技术支持下构建生物学概念的教学探究

赵峥 李霞

生命观念是生物学核心素养之一。教师引导学生建立正确的生命观念，有利于他们成长、发展，提升核心素养[1]。构建大概念、重要概念对生命观念的建立起重要作用。教师运用典型事实、实验、科学史，以及图片、视频等，引导学生推理、探究是构建概念的主要方式。但是基于某些证据进行推理分析较抽象，不易被学生理解。如何帮助学生更好地理解、推理分析得出结论呢？教师借助信息技术搭建平台，创设情境，深层互动（包括人机互动、师生互动、生生互动），激发学生的兴趣和创新活力，发挥学生的学习主体作用，能够帮助学生分析、理解概念，更好地实现因材施教。笔者以“种群基因组成的变化”为例，介绍合理运用虚拟仿真平台PhET和Excel等技术手段创设情境、测算种群基因频率变化，进行图表转换，引导突破学生认知难点，有效构建生物学概念并深化理解，进而建立生物进化观这一重要观念。

一、创设情境，虚拟演示，理解概念

为了引导学生探究“种群基因组成变化”，笔者结合实际优化概念教学的设计与实施。

（一）教学内容分析

本节课的内容是从基因角度看待生物进化问题，是对达尔文自然选择学说的丰富与完善。达尔文的自然选择学说可以解释生物进化现象。但该学说也存在局限性，如将个体视为进化的单位，缺乏对遗传与变异本质的解释等。“生物进化的本质是种群的基因频率遵循自然选择的方向发生的定向改变”是本节课要构建的概念。它很抽象不易理解，教师需要引导学生从种群、基因的角度看待进化现象。笔者播放兔子种群进化视频，以此为情境，从自然选择学说出发，结合学生已有的遗传学知识，引导观察，并运用Excel突破难点，构建概念。

（二）主要教学环节及问题设计

笔者借助实验虚拟仿真平台PhET创设兔子种群在不同环境中的进化情境，设置问题引导学生围绕这一过程进行思考与讨论，从而逐步从种群和基因频率的角度看待生物进化现象。教学流程及问题设计如图1所示。

（三）教学过程

1.问题导入，明确主题

笔者引导学生回忆达尔文自然选择学说的主要内容，让他们思考自然选择学说的局限，从而激发学生的求知欲，明确主题。

2.自制模拟视频创设情境，激发学生探索欲望，总结生物进化的原材料

笔者借助虚拟仿真平台PhET录制两段视频，起始阶段兔子皮毛均为白色。第一段视频中兔子种群在沙地环境中逐渐进化，棕色皮毛的兔子个体所占比例逐渐增大，白毛兔子逐渐减少；第二段视频中兔子因未设置棕毛兔的突变体，故该种群一直全为白毛兔。两段视频能够直观反映兔子种群的变化（扫码看视频），将学生引入情境，有效激发了学生兴趣和欲望。笔者引导学生思考两段视频中的兔子是否发生了进化。学生以自然选择学说为基础，从性状水平判断第二段视频中的兔子并未进化。笔者提问引导学生分析其未进化的原因，并运用变异知识总结生物进化的原材料。

3.虚拟演示并提问，引发思考，分析生物进化的单位

课堂上，笔者使用PhET演示白毛兔在雪地中的进化过程。在雪地中，白毛兔为了生存与繁衍，虽然出现过棕毛兔的突变体，但由于不适合环境被淘汰掉，最后种群中还是仅存在白毛兔。“这一过程中兔子是否发生了进化？”学生对此存在争议。笔者引导学生思考以什么标准判断生物是否进化，以及进化的单位是个体还是种群。经过思考，有学生发现个体会死亡，但其携带的基因仍会在群体中保存与传递，故进化的单位应为种群。判断有无进化不应仅以性状水平的变化为依据，而要从基因的角度去衡量。学生学会从基因角度思考进化问题。

