Конспект урока биологии в профильном 11 классе на тему Статистические закономерности модификационной изменчивости и их обработка в программе Excel

ИНТЕГРИРОВАННЫЙ УРОК БИОЛОГИИ И ИНФОРМАТИКИ

Статистические закономерности модификационной

изменчивости и их обработка в программе Excel

Цели урока:

• применение полученных знаний на практике;

• закрепление умений и навыков построения вариационного ряда и вариационной кривой средствами деловой графики приложения Excel;

• вовлечение обучающихся в активную деятельность;

• совершенствование умений работы с источниками знаний;

• совершенствование навыков анализа, обобщения, построения математической модели биологических процессов с помощью компьютера;

• развитие познавательного интереса к окружающей жизни.

Интеграция: биология и информатика

Опорные знания по биологии: генетика, наследственность, изменчивость,

модификационная изменчивость, норма реакции, закон вариационных рядов

Опорные знания по информатике: приложения Excel.

Опорные знания по математике: статистическая обработка данных, кривая нормального распределения, средняя выборочная.

Оборудование: компьютеры, мультимедиапроектор, презентация, инструктивные карты, листья дуба-35 шт.

Структура урока:

1. Организационный момент.

2. Лабораторная работа «Построение вариационного ряда и вариационной

кривой».

3. Подведение итогов лабораторной работы.

4. Обобщающая беседа.

5. Информация о домашнем задании.

6. Рефлексия.

Работа оценивается двумя оценками: по биологии и по информатике.

Ход урока:

1. Организационный момент.

(слайд 1) Эпиграф:

«…ум заключается не только в знании, но и в умении

прилагать знание на деле…» Аристотель

Учитель информатики: В настоящее время наиболее яркие открытия происходят на стыке наук. Возникают новые науки: биоинженерия, бионика, биоинформатика. Это яркий пример интеграций наук. Сегодня на уроке мы с вами совместим материал биологии и информатики по теме: «законмерности модификационной изменчивости», с использованием компьютерных технологий.

Учитель биологии:

Что нужно, чтобы открыть закон? (собрать данные, обработать их, сравнить полученные результаты, т.е. провести анализ и синтез, сделать выводы)

Учитель информатики:

Какие знания по информатике можно привлечь?

Что такое процесс моделирования?

(слайд 2)

Учитель биологии:

Тема и задачи урока:

• построить вариационный ряд изменчивости признака,

• построить вариационную кривую,

• рассчитать среднюю величину признака,

• выявить общую закономерность модификационной изменчивости.

Учитель информатики

Сегодня на уроке вы, используя статистический метод, а также умение работать в программе Excel, охарактеризуете модификационную изменчивость признаков человека.

2. Выполнение лабораторной работы (Приложение 1)

Лабораторная работа представлена в инструктивной карте, которая дается

группе учащихся.

В лабораторной работе рассматриваются проявления

модификационной изменчивости у человека (на примере 20 обучающихся

данного класса).

Лабораторная работа оформляется каждым обучающимся в тетради по биологии.

3. Подведение итогов лабораторной работы.

Учитель биологии:

Какой вывод можно сделать по результатам сравнения? (Все три кривые имеют сходный вид)

(Слайд 3. Графическое выражение изменчивости признака )

В идеале кривая имеет куполообразный вид, с симметричными ветвями.

Учитель информатики

Как в математике называется эта кривая?

Почему построенные нами кривые отклоняются от стандартного вида?

4. Обобщающая беседа

Учитель биологии:

1. Прокомментируйте вариационный ряд, который вы получили выполняя лабораторную работу

Отметьте маркером кривую Кетле.

Какую закономерность установили? (Обе кривые похожи, значит это общая закономерность)

Учитель информатики

Мы с вами говорили, что методы, разработанные математической

статистикой, применяются в любой области человеческой деятельности.

Сегодня мы на конкретных примерах рассмотрели, как математическая

статистика помогает решать задачи, рассматриваемые в генетике.

Учитель биологии: обращаю внимание на эпиграф урока:

«…ум заключается не только в знании, но и в умении прилагать знание на деле…» Аристотель

Давайте послушаем сообщение о исследовании статистики модификационной изменчивости

Сообщение ученика (Приложение 2).

Приложение 2.

Живая природа оказалось очень трудным орешком для теоретиков науки, преподнося им все новые неожиданности на пути познания

В центре всех дискуссий о теоретической биологии всегда стоит вопрос: отличается ли живая природа от неживой столь существенно, что «ей нужны свои законы», или просто наука пока не подобрала нужный ключ из имеющихся в ее запасах? Вопрос этот крайне важен для познания вообще. Исследователи предпринимают различные попытки для его решения.

Автор статьи «Изумительная асимметрия» Ю. Чайковский рассказывает о неожиданностях, с которыми встретились математики, подвергнувшие теоретическому рассмотрению закономерности разнообразия организмов. «Я до сих пор живо помню, как однажды, когда я еще был ребенком, отец привел меня на край города, где на берегу росли ивы, и велел мне сорвать наугад сотню ивовых листочков…

Вернувшись домой, мы расположили их в ряд по росту, как солдат. Затем отец через кончики листьев провел кривую и сказал: «Это и есть кривая Кетле. Глядя на нее, ты видишь, что посредственности всегда составляют подавляющее большинство и лишь немногие подымаются выше или так и остаются внизу». Так писал известный современный математик Б. ван дер Варден в своем учебнике математической системы.

