把握知识关系,凸显研究思想——《分离定律》

  把握知识关系,凸显研究思想——《分离定律》课例研究

  邵江樵1,王秀红2

  (1.浙江省宁波市效实中学,315012;2.浙江省宁波市教研室,315000)

  人教版和浙教版高中生物必修2《遗传与进化》模块把“孟德尔定律”放在第一章,安排在“减数分裂”之前。这是尊重科学发现史的体现,其主要目的有:(1)通过科学史的学习,还原孟德尔的研究思想和科学的研究方法,引导学生学会从现象到本质的认识论方法,领悟假说—演绎的科学方法及其在科学研究中的应用;(2)通过单因子杂交实验的解释和验证,在举例说明性状、相对性状、显现性状、隐性性状、性状分离,显性基因、隐性基因、等位基因,杂交、自交、测交,纯合子、杂合子等基本概念的同时,引导学生熟悉科学研究的一般过程,理解孟德尔定律。

  因此,这一内容的主要教学目标,在于揭示孟德尔通过对性状在上、下代之间遗传现象的分析,发现控制性状的遗传因子(今称之为基因)的传递规律的过程和方法。但在实际的教学中,不少教师对假说—演绎法的理解和把握还不够到位。下面结合对一次同课异构活动中3个课例的研究,阐述如何把握这一内容的教学目标。

  【课例1】

  (教师介绍孟德尔选取豌豆的一对相对性状进行杂交的过程和方法。)

  师(同步板书,得到图1)将白花豌豆的花粉授给去雄的紫花豌豆,长出的子代开紫花。为什么?

  生紫色为显性性状,白色为隐性性状。

  师(笑)你预习了吧?

  生花的颜色是由母本决定的。

  生紫的多、白的少,融合后呈紫色。

  师如何设计实验来验证以上猜想?

  生让紫花作父本、白花作母本进行杂交,F1都开紫花的话,就可以排除“花的颜色是由母本决定的”。

  师孟德尔也是这样否定这种猜想的。

  生提取色素,可以检验是不是“紫的多、白的少,融合后呈紫色”。

  师不过,孟德尔更聪明,他让纯种高茎豌豆与纯种矮茎豌豆杂交,发现F1的株高与亲本高茎的一样,从而类推排除了“紫的多、白的少,融合后呈紫色”。

  生F1自交,可以验证“紫色为显性性状,白色为隐性性状”。

  师很好!孟德尔让F1(紫花)自交,发现F2中紫花∶白花=705∶224≈3∶1。F2中有紫花、有白花,而F1中只有紫花,这说明紫色对白色是显性性状。性状是由遗传物质控制的,孟德尔称之为遗传因子。F1中有几个遗传因子?

  生2个。

  师没错。一个决定紫色,可用C表示;一个决定白色,可用c表示。那么,F1就是——

  生Cc。

  师请同学们在学案上用遗传因子符号写出P(杂交)→F1的过程。

  (一位学生板演,得到图2。)

  师(在板书中补充配子信息后)同学们,由此可以得到以下结论:(1)F1能表现出来的亲本性状叫作显性性状,由显性基因控制;(2)F1未能表现出来的亲本性状叫作隐性性状,由隐性基因控制;(3)杂交后代中显性性状与隐性性状同时出现的现象叫作性状分离,是由F1中控制相对性状的两个遗传因子分离导致的。现在,请同学们在学案上完成F1(自交)→F2的过程。

  (一位学生板演,得到表1。)

  师(巡视后)黑板上这位同学很好地写出了两种雌配子和两种雄配子,下面有同学只写出了一种配子。到底有几种?

