美国中学生物教材中“种群变异实验”的探讨

章君果　邓嫦圆

美国、加拿大等国家中学生物教材中设置了丰富的学生实验，不仅实验内容全面，而且实验类型也呈现多样化，包括调查实验、数据分析实验、思想实验、微实验和实验设计等类型。Miller和Levine编著的美国《生物学》教材实验手册中有进化相关内容的调查实验，一方面填补了国内教材关于进化实验的空白，另一方面为教学提供了一些新的思路。

1 实验内容介绍

Miller和Levine编著的美国《生物学》教材实验手册中设置了一个关于变异的调查实验：“种群的变异”。

1.1 实验前讨论

一个物种的不同个体不可能完全相同，所有的植物和动物都会发生变异，有些变异可以通过繁殖遗传给后代。许多可遗传变异是中性的，不会影响生物的生存；有一些可遗传变异是有利的，有利的可遗传变异就是对环境的适应；有害的可遗传变异会削弱生物对环境的适应。适应环境的生物会获得更多繁殖机会将有利性状遗传给后代；具有有害性状的生物将会相继淘汰；这个过程被称为适者生存。调查中，你将观察两种不同类型植物及教室里不同人的变异。

1.2 实验问题

整个调查实验围绕着一个主题：植物和动物种群中变异是如何测定的？

1.3 实验材料

10颗白色的菜豆、10片枫叶、公制尺、3支彩色铅笔。

1.4 测量过程

植物的变异的测量：

（1） 给每个小组分发10颗菜豆和10片枫叶。

（2） 以毫米为单位测量每枚菜豆、每片枫叶叶片和叶柄的长度。根据图1所示确定叶片和叶柄，将测量结果记录在表1中。

（3） 汇总每个小组的测量结果，并全班共享、利用这些数据统计菜豆、枫叶叶片及叶柄的长度，将长度按从小到大的顺序排列，并统计每一长度值的数据个数，填入表2。

（4） 利用表2的数据，绘制以长度为横坐标，个数为纵坐标的曲线图。枫叶叶片和叶柄长度的曲线图可以绘制在同一坐标中，注意使用不同颜色的铅笔绘制每一组数据，并确保包含每个图的关键部分。