Бельгийский математик Кетле, работавший вначале в области астрономии и метеорологии, был, по-видимому, первым, кто применил нормальное распределение для описания биологического материала (он ввел его при изучении распределения людей по росту). В 1835 году Л. Кетле, изучая изменчивость, отметил, что в вариационном ряду больше встречается особей, у которых величина того или иного признака равна средней или же близка к ней.

Позже Фрэнсис Гальтон широко применял кривую нормального распределения при статистическом исследовании наследственности, и она сыграла фундаментальную роль в глубокой работе Карла Пирсона по вопросам биометрии, написанной в конце прошлого века.

С тех пор различные типы распределений начали применять в самых разнообразных областях биологии - в молекулярной биологии, таксономии, экологии, генетике, психологии и т. д. Пример Кетле действительно поучителен: эту кривую можно получить, не только, ранжируя листья или солдат, но самыми неожиданными способами; дело в том, что кривая Кетле - не что иное, как гауссово распределение, называемое еще нормальным распределением случайных величин. Почему гауссово распределение называют нормальным? Прежде всего потому, что результат почти всякого массового измерения однотипных величин дает одну и ту же картину: отдельные измерения отклоняются от своего среднего («нормы») с частотой, близкой к f(x). Сам Гаусс, еще до работ Кетле, обнаружил этот факт для таблиц координат звезд, но функцию f(x) теория вероятностей знали и за сто лет до Гаусса. Так при чем же здесь Кетле и чем вообще это нам интересно? Дело в том, что именно Адольф Кетле, бельгийский математик и статистик, заложил то воззрение на мир чисел, которое лежит в основе основ современного естествознания.

Вот что писал Кетле: «Все элементы организмов колеблются около среднего состояния, и … изменения, происходящие под влиянием случайных причин, подчинены такой точности и гармонии, что их все можно перечислить наперед». Другими словами, можно, например, зная средний рост мужчины а и дисперсию роста (грубо говоря, среднее отклонение от этой величины) вычислить, сколько какого обмундирования потребуется для дивизии. Сейчас это настолько очевидно, что трудно осознать, почему книгами Кетле зачитывались многие современники Белинского и Гоголя.

Закрепление материала:

Учитель информатики:

До середины 40-х годов ХХ века результаты исследований представлялись на бумажных носителях. А сегодня мы с вами применили современные средства обработки информации - компьютер и его программное обеспечение.

Мы предлагаем вам работу где вы можете воспользоваться на практике результатами исследование Кетле. (практическая работа по определению индекса массы тела, с исползованием сайта интернета)

Учитель биологии:

Какие выводы можно сформулировать по результатам урока?

(Слайд 5. Выводы)

• Различные признаки отличаются пределами изменчивости под влиянием внешних условий

• Норма реакции определяется генотипом

• Модификационная изменчивость в естественных условиях носит приспособительный характер

• Значение закономерностей модификационной изменчивости имеет большое практическое значение, так как позволяет предвидеть и заранее планировать многие показатели.

Заключение

Учитель биологии:

Знания закономерностей модификационной изменчивости имеют

большое практическое значение. Многие считают, что признаки человека

определяются генами, другие сводят роль генов к минимуму. Особенно это

касается вопросов наследования умственных и криминальных способностей.

Если ребенок обладает какими-то особенностями, он старается выбрать

такие условия среды, которые способствуют его развитию.

Конечный результат развития зависит от условий среды - сказывается

влияние вредных привычек (курение, алкоголь), влияние положительных

или отрицательных факторов (радиация).

Учитель информатики:

Мы увидели, что компьютер помогает построить информационные модели, используя средства прикладного программного обеспечения.

5. Информация о домашнем задании. Отчет о лабораторной работе

Используемая литература:

1. Захаров В.Б., Мамонтов С.Г. и др. Общая биология, 10 класс. М.: Дрофа, 2005.

2. Беляев Д.К. Общая биология, 10 класс. М.: Просвещение, 2003.

3. Гусак А.А. Высшая математика, Минск, Тетра Системс, 2003.

4. Спирина М. С., Спирин П.А., Теория вероятностей и математическая, М., Издательский центр "Академия", 2007.

5. Ю. Чайковский. Изумительная асимметрия

integro.ru/system/ots/evolution/ev_books/…/izumit_assim.htm

Приложение 1

ИНСТРУКТИВНАЯ КАРТА

Лабораторная работа

«Построение вариационного ряда и вариационной кривой»

Цели: выявить проявления модификационной изменчивости у человека. Научиться составлять вариационный ряд, строить вариационную кривую, вычислять среднюю величину признака, определять норму реакции, используя возможности приложения Excel.

Оборудование: инструктивные карты, компьютеры.

