開源硬件在高中生物學(xué)“性狀分離比的模擬實驗”中的應(yīng)用

李俊 湖北省武漢市江夏區(qū)教學(xué)研究室

人教版高中生物學(xué)必修二中關(guān)于遺傳學(xué)進(jìn)行有性生殖的親本，在形成配子時，成對的遺傳因子發(fā)生分離；受精時，雌雄配子又會隨機(jī)結(jié)合成合子。當(dāng)雜合子自交時，后代出現(xiàn)性狀分離，性狀分離比為顯性∶隱性=3∶1。

教材中“性狀分離比的模擬實驗”用到的裝置是乒乓球和小桶，很多生物教師也有利用其他材料如彩色玻璃珠[1]、紙卡片[2]、撲克牌[3]等材料進(jìn)行實驗。筆者前幾年也用過粉筆和圍棋棋子充當(dāng)實驗材料進(jìn)行實驗教學(xué)，實驗結(jié)果總是離理想值較遠(yuǎn)。同時，“性狀分離比的模擬實驗”只探究了一對相對性狀分離比的情況，對兩對性狀分離比的情況并沒有進(jìn)一步探討，雖然有很多教師設(shè)計了兩對性狀分離比的模擬實驗，但用到的實驗器材還是傳統(tǒng)的彩球、彩色玻璃球、撲克牌等。[4][5]筆者思考，既然是模擬實驗，應(yīng)用開源硬件來模擬此過程是否也可行呢？

于是，筆者嘗試用開源硬件—掌控板來實現(xiàn)模擬過程，實現(xiàn)對遺傳因子的自由組合和雌雄配子的隨機(jī)結(jié)合的過程。

用四塊已編程的掌控板分別代表生殖器官，雌雄各兩塊，搖動雌性兩塊掌控板可分別出現(xiàn)字母Y或y、R或r，搖動雄性兩塊掌控板可分別出現(xiàn)字母Y或y、R或r，將同性別的兩塊掌控板中出現(xiàn)的字母組合在一起模擬基因的自由組合過程，用四塊板中隨機(jī)出現(xiàn)的字母結(jié)合，模擬生物在生殖過程中，雌雄配子的隨機(jī)組合的過程。

●實驗裝置

掌控板是一塊普及STEAM創(chuàng)客教育、人工智能教育、編程教育的開源智能硬件，它集成ESP-32高性能雙核芯片，支持Wi-Fi和藍(lán)牙雙模通信，可作為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。同時，掌控板上集成了OLED顯示屏、RGB燈、三軸陀螺儀、按鍵開關(guān)、觸摸開關(guān)等硬件設(shè)備，支持圖形化及Python代碼編程，可實現(xiàn)智能機(jī)器人、創(chuàng)客智造作品等智能控制類應(yīng)用。此開源硬件在淘寶上就可以購買，價格便宜。

掌控板擁有三軸陀螺儀，可以識別掌控板的位置信息，通過圖形化編程編輯好程序，當(dāng)搖動掌控板時，OLED顯示屏上會隨機(jī)出現(xiàn)D或者d字母，從而模擬教科書中將乒乓球放入小桶中搖晃的過程。

●一對相對性狀分離比模擬實驗設(shè)計

1.實驗步驟

（1）編程：電腦下載安裝mPython軟件，連接掌控板，進(jìn)行圖形化編程，將程序下載到掌控板中，編程如下頁圖1所示。

圖1 一對相對性狀圖形化程序

（2）分組：兩人為一組進(jìn)行實驗，一人負(fù)責(zé)實驗操作，一人記錄實驗結(jié)果。

（3）一位學(xué)生同時搖動兩塊掌控板，另一位學(xué)生記錄兩塊屏幕出現(xiàn)的字母代表的遺傳因子組合。

（4）重復(fù)（3）步驟50～100次，統(tǒng)計結(jié)果。

2.圖形化程序解釋

當(dāng)掌控板被搖動時，執(zhí)行隨機(jī)抽取數(shù)字1和2程序，當(dāng)抽取的數(shù)字為1時，掌控板顯示屏上顯示字母D，當(dāng)抽取的數(shù)字為2時，掌控板顯示屏上顯示字母d。

3.實驗結(jié)果記錄、匯總和分析

以小組為單位完成模擬實驗并將實驗結(jié)果填入表1中（以寫“正”形式，記錄各遺傳因子組合次數(shù)）。

表1 一對相對性狀分離比記錄

筆者將學(xué)生共分為九組進(jìn)行實驗，每組在規(guī)定的時間內(nèi)進(jìn)行，實驗完畢后將結(jié)果匯總，并將九個組的顯性和隱性的結(jié)果分別相加，得到總結(jié)果。

根據(jù)結(jié)果可以得出結(jié)論：F1自交得到F2，F(xiàn)2中會出現(xiàn)性狀分離，性狀分離比約為3∶1，實驗重復(fù)的次數(shù)越多，實驗結(jié)果越準(zhǔn)確。運用掌控板作為一對相對性狀的性狀分離比模擬實驗裝置的實驗效率和結(jié)果準(zhǔn)確性均高于傳統(tǒng)實驗。

