盒中蠶豆和黃豆的數(shù)量以增加AA、Aa 個體數(shù)量或減少aa 個體數(shù)量模擬的是什么過程？

5）A 和a 基因頻率變化的趨勢是什么？

6）根據(jù)模擬實驗的操作過程，嘗試解釋自然選擇導(dǎo)致種群基因頻率發(fā)生定向改變的原因。

4 感悟

運(yùn)用模擬實驗的方式，學(xué)生可體會抽象的數(shù)學(xué)原理，不僅印象深刻，更容易理解其實質(zhì)，是突破該類教學(xué)難點(diǎn)的有效方法。