技術支持下構建生物學概念的教學探究

生命觀念是生物學核心素養(yǎng)之一。教師引導學生建立正確的生命觀念，有利于他們成長、發(fā)展，提升核心素養(yǎng)[1]。構建大概念、重要概念對生命觀念的建立起重要作用。教師運用典型事實、實驗、科學史，以及圖片、視頻等，引導學生推理、探究是構建概念的主要方式。但是基于某些證據進行推理分析較抽象，不易被學生理解。如何幫助學生更好地理解、推理分析得出結論呢？教師借助信息技術搭建平臺，創(chuàng)設情境，深層互動（包括人機互動、師生互動、生生互動），激發(fā)學生的興趣和創(chuàng)新活力，發(fā)揮學生的學習主體作用，能夠幫助學生分析、理解概念，更好地實現因材施教。筆者以“種群基因組成的變化”為例，介紹合理運用虛擬仿真平臺PhET和Excel等技術手段創(chuàng)設情境、測算種群基因頻率變化，進行圖表轉換，引導突破學生認知難點，有效構建生物學概念并深化理解，進而建立生物進化觀這一重要觀念。一、創(chuàng)設情境，虛擬演示，理解概念為了引導學生探究“種群基因組成變化”，筆者結合實際優(yōu)化概念教學的設計與實施。（一）教學內容分析本節(jié)課的內容是從基因角度看待生物進化問題，是對達爾文自然選擇學說的豐富與完善。達爾文的自然選擇學說可以解釋生物進化現象。但該學說也存在局限性，如將個體視為進化的單位，缺乏對遺傳與變異本質的解釋等。“生物進化的本質是種群的基因頻率遵循自然選擇的方向發(fā)生的定向改變”是本節(jié)課要構建的概念。它很抽象不易理解，教師需要引導學生從種群、基因的角度看待進化現象。筆者播放兔子種群進化視頻，以此為情境，從自然選擇學說出發(fā)，結合學生已有的遺傳學知識，引導觀察，并運用Excel突破難點，構建概念。（二）主要教學環(huán)節(jié)及問題設計筆者借助實驗虛擬仿真平臺PhET創(chuàng)設兔子種群在不同環(huán)境中的進化情境，設置問題引導學生圍繞這一過程進行思考與討論，從而逐步從種群和基因頻率的角度看待生物進化現象。教學流程及問題設計如圖1所示。（三）教學過程1.問題導入，明確主題筆者引導學生回憶達爾文自然選擇學說的主要內容，讓他們思考自然選擇學說的局限，從而激發(fā)學生的求知欲，明確主題。2.自制模擬視頻創(chuàng)設情境，激發(fā)學生探索欲望，總結生物進化的原材料筆者借助虛擬仿真平臺PhET錄制兩段視頻，起始階段兔子皮毛均為白色。第一段視頻中兔子種群在沙地環(huán)境中逐漸進化，棕色皮毛的兔子個體所占比例逐漸增大，白毛兔子逐漸減少；第二段視頻中兔子因未設置棕毛兔的突變體，故該種群一直全為白毛兔。兩段視頻能夠直觀反映兔子種群的變化（掃碼看視頻），將學生引入情境，有效激發(fā)了學生興趣和欲望。筆者引導學生思考兩段視頻中的兔子是否發(fā)生了進化。學生以自然選擇學說為基礎，從性狀水平判斷第二段視頻中的兔子并未進化。筆者提問引導學生分析其未進化的原因，并運用變異知識總結生物進化的原材料。3.虛擬演示并提問，引發(fā)思考，分析生物進化的單位課堂上，筆者使用PhET演示白毛兔在雪地中的進化過程。在雪地中，白毛兔為了生存與繁衍，雖然出現過棕毛兔的突變體，但由于不適合環(huán)境被淘汰掉，最后種群中還是僅存在白毛兔?！斑@一過程中兔子是否發(fā)生了進化？”學生對此存在爭議。筆者引導學生思考以什么標準判斷生物是否進化，以及進化的單位是個體還是種群。