技術(shù)支持下構(gòu)建生物學(xué)概念的教學(xué)探究

生命觀念是生物學(xué)核心素養(yǎng)之一。教師引導(dǎo)學(xué)生建立正確的生命觀念，有利于他們成長(zhǎng)、發(fā)展，提升核心素養(yǎng)[1]。構(gòu)建大概念、重要概念對(duì)生命觀念的建立起重要作用。教師運(yùn)用典型事實(shí)、實(shí)驗(yàn)、科學(xué)史，以及圖片、視頻等，引導(dǎo)學(xué)生推理、探究是構(gòu)建概念的主要方式。但是基于某些證據(jù)進(jìn)行推理分析較抽象，不易被學(xué)生理解。如何幫助學(xué)生更好地理解、推理分析得出結(jié)論呢？教師借助信息技術(shù)搭建平臺(tái)，創(chuàng)設(shè)情境，深層互動(dòng)（包括人機(jī)互動(dòng)、師生互動(dòng)、生生互動(dòng)），激發(fā)學(xué)生的興趣和創(chuàng)新活力，發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主體作用，能夠幫助學(xué)生分析、理解概念，更好地實(shí)現(xiàn)因材施教。筆者以“種群基因組成的變化”為例，介紹合理運(yùn)用虛擬仿真平臺(tái)PhET和Excel等技術(shù)手段創(chuàng)設(shè)情境、測(cè)算種群基因頻率變化，進(jìn)行圖表轉(zhuǎn)換，引導(dǎo)突破學(xué)生認(rèn)知難點(diǎn)，有效構(gòu)建生物學(xué)概念并深化理解，進(jìn)而建立生物進(jìn)化觀這一重要觀念。一、創(chuàng)設(shè)情境，虛擬演示，理解概念為了引導(dǎo)學(xué)生探究“種群基因組成變化”，筆者結(jié)合實(shí)際優(yōu)化概念教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)施。（一）教學(xué)內(nèi)容分析本節(jié)課的內(nèi)容是從基因角度看待生物進(jìn)化問(wèn)題，是對(duì)達(dá)爾文自然選擇學(xué)說(shuō)的豐富與完善。達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說(shuō)可以解釋生物進(jìn)化現(xiàn)象。但該學(xué)說(shuō)也存在局限性，如將個(gè)體視為進(jìn)化的單位，缺乏對(duì)遺傳與變異本質(zhì)的解釋等。“生物進(jìn)化的本質(zhì)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(gòu)建的概念。它很抽象不易理解，教師需要引導(dǎo)學(xué)生從種群、基因的角度看待進(jìn)化現(xiàn)象。筆者播放兔子種群進(jìn)化視頻，以此為情境，從自然選擇學(xué)說(shuō)出發(fā)，結(jié)合學(xué)生已有的遺傳學(xué)知識(shí)，引導(dǎo)觀察，并運(yùn)用Excel突破難點(diǎn)，構(gòu)建概念。（二）主要教學(xué)環(huán)節(jié)及問(wèn)題設(shè)計(jì)筆者借助實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺(tái)PhET創(chuàng)設(shè)兔子種群在不同環(huán)境中的進(jìn)化情境，設(shè)置問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生圍繞這一過(guò)程進(jìn)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(jìn)化現(xiàn)象。教學(xué)流程及問(wèn)題設(shè)計(jì)如圖1所示。（三）教學(xué)過(guò)程1.問(wèn)題導(dǎo)入，明確主題筆者引導(dǎo)學(xué)生回憶達(dá)爾文自然選擇學(xué)說(shuō)的主要內(nèi)容，讓他們思考自然選擇學(xué)說(shuō)的局限，從而激發(fā)學(xué)生的求知欲，明確主題。2.自制模擬視頻創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生探索欲望，總結(jié)生物進(jìn)化的原材料筆者借助虛擬仿真平臺(tái)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(jìn)化，棕色皮毛的兔子個(gè)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(shè)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(xué)生引入情境，有效激發(fā)了學(xué)生興趣和欲望。筆者引導(dǎo)學(xué)生思考兩段視頻中的兔子是否發(fā)生了進(jìn)化。學(xué)生以自然選擇學(xué)說(shuō)為基礎(chǔ)，從性狀水平判斷第二段視頻中的兔子并未進(jìn)化。筆者提問(wèn)引導(dǎo)學(xué)生分析其未進(jìn)化的原因，并運(yùn)用變異知識(shí)總結(jié)生物進(jìn)化的原材料。3.虛擬演示并提問(wèn)，引發(fā)思考，分析生物進(jìn)化的單位課堂上，筆者使用PhET演示白毛兔在雪地中的進(jìn)化過(guò)程。在雪地中，白毛兔為了生存與繁衍，雖然出現(xiàn)過(guò)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(guò)程中兔子是否發(fā)生了進(jìn)化？”學(xué)生對(duì)此存在爭(zhēng)議。