教室里不同人的变异的测量：

（1） 测量自己的手跨度时，应该从拇指顶端到小指的前端，如图2所示。对测量结果四舍五入精确到厘米，将测量结果记录在黑板上共享。

（2） 将所有学生的数据进行统计，将统计结果填写在表格3中，根据表格3的数据绘制曲线图。

对测量的数据进行统计和绘制曲线图以后，对数据进行观察。

1.5 分析和总结

（1） 变异是指什么？

（2） 菜豆、枫叶叶片和叶柄长度主要集中在什么范围？

（3） 菜豆、枫叶叶片和叶柄长度在什么范围内集中最少？

（4） 每一条曲线的一般形态是什么？

（5） 从菜豆、枫叶叶片和叶柄长度曲线图的形态得出什么结论？

（6） 从菜豆、枫叶叶片和叶柄上能够观察到的另外两种变异吗？

（7） 班级所有学生的手跨度相同吗？

（8） 最常见的手跨度是多少？最少见的是多少？

（9） 曲线，大致呈现什么形态？从班级学生的手跨度呈现的曲线形态，可以得出什么结论？

答案：（1） 同一物种在外观上显示出来的微小差异；

（2） 大部分样品的长度都集中的在中间范围；

（3） 样品最少集中在整个长度范围的极值；

（4） 每个曲线图应该是倒置U型；

（5） 由曲线图形态表明，尽管长度在发生变化，但是主要还是集中在平均值附近，两端的极端值很少；

（6） 这个问题答案不唯一，可以是宽度、厚度、叶柄直径和颜色等；

（7） 不同，有各种长度；

（8） 根据不同人群测量结果会有差异，一般也是集中在平均值附近，最少见的也是两端的极值；

（9） 曲线大致形态也是呈现倒置U型，根据具体曲线图可以分析曲线的变化趋势、变化程度等。

1.6 批判性思维和应用

（1） 为什么豆荚里种子多比种子少的更有利于对环境的适应？

（2） 为什么对沙漠仙人掌植物来说短根系是一种不利的适应？

（3） 为什么北极地区的动物白色的皮毛对其在冬天里的适应是有利的？

（4） 举出两例手跨度大的有利之处。

答案：（1） 豆荚里种子多，能发芽并长成新的植株的概率就高，这体现出对环境的适应就更有利；（2） 仙人掌如果具有短根系就会很难获得水分，这样在沙漠里很难生存。（3） 白色皮毛与周围的环境比较相似，这有利于其躲避天敌；（4） 答案是多样的，包括乐器演奏、增强运动能力、承载更大负荷及提升生存能力等。

1.7 拓展

调查其他植物的变异，模仿这个实验中的测量，并对结果和图表数据分析。你认为所有同一物种的不同个体在所有性状上都存在变异吗？为什么？

2 对实验的几点探讨

（1） 该实验的模式是生物学实验发展的重要趋势，值得借鉴。该实验概括起来主要包括三方面：“数据采集与处理”“数据分析与总结”和“数据应用与延伸”。“数据采集及处理”主要包含了“实验前讨论”“实验问题”“实验材料”“操作过程”和“观察”等内容，目的是获得实验数据。“数据分析与总结”主要是设置一系列问题，问题可以包括概念性问题、描述性问题、总结性问题和解释性问题。“数据的应用与延伸”主要是运用批判性思维对一些问题进行探讨、联系和解释。借鉴这种实验，对国内教材进行实验化转变，将会是一种有益的尝试。对于容易操作的实验，教师可以让学生自己去操作并获得实验数据；有些数据获取过程比较复杂，可以侧重对数据进行分析和应用。这种转变对学生在知识理解和能力培养上都会有促进作用，值得在教学中去尝试。

（2） 该实验侧重于测量和对数据的处理，整个实验对学生的能力要求具体包括：测量、统计、绘图、观察、阐述、总结、比较、解释和联系等。学生通过测量、统计、绘图和观察等方式参与到整个实验中，充分调动了学生的积极性。实验中解决一系列具有一定关联性或者围绕某一主题的问题，锻炼学生的阐述、总结、比较、解释和联系等能力。从实验操作性和学生思维培养的角度，值得借鉴。当然，该实验在问题设置方面有一些值得商榷的地方，实验中设置的问题之间的逻辑性不强，“分析和总结模块”设置的问题之间没有太大逻辑，“批判性思维和应用”模块设置的问题与该实验本身关系不强。这个实验是一个侧重测量和对数据进行处理的实验，是否可以多设置一些关于测量或者数据统计、绘图等方面的问题？问题是思维的源泉，如何设置具有关联性的问题层层递进？如何将实验教学与知识内容有效结合，既符合学生思维发展的要求，又体现知识和现实联系的新课程理念？

（3） 该实验利用的材料非常容易获取，实验过程的操作也非常简便，这一点值得借鉴。该实验涉及到数据统计，强调学生对数据共享，从而得到更加客观的数据，共享精神也是实验中需要向学生渗透的。

（4） 实验中也存在一些疑问，值得探讨：① 在选择植物材料时，没有明确是否可以是同一个体，也没有明确叶片的发育程度，如果是同一个体的差异或者是发育程度不同导致的差异，这些差异是否是一种变异有待商榷。② 在对植物测量时没有明确精确的要求，而对手跨度测量时，明确要求四舍五入精确到厘米，所以手跨度在表3中设置的数值是一系列整数。在实际操作中学生会得到各种不同精确要求的数值，导致得到长度的数据非常多，这一点让实验者产生困惑。③ 实验中有些细节没有向学生说明，如实验中没有明确菜豆长度如何测量；手跨度测量时没有强调是测量左手还是右手，还是随机选择；在绘制曲线图时枫叶叶片和叶柄长度画在同一坐标系中，为什么这两条曲线可以画在同一坐标系中，是因为来自同一器官的原因吗？如果枫叶叶片和叶柄的数据差异很大是否还可以画在同一坐标系呢？这些问题都需要向学生说明。从学生的思维角度设置相关内容也值得思考和探讨。