  生两种。

  师很好!因为F1中有C与c,体细胞中的遗传因子要相互分离,分别进入不同的配子中,结果形成了数目之比为1∶1的两种配子。雌雄配子随机结合,就出现了“紫花∶白花=3∶1”的结果。请同学们在学案上写出完整的分离定律。

  (学生写分离定律。)

  本节课的教学中,教师把教材与学案进行了有机的结合,线索和结论较为清晰,但遗憾的是对教学目标的定位有所偏离,没有凸显出孟德尔的研究思想,即假说—演绎法的应用。教师只是以F1花色的原因为重点,引导学生进行猜想和验证,并没有凸显出孟德尔所面对的完整实验现象的思考价值:既没有明确孟德尔假说的全部内容,也没有阐明测交实验及其目的。

  实际上,孟德尔为了解释P→F1→F2的遗传现象提出了怎样的假说,推出了怎样的结论,如何利用假说和推理解释现象以及如何设计实验验证假说和推理,才是本节课应该的教学重点。因此,在教学中教师应该让学生明确,为了对完整的分离现象的进行尝试性解释可以提出怎样的假说,孟德尔提出了怎样的假说,提出假说后还需要做什么样的工作,孟德尔做了什么样的工作。为此,对教学内容还是要按科学史的发展线索来安排,引导学生根据现象去分析和推理,通过背景材料,领悟运用假说—演绎法进行科学研究的一般过程:观察现象→发现问题→提出假说→验证假说→得出结论。

  【课例2】

  (教师引导学生学习性状、相对性状,基因决定性状,豌豆作为遗传实验材料的优点,杂交的方法以及亲本、父本、母本等内容。)

  师豌豆有很多个性状,是一起分析,还是一个一个分析?我们常说“复杂的事情简单做,简单的事情认真做”。孟德尔先进行了一对相对性状的单因子杂交实验。比如,对花色的研究——

  (教师投影展示图3。同时,板书:亲本、杂交、子一代。)。

  生白花里也有紫花基因。

  生不合理,白花是纯种。

  生F1的花色与母本一样,可能是由母本决定的。

  生F1中只剩下紫花基因。

  生F1中有些性状没有显示出来。

  师还有吗?我来说一个:F1中紫色素与白色素融合。

  (教师板书:母本决定、丢失 没有白花基因、共存 显示紫花基因、共存 两种颜色融合。)

  师提取色素比较,便可以判断“两种颜色融合”是否属实。那么,如何对“母本决定”和“没有白花基因”进行验证呢?

  生让白花(♀)与紫花(♂)杂交,由子一代也均开紫花,可否定“母本决定”说。

  (教师投影展示图4。同时,板书:正交、反交。)

  生让F1自交,可说明白花基因没有丢失。

  (教师投影展示图5。同时,板书:自交。然后,引出显性性状、隐性性状、性状分离的概念。)

  师F1的自交后代F2中出现3∶1的性状分离比是必然,还是偶然?请同学们把教材翻到第6页,看其他几对相对性状的杂交实验结果。(投影展示图6)请同桌合作解释P→F1→F2的遗传现象。

  1.为什么自然界的紫花植株后代均为紫花,而F1的紫花植株后代出现性状分离?

  2.白花基因有没有丢失?花色由几个基因决定?来自紫花和白花亲本的基因在F1细胞中是如何存在的?

  3.怎样表示紫花和白花亲本以及F1、F2?

  生性状是由基因决定的,P为自然界品种,是纯种,F1经过杂交,已经不是纯种了。

  生没有丢失,F1中有两个花色基因。

  师基因在体细胞中成对存在,亲本是纯种,我们用CC表示紫花,cc表示白花,将C基因与c基因称作等位基因。根据刚才的推导,F1中应该既有C基因,又有c基因,所以是——

  生Cc。

  师F2中的白花应该是怎样的?

  生(齐)cc。

  师为什么F2中白花只占1/4?(出示两杯盛有紫色、白色粉笔头的透明杯)要解决这个问题,请同学们看我手上的两个杯子。贴有♂符号的代表父本,里面有20个紫色粉笔头代表紫花基因C,20个白色粉笔头代表白花基因c——自然界中精子多一些。贴有♀符号的代表母本,里面有5个紫色粉笔头代表紫花基因C,5个白色粉笔头代表白花基因c——自然界中卵子少一些。那么,父本、母本产生的配子各有几种?

