Урок по общей биологии в 11-м классе "Естественный отбор"

К моменту изучения в 11 классе естественного отбора в теме «Эволюционное учение» у учащихся в основном сформировано одно из общебиологических понятий о движущих силах эволюции. Учащимся известны взгляды ученых на эволюцию, учение Ч.Дарвина, доказательства эволюции, поэтому урок систематизации знаний о движущих силах эволюции, о естественном отборе необходимо провести с максимально активным участием учеников. Такой формой урока может стать моделирование.
Моделирование способствует углублению знаний об объективном мире, делает доступным для понимания и наглядными многие сложные понятия. Моделирование, проводимое в процессе обучения, развивает способности учащихся, углубляет знания основ наук, формирует практические навыки.
По способу построения все модели, применяемые при обучении, делят на действующие, материальные и идеальные. На данном уроке моделирование служит средством открытия новых закономерностей, являясь при этом источником информации. Этой цели отвечает материальная модель, построенная по идеи американского ученого Бернарда Небела, описанная им в книге «Наука об окружающей среде», том 2.

По полученным в процессе моделирования результатам учащиеся строят графики колебания численности «хищников» и «жертв» в четырех поколениях. Для ускорения этого этапа работы применяется программа, созданная на языке программирования Delphi (автор Сыромолотова Д.В.)
Результаты всех групп вносятся в сводную таблицу (Приложение 1). На основе внесенных в таблицу данных, программа вычерчивает графики, к обсуждению которых привлекаются ученики. Формулируются выводы.
Моделирование усиливает эффективность данного урока, ученики, моделируя естественный отбор, понимают его.

Методика моделирования:

Класс заранее делится на группы по четыре человека. Трое участников группы – с ложкой, ножом и вилкой – представляют популяцию хищников. Их «орудия труда» – генетические варианты ее особей.
Популяции жертв представлены семенами и макаронными изделиями по 50 штук разного вида. Семена разных типов соответствуют их генетическим вариантам.
«Охота» продолжается в течение 40 минут. За это время должно быть собрано около половины всех семян. Если такой срок слишком мал или велик, нужно изменить время и повторить «охоту».
После первой «охоты» оставшиеся на поле «жертвы» размножаются, то есть число их удваивается.
«Хищники» размножаются при условии, если они захватили больше 40 жертв, при этом появляются особи следующих поколений. При неудачной охоте (20–40 жертв) «хищник» остается жить, но не размножается, если же добыча его составляет меньше 20 «жертв», то он умирает от голода.

Задачи:

• Показать заслугу Ч. Дарвина перед наукой – открытие принципа естественного отбора как важнейшего фактора эволюции; роль исторического метода исследования, введенного Ч. Дарвином.
• Убедить школьников в том, что естественный отбор является основной движущей силой эволюционного процесса.
• Научить школьников использовать логику науки при обсуждении эволюционных идей.

Оборудование (на каждую группу):

•  «хищники» – пластмассовые нож, вилка, ложка;
• «желудки хищников» – пластмассовые стаканчики;
• «жертвы» – семена, плоды, макаронные изделия – 5 разных видов по 50 штук;
• «места обитания» – листы белой и пестрой бумаги;
• ПК с установленными программами (PowerPoint, Project1), мультимедийный проектор, экран.

ХОД УРОКА

Актуализация знаний поводится по логической структуре теории Дарвина, составленной на основе анализа его работ. Продумайте ответы на следующие вопросы:

• Как проявляется в процессе эволюции диалектический закон единства и борьбы противоположностей? Сколько пар противоположностей (каких) действует в эволюционном процессе? Каковы механизмы разрешения диалектических противоречий?
• Какие изменения (см. схему) должны произойти, если исходные положения мысленно устранять или менять на противоположные (изобразите несколько вариантов таких преобразований: однородность и неограченность пространства, пригодного для жизни; стабильность численности потомства или его самопроизвольное уменьшение, отсутствие наследственности/изменчивости)?
• По логической схеме теории Дарвина дать определения понятий, составляющих ее содержание;
• Сравнить структуры и системы понятий учений Ламарка и Дарвина. Оставляет ли теория Дарвина какое-либо место для вмешательства в эволюционный процесс сверхъестественных сил? По рисунку объяснить возникновение длинной шеи жирафа по Ламарку и Дарвину. Какое из этих объяснений допускает экспериментальную проверку?

Анализ ответов на последний вопрос позволяет перейти к следующему этапу урока.
Нашествия полевок, мышей, саранчи известны человечеству с библейских времен. Еще Аристотель оставил описание «расцвета и падения» мышиной популяции. Он отмечал, что нашествие грызунов было бедствием, сравнимым с чумой. Они чудовищно размножились, уничтожили урожай и свою собственную «пищевую базу» и в конце концов исчезли, как сквозь землю провалились. В Древней Руси годы массового размножения грызунов назывались годами «мышиной напасти, о них даже упоминается в летописях».
У быстроразмножающихся видов наблюдается периодическое чередование подъемов и спадов численности – популяционные волны.
Анализ динамики численности зайцев и хищников показывает, что циклы их длятся обычно 4 года и находятся в сложных взаимоотношениях. Мы смоделируем изменения, происходящие в популяциях хищников и жертв, на основании полученных результатов сделаем выводы о том, как хищничество вызывает приспособления в популяциях жертв и хищников.

