在“基因的分離定律”教學中培養學生科學的思維方法

殷曉悅 嚴重威

(上海市天山中學 200336)

隨著上海市二期課改的深入發展，科學思維方法的教學顯得越來越重要。實踐表明加強科學思維方法在課堂教學中的比重，能夠有效提高學生的學習興趣，減輕學生的過重負擔，提高學生科學素養。現以上海科技版高中生命科學教材“基因的分離定律”一節的教學為例，說明深入挖掘科學思維方法的教學。本節課是學生初次接觸遺傳學研究，新概念多，研究方法新，故而多數教師采用“講解說明”的教學方法。學生邊聽、邊讀、邊思考。學生的表現仍是比較被動的接受。如果要促進學生的自主思維，教師應當鼓勵學生擺脫對教材的依賴，然后組織學生像孟德爾那樣思考分離現象，探究其規律，讓學生在自己的思維與科學事實、孟德爾思維的碰撞對比中，學習科學思維方法，感悟科學家的思維品質，更好地理解分離規律的實質。具體課堂教學可以從以下幾個方面深入：

1 重視操作性知識的介紹，體會科學研究的一絲不茍

只有學生堅信實驗操作嚴謹可靠，才能在此感性認識的基礎上進行理性的思考。由于學生缺少雜交操作的常識，故而有兩點必須講清：一是所選相對性狀均能用肉眼明顯地加以區分。例如，高莖豌豆的株高為1.2 m～1.6 m，而矮莖豌豆的株高在0.5 m以下，沒有中間性狀，便于簡易判斷與記錄。這是孟德爾將34個豌豆品種試種兩年后精選出來的。二是孟德爾選用豌豆作為實驗材料。當時豌豆的培育和人工選擇在歐洲成為熱點，許多科研工作者做了大量的雜交實驗，因此豌豆是一種被了解得非常清楚的實驗材料。從可操作性的角度來說，豌豆有三大好處：首先，豌豆花大，便于操作。在花未成熟時去雄，套袋，按選擇的親本進行授粉操作，再套袋并做記錄，使學生深信產生的F1是雜交的結果；其次，豌豆結實率高，產生種子多，便于統計；再次，豌豆是嚴格的自花傳粉植物，因此有性繁殖容易受到控制，又省去了F1自交的操作。從經典的遺傳研究考慮，親本必須是純種，而只有長期自交而不發生分離的個體才符合這個條件。生物學研究史證明實驗材料的選取是遺傳研究成功的關鍵之一[1]。憑著敏銳的直覺，孟德爾選對了材料。

2 大膽猜想，在猜想與實驗結果的碰撞中激發興趣，理解概念

思考后的猜想是一種直覺思維，是建立在原有知識、能力、心理、經驗等基礎上短時間內的整體顯示，是介于形象思維和邏輯思維之間的思維，是創造性思維的雛形。本節課需要學生對F1和F2的表現發揮猜想：

教師告知學生父本和母本的性狀后，要求學生猜想子代F1的花色。大多數學生猜測既有紫花又有白花，甚至有學生認為子代花紅白相間。學生的理由是：F1像父母！當教師告知F1只有一種顏色時，多數學生轉向淡紫色，理由是：父母的顏色調和成中間色。當他們看到實驗結果“F1植株全部開紫花”時，非常驚奇，急于知道原因。教師要求學生自己找原因：是由于種子長在紫花母本中發育造成的嗎？如何證明該假設？用白花植株作母本與紫花父本雜交。根據原來的推測，F1應全為白花豌豆，但結果F1仍全為紫花豌豆，從而否定了母本影響的假設。當學生接受科學事實，即F1只能全部表現為紫花時，教師才給出顯性性狀和隱性性狀的概念。此時提出概念才能正確定義并強化記憶。經過正交和反交的驗證，學生才徹底信服顯隱性的存在，但內心對此解釋并不滿足。

對于F2表現的推測，大多數學生理直氣壯地猜紫花豌豆，理由是：紫花與白花雜交后代是紫花豌豆，那么紫花與紫花雜交，后代更應為紫花，紫花是顯性性狀。教師告知實驗結果：F2中出現了白花植株，且有224株之多，紫花豌豆也不過705株。學生又一次感到非常驚奇：顯性的紫花雙親竟然生出了隱性的白花后代！教師在此時提出“性狀分離”概念，會給學生留下深刻的印象。

