巧用撲克牌設計自由組合定律的模擬實驗

韋勝秀（浙江省寧波市鄞州區第二實驗中學）

巧用撲克牌設計自由組合定律的模擬實驗

韋勝秀
（浙江省寧波市鄞州區第二實驗中學）

利用撲克牌設計模擬實驗，以期強化學生對自由組合定律的理解，同時培養學生科學探究能力和科學態度與價值觀。所設計的實驗方法既符合科學方法規律，同時增加了生物學習的趣味性，直觀性強，簡易可行，易于拓展。

撲克牌；自由組合定律；模擬實驗

在中學生物學的探究過程中，有些研究對象由于受到時間和空間以及物質條件等因素制約，是難以直接通過真實的實驗得出結論的。此時，用模擬實驗來替代真實實驗，即模仿實驗對象制作模型，或模仿實驗中的某些條件來進行實驗，使得抽象的生物學概念更為形象化、直觀化，不僅能夠使學生在探究中主動理解生物學概念的實質，更為重要的是使學生能夠體驗科學過程，形成一定的科學探究能力和科學態度與價值觀，培養創新精神，從而提高學生的生物學素養。本文就以撲克牌為材料，通過設計模擬實驗來強化自由組合定律的理解。

一、孟德爾兩對相對性狀的雜交實驗的模擬實驗

1.模擬F1（YyRr）產生配子的情況

取撲克牌一副，去掉其中的大小王，用一種花色代表一種基因，即所有的方塊代表Y基因，所有的紅桃代表y基因，所有的梅花代表R基因，所有的黑桃代表r基因。將該副牌中所有的方塊、紅桃組合為一疊，充分洗牌；所有的梅花、黑桃組合為另一疊，充分洗牌，然后兩疊牌同時操作，在每一疊牌中抽出一張亮牌，一次操作所亮的兩張牌即為該親本所產生的配子。重復操作多次，并用畫“正”字來記錄配子類型數目，統計各種配子比例，完成模擬F1（YyRr）產生配子的情況。值得注意的是，每一次亮牌后需放回重新洗牌，且兩疊撲克牌之間始終不能相混。

2.模擬F1（YyRr）自交產生F2的情況

取兩副牌，去掉其中大小王，一副牌代表雄性親本，另一副牌代表雌性親本。用上述方法同時操作兩副牌，每副牌每一次所亮的兩張牌就代表該親本所產生的一種配子。由于每一次亮牌前均充分洗牌，因此，每一次同時亮出的4張牌的兩兩結合即可模擬出雌雄配子的隨機結合。然后，重復多次操作，用畫“正”字來記錄所得到的F2基因型、表現型數目，統計出相應比例，這樣就完成了F1（YyRr）自交產生的F2代的模擬實驗。值得注意的是，每一次亮牌后需放回，重新洗牌，再進行第二次操作，且每副牌的兩疊始終不能相混，兩副牌之間也始終不能相混。

3.分析與體會

（1）通過模擬實驗，學生能夠體會到F2得到多種基因型和表現型的主要原因：F1形成配子時非同源染色體上非等位基因的自由組合形成了多種配子，于是，配子間的隨機結合導致了后代出現了性狀的自由組合現象。

（2）本模擬實驗設計需要小組合作完成，一般建議4人小組，分工要明確，一人為組長，一人記錄，兩人操作撲克牌。實驗統計結果與理論值存在差異，可引導學生分析出主要原因：重復操作次數不夠多，樣本較少。因此，建議小組實驗結束后將全班各組所得的數據進行匯總統計。

（3）浙科版教材中的模擬孟德爾雜交實驗是用信封和自制卡片作材料進行模擬的，教師前期準備工作較大，且要求在信封中將卡片取出，操作不方便，并難以做到隨機性，因此，改用撲克牌作為材料進行模擬，不僅使學生興趣濃厚，而且取材容易，操作方便，隨機性更容易做到。