經過思考，有學生發(fā)現個體會死亡，但其攜帶的基因仍會在群體中保存與傳遞，故進化的單位應為種群。判斷有無進化不應僅以性狀水平的變化為依據，而要從基因的角度去衡量。學生學會從基因角度思考進化問題。4.虛擬演示分析，揭示進化本質，從基因層面理解進化“如何從基因的角度描述生物的進化現象呢？”學生陷入沉思。筆者點擊剛才模擬進化中的兔子個體，顯示其遺傳系譜圖。學生觀察系譜圖后發(fā)現，雖然該種群全為白毛兔，但是某些個體的基因型中含有棕毛基因。性狀水平棕毛兔個體數量的變化其本質應是棕毛基因在種群中所占比例的變化，這就從基因層面解釋了生物的進化現象。筆者順勢講解基因頻率與基因庫的概念，并以該兔子種群為例進行相關計算，幫助學生加深對概念的理解。學生掌握了基因頻率的計算方法后，筆者布置任務：計算該種群自由交配產生的后代中，A、a的基因頻率。學生計算后發(fā)現種群的基因頻率在親子代間并未發(fā)生改變，與模擬情境中的情況不符。筆者針對這一矛盾提問：為何兔子種群親子代間基因頻率沒有改變，與模擬的情境有何差異？學生發(fā)現，模擬過程中棕毛兔和白毛兔的生存壓力不同，繁衍后代的機會也不同，個體并非自由交配。筆者追問：保持基因頻率不變，需滿足哪些條件？學生交流與討論，總結出遺傳平衡定律的5個條件。5.利用技術工具，統(tǒng)計分析數據，明確進化方向，深入理解概念遺傳平衡的5個條件在自然條件下無法全部滿足，因此基因頻率一定會發(fā)生變化。它是如何變化的呢？變異是不定向的，基因頻率的變化是否具有趨向呢？學生表示會定向發(fā)生改變，并且是朝著適應環(huán)境的方向改變。如何驗證這一推測呢？筆者繼續(xù)以兔子種群為例布置任務：假設該兔子種群中棕毛兔每年個體數增加10%，白毛兔每年減少10%，請計算1年后該種群中A、a的基因頻率（初始基因型頻率：AA，70%；Aa，20%；aa，10%）。學生通過探究進一步熟悉基因頻率與基因型頻率的計算，加深對概念的理解并訓練相關科學思維。只有1年的數據還無法看出基因頻率變化的規(guī)律?！斑\用怎樣的技術手段，可以快速計算出多年后種群的基因頻率呢？”有學生提出可以利用Excel編輯公式計算出多年后種群的基因頻率。經過討論，學生在教師的啟發(fā)下運用Excel編輯公式，快速完成了計算，并將多年的基因頻率繪制成曲線圖，直觀地反映出基因頻率的變化規(guī)律。小結歸納：學生繪制基因頻率的變化規(guī)律曲線驗證了猜想，種群基因頻率會朝著自然選擇的方向發(fā)生定向改變?！吧镞M化的實質是什么？或者說判斷種群進化與否的標準是什么呢？”學生回答：種群基因頻率的改變。學生對進化的認識已經從性狀水平深入到基因層面。（四）各環(huán)節(jié)中數字資源與技術的選擇筆者在教學的不同環(huán)節(jié)，根據實際需要，選用相關的數字資源和數字技術（見表1）。二、構建概念，直觀計算，應用提升為引導學生理解并構建“生物進化的本質是種群的基因頻率遵循自然選擇的方向發(fā)生的定向改變”的概念，筆者發(fā)揮PhET的推演功能和Excel的計算功能，讓學生在研究和計算中，在應用知識的過程中構建概念并深化理解。（一）借助PhET突破教學難點PhET由諾貝爾物理學獎得主卡爾·威曼于2000年發(fā)起[2]，目前針對數學、化學、生物學、地理等學科已開發(fā)虛擬仿真項目共158個，有網頁版和移動版（App）。