Ход работы:

1. В таблице занесены данные о росте 20 учащихся класса

Уч-ся

11А

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

25

Рост

(см)

157

158

159

162

165

166

169

169

170

170

171

172

173

173

176

176

183

185

186

187

192

Вес

(кг)

48

50

50

55

56

56

56

57

57

59

60

63

65

66

71

73

73

74

82

89

Размер

обуви

36

37

37

37

38

38

39

39

39

41

41

42

42

42

42

42

43

44

44

44

2. Постройте вариационную кривую - отобразите на графике зависимость между

значением признака и частотой его встречаемости, используя возможности приложения Excel.

3.Определите норму реакции для данного признака N=max-min, используя

возможности приложения Excel.

4. Определите среднюю величину признака по формуле, используя возможности приложения Excel.

5. Сделайте вывод о том, какая закономерность модификационной изменчивости вами обнаружена.

Приложение 2.

Живая природа оказалось очень трудным орешком для теоретиков науки, преподнося им все новые неожиданности на пути познания

В центре всех дискуссий о теоретической биологии всегда стоит вопрос: отличается ли живая природа от неживой столь существенно, что «ей нужны свои законы», или просто наука пока не подобрала нужный ключ из имеющихся в ее запасах? Вопрос этот крайне важен для познания вообще. Исследователи предпринимают различные попытки для его решения.

Автор статьи «Изумительная асимметрия» Ю. Чайковский рассказывает о неожиданностях, с которыми встретились математики, подвергнувшие теоретическому рассмотрению закономерности разнообразия организмов. «Я до сих пор живо помню, как однажды, когда я еще был ребенком, отец привел меня на край города, где на берегу росли ивы, и велел мне сорвать наугад сотню ивовых листочков…

Вернувшись домой, мы расположили их в ряд по росту, как солдат. Затем отец через кончики листьев провел кривую и сказал: «Это и есть кривая Кетле. Глядя на нее, ты видишь, что посредственности всегда составляют подавляющее большинство и лишь немногие подымаются выше или так и остаются внизу». Так писал известный современный математик Б. ван дер Варден в своем учебнике математической системы.

Бельгийский математик Кетле, работавший вначале в области астрономии и метеорологии, был, по-видимому, первым, кто применил нормальное распределение для описания биологического материала (он ввел его при изучении распределения людей по росту). В 1835 году Л. Кетле, изучая изменчивость, отметил, что в вариационном ряду больше встречается особей, у которых величина того или иного признака равна средней или же близка к ней.

Позже Фрэнсис Гальтон широко применял кривую нормального распределения при статистическом исследовании наследственности, и она сыграла фундаментальную роль в глубокой работе Карла Пирсона по вопросам биометрии, написанной в конце прошлого века.

С тех пор различные типы распределений начали применять в самых разнообразных областях биологии - в молекулярной биологии, таксономии, экологии, генетике, психологии и т. д. Пример Кетле действительно поучителен: эту кривую можно получить, не только, ранжируя листья или солдат, но самыми неожиданными способами; дело в том, что кривая Кетле - не что иное, как гауссово распределение, называемое еще нормальным распределением случайных величин. Почему гауссово распределение называют нормальным? Прежде всего потому, что результат почти всякого массового измерения однотипных величин дает одну и ту же картину: отдельные измерения отклоняются от своего среднего («нормы») с частотой, близкой к f(x). Сам Гаусс, еще до работ Кетле, обнаружил этот факт для таблиц координат звезд, но функцию f(x) теория вероятностей знала и за сто лет до Гаусса. Так при чем же здесь Кетле и чем вообще это нам интересно? Дело в том, что именно Адольф Кетле, бельгийский математик и статистик, заложил то воззрение на мир чисел, которое лежит в основе основ современного естествознания.

Вот что писал Кетле: «Все элементы организмов колеблются около среднего состояния, и … изменения, происходящие под влиянием случайных причин, подчинены такой точности и гармонии, что их все можно перечислить наперед». Другими словами, можно, например, зная средний рост мужчины а и дисперсию роста (грубо говоря, среднее отклонение от этой величины) вычислить, сколько какого обмундирования потребуется для дивизии. Сейчас это настолько очевидно, что трудно осознать, почему книгами Кетле зачитывались многие современники Белинского и Гоголя.

Использованная литература:

1. Ю. Чайковский. Изумительная асимметрия

integro.ru/system/ots/evolution/ev_books/…/izumit_assim.htm

Статистические данные о модификациях учащихся 11 а класса

Ф.И. уч-ся

рост

вес

Размер обуви

1.Аристархов Алекс.

2. Воронкова Елена

3.Галкин Илья

4. Гизатулин Роман

5. Горбулина Дарья

6. Гуров Денис

7. Кислицина Екат.

8.Крылов Максим

9. Кузин Сергей

10. Марейчев Сергей

11. Микунова Елена

12.Николаев Никита

13. Пассова Дарья

14.Попова Виктория

15.Рыжков Роман

16. Сасин Кирилл

17.Середа Максим

18. Таратухина Дарья

19.Тимишин Михаил

20. Хомякова Ирина

21.Чаадаева Наташа