筆者引導(dǎo)學(xué)生思考以什么標(biāo)準(zhǔn)判斷生物是否進(jìn)化，以及進(jìn)化的單位是個(gè)體還是種群。經(jīng)過(guò)思考，有學(xué)生發(fā)現(xiàn)個(gè)體會(huì)死亡，但其攜帶的基因仍會(huì)在群體中保存與傳遞，故進(jìn)化的單位應(yīng)為種群。判斷有無(wú)進(jìn)化不應(yīng)僅以性狀水平的變化為依據(jù)，而要從基因的角度去衡量。學(xué)生學(xué)會(huì)從基因角度思考進(jìn)化問(wèn)題。4.虛擬演示分析，揭示進(jìn)化本質(zhì)，從基因?qū)用胬斫膺M(jìn)化“如何從基因的角度描述生物的進(jìn)化現(xiàn)象呢？”學(xué)生陷入沉思。筆者點(diǎn)擊剛才模擬進(jìn)化中的兔子個(gè)體，顯示其遺傳系譜圖。學(xué)生觀察系譜圖后發(fā)現(xiàn)，雖然該種群全為白毛兔，但是某些個(gè)體的基因型中含有棕毛基因。性狀水平棕毛兔個(gè)體數(shù)量的變化其本質(zhì)應(yīng)是棕毛基因在種群中所占比例的變化，這就從基因?qū)用娼忉屃松锏倪M(jìn)化現(xiàn)象。筆者順勢(shì)講解基因頻率與基因庫(kù)的概念，并以該兔子種群為例進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，幫助學(xué)生加深對(duì)概念的理解。學(xué)生掌握了基因頻率的計(jì)算方法后，筆者布置任務(wù)：計(jì)算該種群自由交配產(chǎn)生的后代中，A、a的基因頻率。學(xué)生計(jì)算后發(fā)現(xiàn)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(duì)這一矛盾提問(wèn)：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(xué)生發(fā)現(xiàn)，模擬過(guò)程中棕毛兔和白毛兔的生存壓力不同，繁衍后代的機(jī)會(huì)也不同，個(gè)體并非自由交配。筆者追問(wèn)：保持基因頻率不變，需滿足哪些條件？學(xué)生交流與討論，總結(jié)出遺傳平衡定律的5個(gè)條件。5.利用技術(shù)工具，統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，明確進(jìn)化方向，深入理解概念遺傳平衡的5個(gè)條件在自然條件下無(wú)法全部滿足，因此基因頻率一定會(huì)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(xué)生表示會(huì)定向發(fā)生改變，并且是朝著適應(yīng)環(huán)境的方向改變。如何驗(yàn)證這一推測(cè)呢？筆者繼續(xù)以兔子種群為例布置任務(wù)：假設(shè)該兔子種群中棕毛兔每年個(gè)體數(shù)增加10%，白毛兔每年減少10%，請(qǐng)計(jì)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(xué)生通過(guò)探究進(jìn)一步熟悉基因頻率與基因型頻率的計(jì)算，加深對(duì)概念的理解并訓(xùn)練相關(guān)科學(xué)思維。只有1年的數(shù)據(jù)還無(wú)法看出基因頻率變化的規(guī)律。“運(yùn)用怎樣的技術(shù)手段，可以快速計(jì)算出多年后種群的基因頻率呢？”有學(xué)生提出可以利用Excel編輯公式計(jì)算出多年后種群的基因頻率。經(jīng)過(guò)討論，學(xué)生在教師的啟發(fā)下運(yùn)用Excel編輯公式，快速完成了計(jì)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(jié)歸納：學(xué)生繪制基因頻率的變化規(guī)律曲線驗(yàn)證了猜想，種群基因頻率會(huì)朝著自然選擇的方向發(fā)生定向改變?！吧镞M(jìn)化的實(shí)質(zhì)是什么？或者說(shuō)判斷種群進(jìn)化與否的標(biāo)準(zhǔn)是什么呢？”學(xué)生回答：種群基因頻率的改變。學(xué)生對(duì)進(jìn)化的認(rèn)識(shí)已經(jīng)從性狀水平深入到基因?qū)用?。（四）各環(huán)節(jié)中數(shù)字資源與技術(shù)的選擇筆者在教學(xué)的不同環(huán)節(jié)，根據(jù)實(shí)際需要，選用相關(guān)的數(shù)字資源和數(shù)字技術(shù)（見表1）。二、構(gòu)建概念，直觀計(jì)算，應(yīng)用提升為引導(dǎo)學(xué)生理解并構(gòu)建“生物進(jìn)化的本質(zhì)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(jì)算功能，讓學(xué)生在研究和計(jì)算中，在應(yīng)用知識(shí)的過(guò)程中構(gòu)建概念并深化理解。（一）借助PhET突破教學(xué)難點(diǎn)PhET由諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主卡爾·威曼于2000年發(fā)起[2]，目前針對(duì)數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、地理等學(xué)科已開發(fā)虛擬仿真項(xiàng)目共158個(gè)，有網(wǎng)頁(yè)版和移動(dòng)版（App）。教師可利用PhET將抽象的微觀過(guò)程直觀展示給學(xué)生，如將神經(jīng)元膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白及鉀、鈉離子進(jìn)出細(xì)胞的過(guò)程以動(dòng)畫的形式呈現(xiàn)。