教師可利用PhET將抽象的微觀過程直觀展示給學生，如將神經元膜上的轉運蛋白及鉀、鈉離子進出細胞的過程以動畫的形式呈現。此外，PhET支持操作者探究，教師和學生可以調節(jié)設置相關參數，獲得不同的實驗結果。在“自然選擇”的仿真項目中，筆者更改環(huán)境條件，環(huán)境選擇沙地或冰面、食物設定充足或有限、假定有無天敵等，同時設置種群中出現的突變體類型，如長牙兔、棕毛兔等。學生設置不同性狀的兔子種群及不同的生存環(huán)境，使得兔子的進化情況各不相同，有利于直觀感知生物的進化過程及影響因素，從而構建相關概念。生物進化過程往往較為漫長，不易觀察。PhET可以在較短時間內模擬兔子種群的進化過程，并且支持用戶設置環(huán)境壓力、相對性狀等參數，還可以生成某一個體的遺傳系譜圖。本課教學中，筆者播放了用PhET錄制的兩段視頻：沒有發(fā)生變異的兔子種群自始至終全為白毛兔，而具有突變體的兔子種群在自然選擇的作用下棕毛兔越來越多。學生觀看視頻，直觀地發(fā)現兩段視頻中的兔子種群發(fā)生了不同的變化。在筆者的引導下，學生認識到進化發(fā)生的前提是出現可遺傳的變異，由此驗證了達爾文的自然選擇學說，也運用所學的變異知識完善了自然選擇學說。達爾文從個體和性狀水平解釋進化，其現象與學生的日常感知非常契合，易于理解。教師要引導學生從種群和基因的角度看待進化現象具有困難，是學生的認知難點。筆者利用PhET模擬生物進化過程，讓學生直觀感受群體在發(fā)生變化，且個體的性狀會隨個體死亡而消失，并且用PhET的系譜圖讓學生看到某一個體及親屬的基因型，了解某一基因在種群中的傳遞過程。這樣，學生就容易理解為什么進化的單位不是個體而是種群，生物的進化不應只關注性狀水平，而要從基因層面去挖掘其本質。學生有了這樣的認識，也就理解了基因頻率這一概念的重要意義。（二）利用Excel提高計算效率本節(jié)課教學中，學生需要計算兔子自由交配和自然條件下的子代基因頻率，而要驗證基因頻率的變化規(guī)律則需要計算種群多年的基因頻率。這一過程重復性高，且計算量較大，學生如果用紙筆計算會占用大量時間，降低課堂學習效率。Excel是一款常見的數據處理辦公軟件，學生用它可以快速計算多代后的基因頻率，并繪制基因頻率的變化曲線，直觀反映變化規(guī)律。課上，筆者引導學生思考用Excel計算，并對計算方法與結果進行討論。學生在Excel的輔助下，很快計算出了多年后的基因頻率，并得到了變化曲線（如圖2）。這讓全班學生非常驚喜，他們感受到了技術為科學研究帶來的便利。本節(jié)課，學生用Excel對種群多年基因頻率進行計算既有利于他們直觀感受基因頻率的變化規(guī)律，又有利于他們今后運用技術工具解決科學研究中的實際問題。三、素養(yǎng)為本，技術為用，注重實效數字技術已越來越多地被應用到教學中，其在教學中的應用優(yōu)勢也越來越多地表現出來，如將抽象問題具體化、將教學過程數據化、增強師生與生生的互動性等。與此同時，如何合理地應用數字技術成為新課題。筆者認為，數字技術始終是教學輔助工具，應為教學目標的達成服務。在“種群基因組成的變化”的教學中，筆者帶領學生構建進化的原材料、單位、方向、實質等生物學概念，進而形成生命觀念。在構建概念的過程中，筆者利用PhET和Excel等技術工具幫助學生直觀地感受生物進化過程，讓學生自主發(fā)現從個體、性狀角度看待進化學說的不足與局限，從而突破認知難點，達成目標。