4.虚拟演示分析，揭示进化本质，从基因层面理解进化

“如何从基因的角度描述生物的进化现象呢？”学生陷入沉思。笔者点击刚才模拟进化中的兔子个体，显示其遗传系谱图。学生观察系谱图后发现，虽然该种群全为白毛兔，但是某些个体的基因型中含有棕毛基因。性状水平棕毛兔个体数量的变化其本质应是棕毛基因在种群中所占比例的变化，这就从基因层面解释了生物的进化现象。笔者顺势讲解基因频率与基因库的概念，并以该兔子种群为例进行相关计算，帮助学生加深对概念的理解。

学生掌握了基因频率的计算方法后，笔者布置任务：计算该种群自由交配产生的后代中，A、a的基因频率。学生计算后发现种群的基因频率在亲子代间并未发生改变，与模拟情境中的情况不符。笔者针对这一矛盾提问：为何兔子种群亲子代间基因频率没有改变，与模拟的情境有何差异？学生发现，模拟过程中棕毛兔和白毛兔的生存压力不同，繁衍后代的机会也不同，个体并非自由交配。笔者追问：保持基因频率不变，需满足哪些条件？学生交流与讨论，总结出遗传平衡定律的5个条件。

5.利用技术工具，统计分析数据，明确进化方向，深入理解概念

遗传平衡的5个条件在自然条件下无法全部满足，因此基因频率一定会发生变化。它是如何变化的呢？变异是不定向的，基因频率的变化是否具有趋向呢？学生表示会定向发生改变，并且是朝着适应环境的方向改变。如何验证这一推测呢？笔者继续以兔子种群为例布置任务：假设该兔子种群中棕毛兔每年个体数增加10%，白毛兔每年减少10%，请计算1年后该种群中A、a的基因频率（初始基因型频率：AA，70%；Aa，20%；aa，10%）。学生通过探究进一步熟悉基因频率与基因型频率的计算，加深对概念的理解并训练相关科学思维。只有1年的数据还无法看出基因频率变化的规律。“运用怎样的技术手段，可以快速计算出多年后种群的基因频率呢？”有学生提出可以利用Excel编辑公式计算出多年后种群的基因频率。经过讨论，学生在教师的启发下运用Excel编辑公式，快速完成了计算，并将多年的基因频率绘制成曲线图，直观地反映出基因频率的变化规律。

小结归纳：学生绘制基因频率的变化规律曲线验证了猜想，种群基因频率会朝着自然选择的方向发生定向改变。“生物进化的实质是什么？或者说判断种群进化与否的标准是什么呢？”学生回答：种群基因频率的改变。学生对进化的认识已经从性状水平深入到基因层面。

（四）各环节中数字资源与技术的选择

笔者在教学的不同环节，根据实际需要，选用相关的数字资源和数字技术（见表1）。

二、构建概念，直观计算，应用提升

为引导学生理解并构建“生物进化的本质是种群的基因频率遵循自然选择的方向发生的定向改变”的概念，笔者发挥PhET的推演功能和Excel的计算功能，让学生在研究和计算中，在应用知识的过程中构建概念并深化理解。

（一）借助PhET突破教学难点

PhET由诺贝尔物理学奖得主卡尔·威曼于2000年发起[2]，目前针对数学、化学、生物学、地理等学科已开发虚拟仿真项目共158个，有网页版和移动版（App）。教师可利用PhET将抽象的微观过程直观展示给学生，如将神经元膜上的转运蛋白及钾、钠离子进出细胞的过程以动画的形式呈现。此外，PhET支持操作者探究，教师和学生可以调节设置相关参数，获得不同的实验结果。在“自然选择”的仿真项目中，笔者更改环境条件，环境选择沙地或冰面、食物设定充足或有限、假定有无天敌等，同时设置种群中出现的突变体类型，如长牙兔、棕毛兔等。学生设置不同性状的兔子种群及不同的生存环境，使得兔子的进化情况各不相同，有利于直观感知生物的进化过程及影响因素，从而构建相关概念。