4.實驗中遇到的問題及解決方案

在搖動掌控板時，會連續(xù)出現(xiàn)相同的字母，有學(xué)生產(chǎn)生了疑問：到底是搖動過程中隨機(jī)出現(xiàn)的相同字母還是搖動時力度和角度不夠?qū)е伦帜笡]有變化？如果是后者，這個結(jié)果的可信度就不高。為了解決以上問題，將程序重新改寫（如圖2），將搖動掌控板出結(jié)果改成每按一次按鍵A出一個結(jié)果，這樣就避免了以上問題的發(fā)生，結(jié)果的可信度進(jìn)一步加強(qiáng)。

圖2 一對相對性狀圖形化改進(jìn)程序

●兩對相對性狀分離比模擬實驗設(shè)計

1.實驗步驟

（1）編程：電腦下載安裝mPython軟件，連接掌控板，進(jìn)行圖形化編程，將程序下載到掌控板中，編程如圖3所示。

圖3 兩對相對性狀圖形化程序

（2）分組：三人為一組進(jìn)行實驗，每組準(zhǔn)備四塊掌控板，雌性和雄性各兩塊，兩位學(xué)生分別負(fù)責(zé)操作雌性和雄性的掌控板，第三位學(xué)生記錄四塊掌控板屏幕上出現(xiàn)的字母組合。

（3）兩位學(xué)生分別同時搖動各自的兩塊掌控板，另一位學(xué)生記錄四塊屏幕出現(xiàn)的字母代表的遺傳因子組合。

（4）重復(fù)（3）步驟50～100次，統(tǒng)計結(jié)果。

2.圖形化編程解釋

掌控板1：當(dāng)按下A按鍵時，執(zhí)行隨機(jī)抽取數(shù)字1和2，當(dāng)抽取的數(shù)字為1時，掌控板顯示屏上顯示字母Y，當(dāng)抽取的數(shù)字為2時，掌控板顯示屏上顯示字母y。

掌控板2：當(dāng)按下A按鍵時，執(zhí)行隨機(jī)抽取數(shù)字1和2，當(dāng)抽取的數(shù)字為1時，掌控板顯示屏上顯示字母R，當(dāng)抽取的數(shù)字為2時，掌控板顯示屏上顯示字母r。

3.實驗結(jié)果記錄、匯總和分析

以小組為單位完成模擬實驗并將實驗結(jié)果填入表2（以寫“正”形式，記錄各遺傳因子組合次數(shù)）。

表2 兩對相對性狀分離比記錄

筆者將學(xué)生分為八組進(jìn)行實驗，每組在規(guī)定的時間內(nèi)進(jìn)行實驗，實驗完畢后將結(jié)果匯總，并將八個組的結(jié)果分別相加，得到總結(jié)果。

根據(jù)結(jié)果可以得出結(jié)論：F1自交得到F2，F(xiàn)2中會出現(xiàn)性狀分離，性狀分離比約為9∶3∶3∶1，實驗重復(fù)的次數(shù)越多，實驗結(jié)果越準(zhǔn)確。運用掌控板作為兩對相對性狀的性狀分離比模擬實驗裝置的實驗效率和結(jié)果準(zhǔn)確性均高于傳統(tǒng)實驗。

4.實驗中遇到的問題及解決方案

最初的實驗設(shè)計是雌雄器官各用一塊掌控板，圖形化程序如圖4所示，當(dāng)按下掌控板A鍵時，執(zhí)行以下程序屏幕會隨機(jī)出現(xiàn)YR、Yr、yR、yr四種配子，兩塊屏幕出現(xiàn)的配子組合即為一次自由組合的結(jié)果。雖然用以下程序也能模擬基因自由組合中分離比的情況，結(jié)果也非常接近9∶3∶3∶1的比例，但該程序存在的問題是沒有辦法解釋兩對相對性狀在形成配子時非等位基因的自由組合的過程。例如，當(dāng)按下A鍵隨機(jī)出現(xiàn)的數(shù)字是2，則屏幕上出現(xiàn)Yr，Yr是連接在一起的，所以，筆者將硬件和程序做了相應(yīng)修改，將雌雄各用一塊掌控板改成雌雄各用兩塊掌控板，并將程序改為如圖1所示的程序，每塊掌控板只負(fù)責(zé)一種字母，兩塊掌控板上出現(xiàn)的不同字母組合即表示為有性生殖的生物在形成配子時，非等位基因發(fā)生的自由組合的過程。

圖4 兩對相對性狀圖形化程序

●本實驗創(chuàng)新點

教學(xué)組織創(chuàng)新點：首先是進(jìn)行分組實驗，統(tǒng)計每組的結(jié)果后匯總所有結(jié)果，得到一個非常大的數(shù)字組合，本實驗中統(tǒng)計數(shù)字越大，與預(yù)期結(jié)果越吻合。

教學(xué)設(shè)計創(chuàng)新點：應(yīng)用開源硬件編程模擬實驗過程，速度比傳統(tǒng)實驗更快，在有限的時間內(nèi)能夠統(tǒng)計更多的結(jié)果，統(tǒng)計的結(jié)果越多，實驗結(jié)果就越準(zhǔn)確，從而達(dá)到更好的實驗效果。

●小結(jié)

通過以上兩個實驗可以得出結(jié)論：運用開源硬件作為性狀分離比模擬實驗裝置的實驗效率和結(jié)果準(zhǔn)確性均高于傳統(tǒng)實驗，開源硬件可以很好地與生物學(xué)科深度融合。作為教師，也應(yīng)系統(tǒng)學(xué)習(xí)各類軟硬件，這樣才能更好地運用新技術(shù)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。