  (学生不理解“配子”,也不明白配子中的花色基因数应该只有体细胞中的一半。)

  师产生的配子中有1个花色基因,还是两个花色基因?要解决这个问题,我们先想想自然界中受精卵是怎么来的。(板书,得到图7)从子代与亲代的体细胞中都是两个花色基因可知,配子里应该只有1个花色基因。那么,雄配子有几种?雌配子有几种?两种配子的比例如何?

  生两种。1∶1。

  师父本、母本各取1个配子,组合的结果有几种?概率之比怎样?

  生4种。CC∶Cc∶cc=1∶2∶1。

  (教师投影展示图8。然后,引出纯合子、杂合子的概念。)

  师我们可以把孟德尔的解释归纳如下:第1条,性状由基因控制,显性基因控制显性性状,隐性基因控制隐性性状;第2条,基因在体细胞中是成对的,在形成配子时,成对的基因会彼此分离,分别进入不同的配子;第3条,在受精的过程中,雌、雄配子结合,使体细胞中的基因又恢复成对;第4条,在F1的体细胞中,两个不同的基因没有融合,而是独立共存的;第5条,F1产生两种配子,比例相等,受精的时候随机结合,F2出现了“3∶1”。

  本节课的教学中,问题设置严谨、逻辑性强,较好地促进了学生的思维活动;基本概念随着内容的展开自然生成,很好地凸显了对单因子杂交实验现象的解释的主线。在对F1紫花性状的分析过程中,渗透了假说—演绎法的思想;而模拟F1配子的形成,为克服难点提供了形象思维的有力支撑。但是,教师对假说—演绎法的应用依然局限在对F1全为紫花这一现象的解释上,而没有放到更大的平台——分离定律的提出上。同时,由于教师没有明确地提出假说的内容,导致教学中对“配子中只有成对基因中的一个”“F1产生两种比例相同的配子”等推断花了太多的时间和精力。由此可见,教师对“孟德尔对分离现象的解释”中哪些是假说、哪些是推断还有一些模糊的认识。

  因此,可以在解释P→F1→F2的环节中调整思考题,对实验发现的问题进行尝试性回答,以凸显假说的内容。此外,由于测交验证的是依据假说演绎后的推断,应用了逻辑学上的通过肯定推断肯定假说、否定推断否定假说的道理,所以,按这样的思路去设计教学过程,才能完整地建构起假说—演绎法的一般过程,并在后面的果蝇性连锁遗传分析和DNA半保留复制中再作应用,进一步使学生领悟假说—演绎法的通用性和价值。

  【课例3】

  (教师结合紫花豌豆与白花豌豆的杂交,介绍性状、相对性状的概念,豌豆作为遗传实验材料的优点以及自交、杂交、正交、反交、父本、母本等概念;并结合授粉,介绍雄蕊提供花粉、雄配子,雌蕊提供卵细胞、雌配子等知识。)

  师在孟德尔做的豌豆7对相对性状的杂交实验中,子二代都出现3∶1的性状分离现象,这背后肯定有规律可循。

  (教师板书,引出显性性状、隐性性状、性状分离等概念,得到图9。)

  师这些杂交实验引起了孟德尔的思考。他发现并提出了如下问题:(1)F1中只出现紫花,白花去哪里了?(2)F2中为什么出现性状分离,并且比例是3∶1?要解释这些,必须透过现象看本质;要看到这个本质,必须知道控制花色的到底是什么。

  生显性基因。

  师太快了哦!这是马后炮、由果到因。孟德尔的时代没有基因这个概念,所以要解释它,必须要作大胆的假说,并且进行进一步的推理。当时孟德尔提出性状由遗传因子控制,后来称之为基因。基因肉眼看不到,下面我用紫、白两种磁片来代表基因。紫花与白花杂交,这是孟德尔提出的假说第一点。再看第二点,孟德尔认为遗传因子的数量在体细胞中是两个,因为亲本是纯种,所以亲本的紫花有几个紫色遗传因子?

