Scratch編程軟件助力生物實驗教學

魏波 曾利華

“孟德爾的豌豆雜交實驗”是人教版生物八年級教材的內容。由于教學時間和條件的限制，學生往往在無實驗過程體驗和實驗數據支持的情況下，僅通過分析教材圖片，被動接受基因的顯性和隱性的相關知識。為改進教學，筆者用圖形化編程軟件Scratch3.0虛擬再現豌豆雜交實驗的探究過程和結果，引導學生用實驗數據驗證遺傳定律，促進學生深度學習。

一、結合疑難問題，設計虛擬實驗探究路徑

學習本課，學生往往會產生一系列疑問：隱性性狀在什么情況下會表現出來？顯性性狀是否含有隱性基因？顯性性狀穩定遺傳的概率是多少？怎樣借助雜交實驗數據的統計結果，判斷性狀的顯性和隱性？

為解開這些疑惑，筆者這樣設計教學：先根據雜交實驗中豌豆的某種相對性狀是否會“憑空消失”或“無中生有”地出現，抑或是雜交后代的性狀分離比例是否為3∶1，設計虛擬實驗程序，引導學生理解“只要出現上述現象中的任意一個（也可能同時滿足多個），就可以從宏觀上判定相對性狀的顯性和隱性”，再通過進一步分析，理解“性狀相同其基因組成不一定相同，同一性狀可以有多種基因組合形式”，進而得出顯性基因和隱性基因在親子間傳遞的過程中所表現的性狀變化規律。

為輔助學生學習，筆者對上述三種判定方式逐一進行編程，將編譯的可執行文件推送給學生，讓學生用平板電腦運行程序，動態演示實驗過程，并依據統計數據得出與孟德爾實驗一致的結論。

二、借助編程演示，分析相對性狀的顯性和隱性

1.“憑空消失”的性狀是隱性性狀

課前，筆者選取圓粒和皺粒的豌豆種子作為親本，啟動Scratch3.0軟件，設計用“豌豆射手”投射豌豆的指令，對角色“鉛筆”進行編程，以連線等方式繪制親代與子一代的性狀和基因圖譜（如圖1）。

課堂上，學生用平板電腦打開可執行文件，按下數字鍵“1”，可看到“豌豆射手”投射親代和子代豌豆的過程，并發現圓粒和皺粒的親代雜交的子一代全為圓粒。隨后，筆者引導學生思考如下問題：子一代中為什么沒有皺粒？皺粒的性狀消失后，控制皺粒性狀的基因是否也一同消失了？子一代的圓粒與親代的圓粒基因組成相同嗎？帶著這些疑問，學生按下數字鍵“2”，電腦顯示圓粒和皺粒親代的基因組成都是純合子（分別用“AA”和“aa”表示）。學生聯系有性生殖相關知識，明確形成受精卵的過程中，子代的基因組成只有一種，即雜合子“Aa”。筆者讓學生按下數字鍵“3”，程序加速運行，模擬多次重復實驗，結果顯示：子一代都是圓粒且基因組成都是“Aa”。學生在導學案上記錄模擬實驗現象并總結：親代性狀不同而子代性狀相同，消失的一種性狀是隱性性狀。

2.“無中生有”的性狀是隱性性狀

筆者課前選取圓粒的豌豆種子作為親本，對角色“鉛筆”進行編程，得出如圖2所示的基因圖譜。

同樣地，學生按下數字鍵“1”運行程序，發現親代都是圓粒，子一代卻出現了皺粒。由此，學生產生很多疑問：子一代的皺粒性狀是如何顯現的？子一代出現皺粒的概率有多大？子一代中的圓粒基因組成相同嗎？筆者讓學生按下數字鍵“2”，電腦顯示親代的圓粒豌豆都是雜合子“Aa”。學生進一步討論發現，子一代的基因組合有“AA、Aa、aa”三種，但性狀只有圓粒和皺粒兩種。至此，學生從基因層面形成了“隱性性狀要得以顯現，其基因組成必須是aa”的關鍵認知。程序運行過程中，有少數學生的屏幕上沒有出現隱性性狀，筆者就此引導學生繼續探究。學生按下數字鍵“3”，程序加速運行，最終呈現出與圖2一致的結果。經過筆者點撥，學生認識到豌豆種子數量少，實驗具有偶然性，實驗次數少，其結果會產生統計學誤差。最后，學生記錄“豌豆父本和母本均為圓粒，子一代中有圓粒和皺粒，則圓粒為顯性性狀，皺粒為隱性性狀”的實驗現象，并自主歸納出“親代性狀相同而子代性狀不同，與親代相同的性狀是顯性性狀，‘憑空出現的另一個性狀是隱性性狀”的結論。

3.根據性狀分離比判斷基因性狀

前兩個實驗都指向豌豆的單一性狀。雙性狀的豌豆雜交后，子代的性狀表現如何呢？筆者課前選取純種黃色圓粒和綠色皺粒的豌豆作為親本，對“豌豆射手”和各種性狀的子一代豌豆逐一進行編程，達到如下效果：①按下數字鍵“1”，“豌豆射手”快速連續投射的諸多子一代豌豆全為黃色圓粒；②按下數字鍵“2”，對“豌豆射手”投射的各種性狀的子二代豌豆進行計數（時間越長，投射速度越快，投射的數量越多）；③按下數字鍵“0”，結束投射，統計各種性狀的子二代豌豆數量之比。

學生在平板電腦上運行程序，得到如圖3（簡化性狀標記，如“黃圓”表示“黃色圓粒”）所示的統計結果。

筆者讓學生用表格整理實驗數據，并小組討論數字呈現的規律。學生發現下表中各種性狀子粒數的比大致為9∶3∶3∶1。

隨后，一名小組代表匯報：黃色圓粒：綠色圓粒=3∶1，則黃色圓粒為顯性性狀、綠色圓粒為隱性性狀；黃色圓粒：黃色皺粒=3∶1，則黃色圓粒為顯性性狀、黃色皺粒為隱性性狀；綠色圓粒：綠色皺粒=3∶1，則綠色圓粒為顯性性狀、綠色皺粒為隱性性狀；黃色皺粒：綠色皺粒=3∶1，則黃色皺粒為顯性性狀、綠色皺粒為隱性性狀。另一名小組代表總結：親代性狀相同，子代性狀分離且分離比是3∶1，則占3份的是顯性性狀，占1份的是隱性性狀。

以上教學，學生通過模擬不同種子形狀、種皮顏色的豌豆雜交實驗，深入理解了判斷基因的顯性和隱性的方法。后續，學生討論得出：豌豆的其他性狀表現也可以通過“無中生有”“憑空消失”“子代性狀分離比為3∶1”，確定其基因的顯性和隱性。

三、聯系實際拓展，深化理解生物遺傳規律

拓展環節，筆者設置作業，讓學生結合“南橘北枳”現象，討論“生物的性狀是否只受基因控制，環境因素對生物的性狀是否有影響”。經過互評和師評，優秀作業“生物的性狀由基因控制，也受環境影響。‘橘生淮南為橘，橘生淮北為枳是由兩地的氣候差異所決定的。如果把淮南的橘子樹移栽到淮北，所結果實為枳；如果把淮南橘子樹的枝條嫁接到淮北的枳樹上，并且受枳樹的花粉，所結果實也是枳，且果皮和種子胚的基因組成相同。這一實例證明，性狀改變可以由環境變化引起，但其遺傳基因并沒有改變，也不會遺傳給子一代”被發布到班級中群展示。

（作者單位：魏波，天門市萬林實驗小學；曾利華，天門市天宜學校）