“基因在染色體上”的論證式教學(xué)實(shí)踐探索

王 麗

（南京師范大學(xué)附屬中學(xué)秦淮科技高中 江蘇南京 210001）

1 論證式教學(xué)

論證式教學(xué)起源于20世紀(jì)90年代美國，旨在讓學(xué)生對所得的證據(jù)和主張進(jìn)行解釋、權(quán)衡、辯護(hù)及評價，讓學(xué)生感受科學(xué)家研究思路，對科學(xué)探究的過程和結(jié)果給予質(zhì)疑與批判，主動構(gòu)建理論知識的過程。圖爾敏的論證結(jié)構(gòu)（Toulmin′s Argument Pattern，TAP）最具代表性，后來的許多關(guān)于論證式教學(xué)的研究均以其為基礎(chǔ)。圖爾敏認(rèn)為一個明確的論證可由資料推論而產(chǎn)生主張，同時說明此推論的理由。在TAP的架構(gòu)中，各組成因子的關(guān)系如圖1所示。

圖1 TAP論證模式

2 “基因在染色體上”的論證式教學(xué)

“基因在染色體上”一節(jié)是蘇教版高中生物學(xué)《必修2·遺傳與進(jìn)化》第一章第四節(jié)的內(nèi)容。在此之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了孟德爾遺傳定律和減數(shù)分裂的過程。本節(jié)內(nèi)容是細(xì)胞學(xué)與分子學(xué)連接的橋梁，是有關(guān)科學(xué)史、科學(xué)探究和科學(xué)思維為一體的重要內(nèi)容。“基因在染色體上”這一結(jié)論是眾多科學(xué)家在不斷修正、完善中發(fā)展的。其中，薩頓的假說和摩爾根的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)最為經(jīng)典，此科學(xué)議題源于“基因在哪里？”。科學(xué)家在此過程中，收集各種相關(guān)的證據(jù)，利用科學(xué)的方法作出假設(shè)、解釋，尊重科學(xué)事實(shí)、敢于質(zhì)疑，促進(jìn)彼此思維的共享與交鋒，最終達(dá)成了可接受的結(jié)論。教師可采用如圖1所示的論證式教學(xué)模式進(jìn)行這一節(jié)的教學(xué)。

2.1 體驗(yàn)基因位于染色體上的假說

教師提出問題：當(dāng)孟德爾的遺傳規(guī)律被重新發(fā)現(xiàn)以后，有一個問題始終沒有解決：基因在細(xì)胞中究竟有沒有物質(zhì)基礎(chǔ)呢？孟德爾假設(shè)的顆粒狀遺傳因子究竟存在于細(xì)胞的什么部位呢？

圖2 “基因在染色體上”一節(jié)教學(xué)論證模式

接著，教師可引導(dǎo)學(xué)生畫出孟德爾兩對相對性狀的雜交實(shí)驗(yàn)圖解，并闡述遺傳因子（后稱為基因）的傳遞規(guī)律；再讓學(xué)生回顧減數(shù)分裂的過程中同源染色體的行為。學(xué)生歸納基因與染色體有哪些共同的行為或規(guī)律，采用類比推理的方法，作出“基因和染色體的行為存在著平行關(guān)系”的假設(shè)。

教師協(xié)助學(xué)生尋找支持假設(shè)的證據(jù)：美國遺傳學(xué)家薩頓以蝗蟲細(xì)胞為研究材料，發(fā)現(xiàn)在減數(shù)分裂過程中染色體具有配對和分離的行為，1902年，他在《生物學(xué)報(bào)》發(fā)表論文闡述了蝗蟲的染色體形態(tài)，證實(shí)同源染色體一條來自父方，一條來自母方，在減數(shù)分裂時，同源染色體的行為與孟德爾提出的遺傳因子的行為有很多的相似性。1903年，他的論文《遺傳中的染色體》發(fā)表，他推測基因可能就在染色體上，染色體可能就是孟德爾遺傳定律的物質(zhì)基礎(chǔ)。德國細(xì)胞學(xué)家鮑維里后來進(jìn)一步整理了基因與染色體具有平行關(guān)系推測依據(jù)：①在體細(xì)胞中有兩組相同的染色體，一組來源于父方，一組來源于母方。同源染色體的成對存在和基因的成對存在是平行的。②染色體在細(xì)胞分裂的各個時期，保持其形態(tài)特點(diǎn)。基因也顯示同樣的連續(xù)性。③減數(shù)分裂時，同源染色體配對，然后每對的兩個成員分離，進(jìn)入不同的生殖細(xì)胞，每對的分離和其他各對的分離是獨(dú)立的。配子形成前的某個時期，基因也獨(dú)立地分離。④每條或每對染色體在生活和發(fā)育中都有一定的作用，基因也是這樣。學(xué)生以此推測，繪制等位基因在染色體上，隨同源染色體分裂而分離的細(xì)胞圖（圖3）。

圖3 基因與染色體平行關(guān)系的圖解

2.2 分析基因位于染色體上的實(shí)驗(yàn)證據(jù)

教師呈現(xiàn)資料，展示科學(xué)家質(zhì)疑的過程：薩頓的推測，在理論上支持基因位于染色體上。但事實(shí)是否如此呢？摩爾根帶著疑問，積極尋找證據(jù)。1910年5月，在摩爾根蠅室的大群野生型紅眼果蠅中出現(xiàn)了一只白眼雄果蠅。對于這只后來在科學(xué)史上非常出名的昆蟲，摩爾根當(dāng)時是愛護(hù)備至，努力使它與野生型紅眼雌果蠅交配而留下了后代。他發(fā)現(xiàn)，這只白眼雄果蠅與通常的紅眼雌果蠅交配，F(xiàn)1中雌雄果蠅均為紅眼，F(xiàn)2中雌果蠅全部為紅眼，雄果蠅有紅眼和白眼（圖4）。

