用自制程序模拟保护色的形成过程_税玉仙.pdf

用自制程序模拟保护色的形成过程税玉仙1邓强1唐钢2(1 四川省泸州老窖天府中学泸州646000;2 四川省资中县第二中学内江641200)摘要通过使用自主设计的程序，更为高效、科学和环保地模拟保护色的形成过程，使学生理解生物进化的原因，形成进化、适应的生命观念。关键词自制程序JavaScript生物进化自然选择义务教育生物学课程标准(2022 年版)中指出:生命的起源和生物的进化是生物科学研究的重要领域，以自然选择学说为核心的生物进化理论解释了生物多样性的原因1。人教版初中生物学教材八年级(上)第 3 章第 3 节“生物进化的原因”，要求学生形成“生物的遗传变异和环境因素共同导致生物的进化”的重要概念。通过“模拟保护色的形成过程”实验，让学生能更直观地认识和感受生物进化的过程及原因，形成正确的进化观。1程序设计的背景和思路在教学实践过程中，笔者发现原实验中存在着某些不足:材料准备较难:每组需准备一张彩色大纸和数百张小纸片，考虑到这是一个分组实验，要满足全班的实验需求，教师需准备几千张纸片，还要负责器材的分发和回收;展示较难:纸片只能放在桌上，不能挂在墙上，这就意味着教师的演示和学生的成果展示都很困难;计数较难:该实验对于计数的要求极高，一旦出错就会影响到后续的实验;情况不符:教材原文“假设每个幸存者都能产生 3 个后代，并且体色与自己相同”，这也就意味着在淘汰的过程中，只考虑遗传现象而不考虑变异现象，显然与实际的情况有些不符。不少教师也尝试着对该实验进行改进，但大多数教师的改进思路为优化实验器材，如把纸片替换成磁吸片、用黑板模拟草地等2。这些改进可以解决原实验展示难的问题，但无法解决实验统计难的问题。也有教师尝试使用 Scratch 软件开发模拟实验3，来解决实验数据统计困难的痛点。但在实验过程中无法加入变异现象，也就无法较好地呈现生物多样性。另外，使用该软件也需要安装应用程序，推广性不强。笔者使用 JavaScript、Html 语言开发了一个网页程序，能一定程度上解决原实验的不足。师生可以利用电脑、触摸屏电视、平板电脑或手机访问，无需安装即可进行模拟实验。使用本程序能减少实验的时间和物质投入成本，实验现象明显，可以生成统计表，方便实验成果的展示和分享，在实验过程中可加入变异现象，能高效、科学和环保地模拟保护色的形成过程，让学生更容易理解生物进化的原因与概念。2程序简介访问网站:http:/1914 sczzez com/shuiyuxian。图1 是本程序的使用界面，区域 1 用于设置生物的变异体色和数量;区域 2 用于设置自然环境的颜色;区域 3可实时显示当前剩余个体总数;区域 4 显示生物生活的自然环境;区域 5 是淘汰情况统计表。同时，程序页面也添加了“开始本轮淘汰”“结束本轮淘汰”“清空统计记录表”和“全部重置”等功能按钮。还附有操作指引，保证第一次使用程序的师生都可以快速地上手(电子资源)。3程序使用方法3 1选择自然环境的颜色本程序提供了红、黄、绿、蓝、灰 5 种色系，每种色系都有 7 个渐变色，共有 35 种颜色(参考图 1 区域 1)，模拟生态系统的多样性。现选择 19 号色作为自然环境的颜色，模拟草地。上，不同的环节以问题串的形式、以合适的设问引导学生自发地探索。在新课标的背景下，本节课可以更好地提升学生的知识迁移能力、实验操作能力，强化学生的科学思维。实验的不可控因素较多，实验探究课需要在课前做好充分准备，做好预实验，保证课程的顺利开展。为保证细胞质流动现象便于观察，实验探究在实验材料上选择了黑藻顶端的嫩叶，并引导学生先寻找黑藻叶片的叶脉，观察叶脉周围的细胞。同时，温度和光照对细胞质流动有很大的影响，在实验前提前在 25的光照培养箱中进行了培养，保证细胞质流动活性。