生物进化过程往往较为漫长，不易观察。PhET可以在较短时间内模拟兔子种群的进化过程，并且支持用户设置环境压力、相对性状等参数，还可以生成某一个体的遗传系谱图。本课教学中，笔者播放了用PhET录制的两段视频：没有发生变异的兔子种群自始至终全为白毛兔，而具有突变体的兔子种群在自然选择的作用下棕毛兔越来越多。学生观看视频，直观地发现两段视频中的兔子种群发生了不同的变化。在笔者的引导下，学生认识到进化发生的前提是出现可遗传的变异，由此验证了达尔文的自然选择学说，也运用所学的变异知识完善了自然选择学说。

达尔文从个体和性状水平解释进化，其现象与学生的日常感知非常契合，易于理解。教师要引导学生从种群和基因的角度看待进化现象具有困难，是学生的认知难点。笔者利用PhET模拟生物进化过程，让学生直观感受群体在发生变化，且个体的性状会随个体死亡而消失，并且用PhET的系谱图让学生看到某一个体及亲属的基因型，了解某一基因在种群中的传递过程。这样，学生就容易理解为什么进化的单位不是个体而是种群，生物的进化不应只关注性状水平，而要从基因层面去挖掘其本质。学生有了这样的认识，也就理解了基因频率这一概念的重要意义。

（二）利用Excel提高计算效率

本节课教学中，学生需要计算兔子自由交配和自然条件下的子代基因频率，而要验证基因频率的变化规律则需要计算种群多年的基因频率。这一过程重复性高，且计算量较大，学生如果用纸笔计算会占用大量时间，降低课堂学习效率。Excel是一款常见的数据处理办公软件，学生用它可以快速计算多代后的基因频率，并绘制基因频率的变化曲线，直观反映变化规律。课上，笔者引导学生思考用Excel计算，并对计算方法与结果进行讨论。学生在Excel的辅助下，很快计算出了多年后的基因频率，并得到了变化曲线（如图2）。这让全班学生非常惊喜，他们感受到了技术为科学研究带来的便利。本节课，学生用Excel对种群多年基因频率进行计算既有利于他们直观感受基因频率的变化规律，又有利于他们今后运用技术工具解决科学研究中的实际问题。

三、素养为本，技术为用，注重实效

数字技术已越来越多地被应用到教学中，其在教学中的应用优势也越来越多地表现出来，如将抽象问题具体化、将教学过程数据化、增强师生与生生的互动性等。与此同时，如何合理地应用数字技术成为新课题。

笔者认为，数字技术始终是教学辅助工具，应为教学目标的达成服务。在“种群基因组成的变化”的教学中，笔者带领学生构建进化的原材料、单位、方向、实质等生物学概念，进而形成生命观念。在构建概念的过程中，笔者利用PhET和Excel等技术工具帮助学生直观地感受生物进化过程，让学生自主发现从个体、性状角度看待进化学说的不足与局限，从而突破认知难点，达成目标。

PhET和Excel等技术工具还可以应用于生物学其他概念的教学中。例如：教师可利用PhET创设情境，模拟动作电位的产生、基因的表达等，引导学生构建概念；在“种群数量变化”的教学中，可以应用Excel统计细菌或酵母菌数目，生成种群变化曲线；在“植物生长调节剂对植物根或芽等影响”的实验中，用Exce统计根、芽的生长长度，计算增长率，进而得出生长素的作用特点；等等。教师应该精心地开发资源，将技术与教学有效结合，提高教学实效性。

注：本文系国家新闻出版署出版融合发展（人教社）重点实验室、人教数字教育研究院2022年重点课题“基于数字资源与技术的生物学科教学创新实践研究”（课题编号：RJA0222002）的阶段性成果。

参考文献

[1] 谭永平.发展学科核心素养：为何及如何建立生命观念[J].生物学教学，2017（10）：7-10.

[2] 陈江涛，计晗芬.互动学习工具PhET发展综述[J].软件导刊，2015（7）：18-20.

（作者赵峥系北京市第五十中学教师；李霞系北京市东城区教师研修中心教研员）

责任编辑：祝元志