圖4 摩爾根果蠅雜交實(shí)驗(yàn)

教師利用摩爾根及其同事的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)過程圖，給學(xué)生創(chuàng)設(shè)問題情境：摩爾根等人將白眼雄果蠅與紅果蠅交配，F(xiàn)1雌雄果蠅均為紅眼，分析出紅眼對白眼為顯性性狀，但F2中紅眼果蠅與白眼果蠅比例接近于3∶1，這跟孟德爾的實(shí)驗(yàn)比值有什么關(guān)聯(lián)呢？且雌果蠅全是紅眼，雄果蠅有紅眼和白眼，比例接近于1∶1，為什么白眼全部是雄果蠅呢？教師利用圖4，促進(jìn)學(xué)生主動思考、提出問題，并引導(dǎo)學(xué)生作出三種假設(shè)：①白眼基因只位于X染色體上；②白眼基因既在X染色體上，也在Y染色體上；③白眼基因只位于Y染色體上。

判斷一種假設(shè)是否正確，僅能解釋已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是不夠的，還應(yīng)該運(yùn)用假說—演繹法，預(yù)測另外一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。學(xué)生分析上述實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)F1全部為紅眼，故很容易推出白眼基因不可能只位于Y染色體上，從而排出假設(shè)③。同時，根據(jù)孟德爾對F2基因型檢驗(yàn)的方法，想到讓F1的紅眼雌果蠅與親代白眼雄果蠅交配，并分別就假設(shè)①和②兩種情況畫出相應(yīng)的雜交圖解（圖5、圖6）。

圖5 假設(shè)白眼基因只在X染色體上

圖6 假設(shè)白眼基因在X染色體、Y染色體上

教師提供證據(jù)：摩爾根將第一個實(shí)驗(yàn)中的子一代的紅眼雌蠅和最初的那只白眼雄蠅進(jìn)行雜交（圖7）。果蠅的眼色遺傳符合孟德爾測交比，證明了紅眼雌蠅為雜合子。

圖7 摩爾根果蠅雜交實(shí)驗(yàn)（二）

學(xué)生分析摩爾根實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與自己的兩種預(yù)測進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)仍然不能將假設(shè)①或者②排除，進(jìn)一步推測：如果Y染色體上有相應(yīng)的眼色基因，那么自然界紅眼雄果蠅與白眼雌果蠅交配，后代無論雌雄將均為紅眼；如果Y染色體上沒有相應(yīng)的眼色基因，自然界紅眼雄果蠅與白眼雌果蠅交配，后代中雄果蠅應(yīng)該都為白眼。于是，學(xué)生提出讓測交后代中的白眼雌果蠅與自然界紅眼雄果蠅交配，就假設(shè)①和②兩種情況畫出相應(yīng)的雜交圖解（圖8、圖9）。

圖8 假設(shè)白眼基因只在X染色體上

圖9 假設(shè)白眼基因在X、Y染色體上

教師提供證據(jù)：摩爾根將第二個實(shí)驗(yàn)雜交所得的白眼雌蠅與一個毫無親緣關(guān)系的純種紅眼雄蠅雜交（圖10），發(fā)現(xiàn)子一代中雌蠅全為紅眼，雄蠅全為白眼。此結(jié)果出乎意料。這種雌性親本的性狀傳遞給性子代，雄性親本的性狀傳遞給雌性子代的現(xiàn)象。

圖10 摩爾根果蠅雜交實(shí)驗(yàn)（二）

教師引導(dǎo)學(xué)生分析摩爾根第三個實(shí)驗(yàn)，學(xué)生看出結(jié)果與假設(shè)①相符，從而順利得出“控制白眼性狀的基因位于X染色體上，Y染色體上不帶有這個基因的等位基因”的結(jié)論。

3 論證式教學(xué)的反思

論證教學(xué)不僅關(guān)注實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和最后的主張，更加關(guān)注論證的質(zhì)量和過程，對學(xué)生科學(xué)思維能力的發(fā)展起到了推動作用。論證式教學(xué)可以促進(jìn)學(xué)生學(xué)以致用、學(xué)會歸納。在本節(jié)課上，學(xué)生從聯(lián)系已學(xué)的減數(shù)分裂和孟德爾遺傳定律相關(guān)的知識經(jīng)驗(yàn)開始，進(jìn)行分析，運(yùn)用類比推理的方法，提出可能的、合理的猜想。論證式教學(xué)可推助學(xué)生進(jìn)行演繹推理，讓課堂成為充滿智慧的活動課堂，使學(xué)生在假設(shè)和預(yù)測、嘗試驗(yàn)證假設(shè)的過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題、尋找證據(jù)、作出評價以及相互修正，時刻進(jìn)行著深度思考和探究。論證式教學(xué)還鼓勵學(xué)生勇于質(zhì)疑，敢于批判，在嚴(yán)密的邏輯推理、充分的證據(jù)等基礎(chǔ)上不斷求證，培養(yǎng)他們的批判性思維。當(dāng)然，論證式教學(xué)是否適用于高中生物學(xué)的所有教學(xué)內(nèi)容，還有待進(jìn)一步的探索和嘗試。