3 注意概率統計，培養思維的嚴謹性

F2紫花植株和白花植株兩者的數量比是3.15∶1，輕易估讀為3∶1不嚴謹。孟德爾對7對相對性狀雜交結果連續追蹤多代，經過200多次雜交試驗，觀察植物27225株，得到了“孟德爾豌豆試驗的結果”(見教材)，學生看到那么多的實驗結果才比較信服地承認F2代的分離比為3∶1。對此教師尚可以深入挖掘。事實上，教材的表8-1中顯示的數量比，都與3∶1有或大或小的差距，這些差距是如何形成的？教師要求學生從7組數據中找出兩個與“3∶1”差距最大和兩個差距最小的例子進行分析。差距大的是豆莢顏色(2.82∶1，僅統計580株)和植株高度(2.84∶1， 僅統計1064株)，差距小的是子葉顏色(3.01∶1，共統計8023粒)和種子形狀(2.96∶1，共統計7324粒)。學生自然發現：一般情況下，F2代統計的樣本數量越小與“3∶1”的差距就越大，即誤差是子代統計數量不夠引起的。這與概率的特點相符，即“隨著試驗次數的增加，該事件發生的頻率會穩定在某個常數上”，這里即為3∶1。這時才達到概率統計教學的要求，才能讓學生理解運用數學方法處理實驗數據的嚴謹性。

4 站在歷史唯物主義角度，抓住問題本質進行假設

“孟德爾分離現象的假設”教學中有兩個困難：一是給人印象深刻的3∶1為什么沒進入假設？這個困難較易解決：不同親本雜交結果不同，“分離比”只是現象而不是本質，而假設是要抓住本質的。二是為什么在假設中提遺傳因子及其行為？如果直接把“假設”告知學生，學生會因為符合基因的概念和減數分裂中染色體行為，很容易接受。因此，多數教師都走這條捷徑。但這并不是孟德爾的想法，因為當時尚未發現減數分裂和基因。這樣教學還會產生一種副作用：對于這一超時代的思維，學生會認為是“理所當然”，產生“換我也行”的自大心理！因此，教師在教學時應站在孟德爾的時代背景下，講解他的所思所想，這才是歷史唯物主義的態度。

在猜想F1的性狀時，多數學生認為F1是紫色和白色調和后產生的淡紫色。這種假設就是融合遺傳，是當時生物界的主流思想。孟德爾當然知道。但F1全為紫花豌豆，而且與親本一樣紫，說明不是融合！而白色性狀消失一段時間后，又在F2中重新出現，且仍然白得那么純凈，絲毫沒有受到紫色的玷污！孟德爾因此推斷F1中控制白色性狀的物質并沒有消失，仍獨立地存在著，絲毫不受紫色性狀的影響，只是沒被表現出來而已。所以，它不是一種可調和的物質，而是一種獨立存在的結構——遺傳因子！遺傳因子決定性狀。大量事實否定了融合遺傳，孟德爾堅定地提出了“顆粒遺傳”——遺傳因子假說。這在當時是反潮流、反權威的，因而埋沒了幾十年。

在F1細胞內，紫色和白色遺傳因子同時存在，因此孟德爾假設“生物體的遺傳性狀是由成對的遺傳因子決定的”。當時科學界已經知道雌雄配子結合形成的受精卵發育成后代，所以孟德爾推測配子中只有成對遺傳因子中的一個，受精作用使成對的遺傳因子在子代中恢復成對存在，因此假設“在形成配子時，成對的遺傳因子彼此分開，分別進入不同配子中去…”。配子的種類和比例一旦確定，則父本配子和母本配子受精機會相等，隨機結合產生的后代的性狀及比例也就確定，所以關鍵是配子形成時遺傳因子分配的機制，假設正是抓住了這個“關鍵”。

5 “測交驗證”應針對“假設”進行實驗設計

驗證實驗是用于檢驗“假設”是否正確，所以“驗證實驗”應當針對“假設”進行設計，看假設中預測的實驗結果是否與事實相吻合。多數教師在課堂教學中重視后者，而忽視前者。教師直接告知學生用F1與隱性親本雜交(即測交)即可。如要加強思維方法的訓練，就要補上這一課。按孟德爾假設，F1基因型為Aa，能形成等量的兩種配子，即A和a，因而只需證明兩種配子是等量的即可。配子只有受精后才能發育表現出性狀，所以問題變成給F1的配子配什么遺傳因子的配子，才能表現出配子的A性狀和a性狀？A配子不論配A還是a配子都表現為A性狀，而a配子只有配a配子才能表現出隱性性狀。學生自然會意識到F1只有與aa個體雜交才能表現出配子的種類和比例。而這個aa就存在于親代中，于是學生得出：“雜種子一代與隱性親本雜交”能測出未知F1的基因型，故而稱為“測交”。

6 運用分析、歸納、演繹等方法，形成概念的網絡結構

眾多遺傳學概念在本節內容中密集出現，教師要注意：一是在學生已有充分的感性認識后適時提出概念(如顯性性狀、性狀分離等)；二是盡量分散概念出現的時間(如隨著花色遺傳研究的過程以及假設過程逐步出現不同概念)或成對地出現概念(如顯性性狀與隱性性狀，顯性基因與隱性基因，表現型和基因型，純合子和雜合子等)；三是注意分析概念間的區別和聯系，并歸納為知識的網絡結構。本課概念的主線是：染色體上有基因，基因決定遺傳性狀。由此可以形成知識結構如圖1。

圖1 概念網絡結構