在教学过程中，教师也对学生进行了及时的指导。虽然由于时间有限，光照、温度、能量对细胞质流动的影响，不能在课上进行探究，但是探究的方法是相同的，因而有兴趣的学生可在课外进一步对植物细胞生命活动影响因素进行探究。主要参考文献1 赵云龙，周忠良 普通高中教科书 生物学必修 1分子与细胞 M 上海:上海科技出版社，20212 中华人民共和国教育部 普通高中生物学课程标准(2017 年版)M 北京:人民教育出版社，2018 65生物学教学2023 年(第 48 卷)第 5 期图 1“模拟保护色的形成过程”程序的界面3 2设置生物的变异体色并输入数量同样有红、黄、绿、蓝、灰 5 种色系，共 35 种颜色。现选择 3 号色、10 号色、17 号色、24 号色 4 种颜色，模拟小虫的 4种变异体色，数量均为 20，共有 80 只小虫(参考图 1区域 2)。3 3点击“开始淘汰”按钮共有 80 只小虫会随机分布到草地上，用圆点模拟小虫。3 4模拟“捕食者”捕食“猎物”单击草地中的任意圆点即可实现，将 80 只小虫淘汰至 20 只(参考图 1 区域 4)。3 5当剩余个体总数为 20 时点击“结束本轮淘汰”，程序下方会自动生成统计表。统计表可以显示每一轮淘汰的情况，包括自然环境的颜色、小虫的变异色、每轮淘汰前后小虫的开始数和幸存数。图 1 区域 5 展示的是淘汰的情况:例如，自然环境颜色为 19 号色，小虫共有 4 种变异体色，3 号色小虫淘汰前的数量为 20，淘汰后的幸存数量为 1;10 号色小虫淘汰前的数量为 20，淘汰后的幸存数量为 2;17号色小虫淘汰前的数量为 20，淘汰后的幸存数量为13;24 号色小虫淘汰前的数量为 20，淘汰后的幸存数量为 4。3 6重复以上 15 过程继续下一轮淘汰，每轮淘汰均增加变异色，直至实验出现明显现象。原实验的设定:“每个幸存者都能产生 3 个后代，并且体色与自己相同”。更改为“假设每个幸存者都能产生 3 个后代，有三分之一的后代能产生新体色的变异，三分之二的后代遗传自己的体色”。因为，生物在进化过程中既会出现遗传现象，也会出现变异。此时，应提醒学生，变异的随机性、不定向性以及概率低。最终的实验结果:此时环境色为 19 号色，共有 20只小虫。图片中颜色较深的圆点是 17 号色的小虫，有2 只;颜色较浅的是18 号色小虫，有7 只;还有11 只19号色个体，因体色与环境色相同，完全被隐藏起来了。因而很难捕食到 19 号色的个体，学生就能认同 19 号色是有利变异，起到了保护色的保护作用(参考图 1 区域 4)。如果此时将背景色从 19 号色改为 17 号色，学生会发现原本最醒目的 17 号色个体现在全部被隐藏起来了，19 号色个体反而最明显。通过这样的设计能够让学生明白，适者(有利变异)生存，不适者(不利变异)淘汰的背后，是自然环境决定变异的有利或不利，自然环境的颜色，决定了生物保护色的颜色。以下是每轮淘汰的统计表(图 2)。图 2各轮淘汰的统计实验结束后，学生就能切身体会到，小虫的体色是如何越来越接近环境色的。学生也能够认同保护色的形成是经历了许多代的选择，是有利变异逐渐积累的结果。从而理解生物进化的原因:生物的遗传、变异以及环境因素的共同作用，导致生物产生包括保护色在内的各种适应性特征，这些特征的形成过程就是生物的进化过程。电子资源主要参考文献1 中华人民共和国教育部 义务教育生物学课程标准(2022 年版)M 北京:北京师范大学出版社，20222 何腊艳 模拟保护色的形成过程实验的改进J 实验教学与仪器，2019，36(10):29303 叶培毅 Scratch 创意编程在生物学模拟实验中的运用 以“模拟保护色的形成过程”为例J 新课程，2021(14):2627 75生物学教学2023 年(第 48 卷)第 5 期