二、減數分裂過程的模擬實驗———拓展自由組合的實質

1.精原細胞中染色體的模擬

取撲克牌中的方塊A、黑桃A、方塊K、黑桃K，共4張牌，縱向豎直對半剪開，得到8張對半分開的撲克牌，每一張牌代表一條染色體，強磁片代表著絲粒。

取兩張重疊方塊A和兩張重疊的黑桃A代表一對同源染色體，兩張重疊方塊K和兩張重疊黑桃K代表另一對同源染色體，分別用強磁片把牌中央固定在黑板上預先畫好的代表細胞核的圓圈中。這樣可模擬精原細胞中的4條未復制過的染色體。

2.減數第一次分裂過程的模擬

將重疊的兩張牌旋轉一定角度露出相應數字，即可表示一條染色體復制后產生的兩條姐妹染色單體。通過擺放撲克牌在圓圈中的位置可模擬出同源染色體配對，四分體，同源染色體成對排列在赤道面上等減數分裂的現象。

通過方塊A與黑桃A的分離、方塊K與黑桃K的分離，方塊A既能與方塊K組合，也能與黑桃K組合，即可模擬出同源染色體分離和非同源染色體自由組合的現象。從而得到由含有姐妹染色單體的兩條非同源染色體組成的兩個次級精母細胞的模型。

3．減數第二次分裂過程的模擬

選取一種組合方式產生的兩個次級精母細胞，再通過擺放撲克牌可以模擬減數第二次分裂各時期的染色體分布圖。值得注意的是，將交叉的兩張相同A分開，再分別用強磁片固定，可模擬減數第二次分裂后期著絲粒分裂，姐妹染色單體分開現象，從而得到染色體組成兩兩相同的4個精細胞。

4．將基因定位在染色體上體驗自由組合定律

在上述減數分裂過程中，如將撲克牌中的字母表示基因，即方塊A和黑桃A代表一對等位基因，方塊K與黑桃K代表位于另一對同源染色體上的等位基因。那么，在同源染色體上的等位基因分離的同時，非同源染色體上的非等位基因自由組合現象就一目了然了。

5.分析與體會

（1）通過上述模擬實驗，學生能自主體驗到自由組合發生的時間是有性生殖產生配子的過程中，即減數第一次分裂后期。學生親身體驗后，也能明確自由組合的本質是指同源染色體上的等位基因分離的同時，非同源染色體上的非等位基因自由組合。

（2）學生通過撲克牌的擺放能主動體會同源染色體、四分體、自由組合等減數分裂過程中的重要特征，同時也可以拓展模擬減數第一次分裂過程中一對同源染色體未分離或減數第二次分裂中著絲粒分開而姐妹染色單體未分離等異常現象，有利于學生思維的拓展。

三、總結與思考

1.通過上述兩個模擬實驗，學生不僅能夠直觀地體會孟德爾的雜交試驗，體驗自由組合的現象，體驗非同源染色體上的非等位基因自由組合及配子的隨機結合引起了后代性狀的自由組合的現象，而且也能夠進一步理解自由組合定律的細胞學基礎——減數分裂，從而加深對自由組合的實質理解。

2.撲克牌作為模擬實驗的材料，能夠有效地發揮學生的想象力和創造力，不受現實實驗物質條件的限制。這也體現了模擬試驗的優點：簡單，易于操作，直觀形象。當然，模擬實驗也有缺點，如，準確度不是很高，容易發生主觀原因導致的錯誤等。因此，教師在指導學生進行模擬實驗時要注意培養學生科學的思維方法，注重實驗原理的分析與討論，正確理解模擬實驗與實驗原型的科學類比關系。

（3）模擬實驗一般是通過學生小組合作探究完成的，這就要求教師在指導學生進行模擬實驗時首先要注重學習小組的建設，明確分工。其次，教師要給予學生適當的思維拓展空間，避免學生局限于教材或教師的設計思路，機械地進行模仿。另外，實驗結束后還需要組織學生進行討論分析、總結歸納。

·編輯 武慧慧