此外，PhET支持操作者探究，教師和學(xué)生可以調(diào)節(jié)設(shè)置相關(guān)參數(shù)，獲得不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在“自然選擇”的仿真項(xiàng)目中，筆者更改環(huán)境條件，環(huán)境選擇沙地或冰面、食物設(shè)定充足或有限、假定有無(wú)天敵等，同時(shí)設(shè)置種群中出現(xiàn)的突變體類型，如長(zhǎng)牙兔、棕毛兔等。學(xué)生設(shè)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(jìn)化情況各不相同，有利于直觀感知生物的進(jìn)化過(guò)程及影響因素，從而構(gòu)建相關(guān)概念。生物進(jìn)化過(guò)程往往較為漫長(zhǎng)，不易觀察。PhET可以在較短時(shí)間內(nèi)模擬兔子種群的進(jìn)化過(guò)程，并且支持用戶設(shè)置環(huán)境壓力、相對(duì)性狀等參數(shù)，還可以生成某一個(gè)體的遺傳系譜圖。本課教學(xué)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(lái)越多。學(xué)生觀看視頻，直觀地發(fā)現(xiàn)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(dǎo)下，學(xué)生認(rèn)識(shí)到進(jìn)化發(fā)生的前提是出現(xiàn)可遺傳的變異，由此驗(yàn)證了達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說(shuō)，也運(yùn)用所學(xué)的變異知識(shí)完善了自然選擇學(xué)說(shuō)。達(dá)爾文從個(gè)體和性狀水平解釋進(jìn)化，其現(xiàn)象與學(xué)生的日常感知非常契合，易于理解。教師要引導(dǎo)學(xué)生從種群和基因的角度看待進(jìn)化現(xiàn)象具有困難，是學(xué)生的認(rèn)知難點(diǎn)。筆者利用PhET模擬生物進(jìn)化過(guò)程，讓學(xué)生直觀感受群體在發(fā)生變化，且個(gè)體的性狀會(huì)隨個(gè)體死亡而消失，并且用PhET的系譜圖讓學(xué)生看到某一個(gè)體及親屬的基因型，了解某一基因在種群中的傳遞過(guò)程。這樣，學(xué)生就容易理解為什么進(jìn)化的單位不是個(gè)體而是種群，生物的進(jìn)化不應(yīng)只關(guān)注性狀水平，而要從基因?qū)用嫒ネ诰蚱浔举|(zhì)。學(xué)生有了這樣的認(rèn)識(shí)，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(jì)算效率本節(jié)課教學(xué)中，學(xué)生需要計(jì)算兔子自由交配和自然條件下的子代基因頻率，而要驗(yàn)證基因頻率的變化規(guī)律則需要計(jì)算種群多年的基因頻率。這一過(guò)程重復(fù)性高，且計(jì)算量較大，學(xué)生如果用紙筆計(jì)算會(huì)占用大量時(shí)間，降低課堂學(xué)習(xí)效率。Excel是一款常見的數(shù)據(jù)處理辦公軟件，學(xué)生用它可以快速計(jì)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(dǎo)學(xué)生思考用Excel計(jì)算，并對(duì)計(jì)算方法與結(jié)果進(jìn)行討論。學(xué)生在Excel的輔助下，很快計(jì)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(xué)生非常驚喜，他們感受到了技術(shù)為科學(xué)研究帶來(lái)的便利。本節(jié)課，學(xué)生用Excel對(duì)種群多年基因頻率進(jìn)行計(jì)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(yùn)用技術(shù)工具解決科學(xué)研究中的實(shí)際問(wèn)題。三、素養(yǎng)為本，技術(shù)為用，注重實(shí)效數(shù)字技術(shù)已越來(lái)越多地被應(yīng)用到教學(xué)中，其在教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)也越來(lái)越多地表現(xiàn)出來(lái)，如將抽象問(wèn)題具體化、將教學(xué)過(guò)程數(shù)據(jù)化、增強(qiáng)師生與生生的互動(dòng)性等。與此同時(shí)，如何合理地應(yīng)用數(shù)字技術(shù)成為新課題。筆者認(rèn)為，數(shù)字技術(shù)始終是教學(xué)輔助工具，應(yīng)為教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成服務(wù)。在“種群基因組成的變化”的教學(xué)中，筆者帶領(lǐng)學(xué)生構(gòu)建進(jìn)化的原材料、單位、方向、實(shí)質(zhì)等生物學(xué)概念，進(jìn)而形成生命觀念。在構(gòu)建概念的過(guò)程中，筆者利用PhET和Excel等技術(shù)工具幫助學(xué)生直觀地感受生物進(jìn)化過(guò)程，讓學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)從個(gè)體、性狀角度看待進(jìn)化學(xué)說(shuō)的不足與局限，從而突破認(rèn)知難點(diǎn)，達(dá)成目標(biāo)。