Каждая группа получает инструкцию:

• Распределите роли: «хищники» – нож, вилка, ложка «хранитель времени»;

Таблица 1. Распределение ролей «жертв» при моделировании

Таблица 2. Распределение ролей «хищников» при моделировании

• Рассыпьте семена на коврике, приготовьте стаканчики («желудки»). По сигналу «хищники» ловят «жертв», подхватив семечко с ковра, и переносят добычу в свой стаканчик.
• Через 40 минут «хранитель времени» прекращает эксперимент с первым поколением. Сосчитайте оставшиеся семена, результаты внесите в таблицу отчетного листа.

Таблица 3. Отчетный лист

• Второе поколение: пересчитать выживших «жертв», воспроизвести их популяции удвоением числа каждого вида. Снова рассыпать семена по коврику, провести охоту «хищников».
• Каждый «хищник» пересчитывает свою добычу, то есть число собранных семян. Тот, у кого их меньше 20, обречен на голодную смерть и выбывает из игры. При 40 и более собранных «жертвах» «хищник размножается», при этом добавляется еще один игрок с таким же генотипом. Результаты занести в таблицу.
• По результатам охоты «хищников» выстраивается судьба III и IV поколений. Все полученные результаты вносятся в таблицу.
• Полученные результаты внести в программу и проанализировать графики.

Процесс моделирования заканчивается выявлением общих закономерностей внутри- и межвидовой борьбы. Обмен мнениями происходит сначала в группах, а затем происходит общее обсуждение по отчетным листам и графикам. Каждая группа готовит информацию об охоте «хищников» по следующим вопросам:

• Игра началась при одинаковом числе особей каждого варианта «жертвы». Особей какого варианта (генотипа) осталось больше, меньше, практически не изменилось, какие варианты исчезли?
• Игра началась при одинаковом числе особей каждого варианта «хищника». Как изменилась численность особей каждого варианта (генотипа): осталось больше, меньше, практически не изменилось, какие варианты исчезли?
• Почему произошли изменения в популяциях «жертв» и «хищников»? укажите ограничивающий фактор для каждой группы популяций.
• Как хищничество регулирует численность популяций «жертв»? зависит ли успешность охоты «хищника» от плотности популяций «жертв»?
• Какое влияние оказывает наличие убежищ (складок, неконтрастных участков коврика) на плотность популяции?
• Что оказалось выше: рождаемость или гибель «жертв»?
• За какие ресурсы велась внутривидовая борьба среди «жертв»?
• Каким образом особи «жертв» снижали конкуренцию между собой?
• За какие ресурсы велась внутривидовая борьба среди «хищников»?
• Каков результат конкуренции популяций разных видов «хищников» за один ресурс?
• Какие варианты специализации «хищников» вы наблюдали?

Моделирование и анализ модели (таблица 4) позволяют выявить взаимоотношения трех популяций «хищников» и пяти популяций «жертв», обитающих в определенной среде, и сделать следующие выводы:

• колебания численности хищника отстают от колебаний численности жертв;
• снижение накала внутривидовой борьбы происходит вследствие уменьшения плотности популяций (выедание жертв, голод хищников, смерть хищников, уход из популяции жертв на другую территорию);
• снижение накала межвидовой борьбы происходит благодаря разделению ресурсов на доли;
• в целом межвидовая борьба приводит к снижению численности побежденного вида.

Таблица 4. Влияние сообщества «жертв» и цвета поля охоты на выживаемость «хищников»

Полученные при моделировании результаты позволяют сравнить взаимоотношения популяций «хищников» и «жертв», обитающих в разных средах. Заполняется таблица 5, в которой отражена численность хищников и жертв разных сообществ и в разных средах.

Таблица 5. Влияние цвета поля на выживаемость «жертв»

Анализ таблиц 4 и 5 проводим по следующим вопросам:

• У каких «хищников» выработались в процессе естественного отбора наиболее удачные приспособления к охоте на данные популяции «жертв»?
• Существует ли связь между избирательным выживанием и размножением «хищников» и цветом поля охоты?
• Существует ли связь между естественным отбором в среде «хищников» и видовым составом «жертв»?
• У каких «жертв» выработались в процессе естественного отбора наиболее удачные приспособления к месту обитания?
• В чем относительная целесообразность этих приспособлений?
• Существует ли связь между избирательным выживанием и размножением «жертв» и цветом места обитания?

Сравнение четырех моделей «хищник-жертва» позволяют определить наиболее приспособленных к местным условиям «хищников», отметив имеющиеся у них для этого приспособления, а так же сделать следующие выводы:

• Видовой состав «жертв» оказывает большее влияние на выживаемость «хищников», чем цвет поля охоты;
• Цвет поля обитания влияет на выживаемость «жертв».

Сформулированные выводы, активное участие в их «оформлении» учеников говорят о достижении целей и задач урока.
Завершает урок рефлексивно-оценочный этап. Общая оценка группы складывается из самооценки, оценок других групп, оценки учителя.