  生两个。

  (教师在板书的亲本“紫花”下方添加两片紫色磁片,在板书的亲本“白花”下方添加两片白色磁片。)

  师再看第三点:“在配子形成过程中,成对的基因分离,分别进入不同的配子。”那么,配子中只能得到成对基因中的几个?

  生1个。

  (教师在“亲本”下方板书“配子”。然后,粘贴1片紫色磁片和1片白色磁片。)

  师(在板书的子一代“紫花”下方粘贴1片紫色磁片和1片白色磁片)雄配子和雌配子结合,就是F1。怎么来解释F1全部是紫花?

  (学生尝试说明。)

  师孟德尔是这样解释的,紫花基因是显性基因,白花基因是隐性基因,紫花基因对白花基因有显性作用——这是假说第四点。为了方便描述,用英文字母代替基因:大写字母表示显性基因,如C为紫花基因;小写字母表示隐性基因,如c为白花基因。

  (教师在板书上按照F1→配子→P的顺序依次写出各自的基因组成。)

  师到这里孟德尔已经解释了问题1。那么,问题2呢?

  生因为F1的基因组成是一个C、一个c,而成对的基因会分离,它产生一个(含)C配子、一个(含)c配子,然后相互配对,就有CC、Cc、cc三种组合结果。

  师这是孟德尔假说的第五点。(板书,得到表1)我们用表格的方式来表示。这样就解释了问题2。

  (教师投影小结孟德尔的假说。然后,结合板书引导学生落实显性基因、隐性基因、等位基因、纯合子、杂合子、基因型、表现型等概念,得到图10。)

  师(投影出示表2)下面请同学们进行一对相对性状的模拟杂交实验,时间是4分钟。同时,思考:F1是否产生两种比例相同的配子?在不同配子结合机会相同的情况下,F2是否出现3∶1的性状分离比?

  (学生活动后,汇报:全班共120次,其中CC为27次,Cc为55次,cc为38次,数量之比为1∶2.04∶1.41。)

  师为什么我们的模拟数据有些偏差?

  生因为我们抽的次数太少了。

  师孟德尔统计了F2中紫花705株,白花224株,加起来将近1000啊!孟德尔花了8年的时间,做了7对相对性状,而每一对相对性状统计的数量又是上千的,在那个年代又没有计算器,而他是怎么坚持下来的?

  (学生感慨。)

  师当然,孟德尔不可能用这样的一个模拟实验进行验证。回到实验本身,按照前面的假说和推理,F1紫花应该产生两种配子,分别是C、c,且比例为1∶1,但配子是看不到的,如何用实验加以证明?孟德尔想到通过F1后代的表现型去间接证明。那么,应该与怎样的个体杂交?该个体应该产生怎样的配子?

  生c。如果是C的话,后代的c就看不到了。

  师怎样的个体能提供只有c的配子?

  生纯种白花。

  师请同学们翻看教材中给出的测交后代紫花和白花的数量与比例。这说明理论推理与实际相符合。

  (教师板书测交图解,进而归纳出分离定律。)

  师分离定律的核心是F1产生配子时,等位基因发生分离,产生两种比例相同的配子。

  本节课的教学中,教师非常好地处理了铺垫性知识与核心知识之间的关系,把复杂繁多的概念渗透在实例中,解决了概念呈现与教学主线之间容易顾此失彼的常见问题;较好地突出了假说—演绎法,以科学研究的一般过程为线索展开教学;较好地利用了教材资源,几次引导学生阅读教材;较好地处理了预设与生成之间的关系,在学生活动中,教师对活动生成的数据进行了分析,并恰到好处地渗透了科学态度的教育。

  但是,纵观整个教学过程,教师对与假说内容和推理结论还是有一点混淆——其实“配子中只有成对基因中的一个”“F1产生两种比例相同的配子”是推理后的结果。

  因此,对于孟德尔发现并提出的问题,最好在让学生在看教材第6页的7对相对性状实验后,引导学生提出来。如果还能结合孟德尔的时代背景,即用当时盛行的融合遗传学说无法解释豌豆杂交实验中的遗传现象,再提出假说来尝试性地解释并加以验证,就会显得更符合科学发展的过程。

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