利用科學思維提升遺傳模塊習題課效率

程佳佳

(廣東省中山市第一中學)

科學思維方法的培養已經滲透進生物學科教學的方方面面,在新高考的背景下,試題更多地關注對學生科學思維的考查。遺傳模塊的試題是學生普遍反映的難點。學生解題時,思維的主動性被充分調動,此時思維上的缺陷就被充分地暴露出來。利用好這類試題的習題課,教師就為學生科學思維的培養搭建了腳手架。科學思維方法包括歸納法、演繹法、比較、分類和類比法等邏輯方法,以及形象思維等非邏輯方法。本文以不完全歸納法、形象思維兩種科學思維方法為例,說明習題課對學生科學思維訓練的策略和實踐。

一、不完全歸納法

簡單枚舉歸納法是不完全歸納法的一種類型,指根據某類事物的部分個體具有某種屬性,從而得出該類事物都具有該屬性的推理方法。

【典型例題】將全部DNA分子雙鏈經32P標記的某雄性動物的1個細胞(正常體細胞染色體數為2n=20)置于不含32P的培養基中培養,經過連續兩次細胞分裂后產生4個子細胞。下列有關推斷正確的是

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A.若進行有絲分裂,第二次有絲分裂后期,1個細胞中被32P標記的染色體為40條

B.若進行減數分裂,減數分裂Ⅱ后期,1個細胞中被32P標記的染色體為40條

C.若進行有絲分裂,則4個子細胞中含32P標記的染色體的子細胞比例一定為1/2

D.若進行減數分裂,則4個子細胞中含32P標記的染色體的子細胞比例一定為1

【答案】D

【解析】題述雄性動物正常體細胞染色體數為20,若其細胞進行有絲分裂,則第二次分裂后期,著絲粒分裂,姐妹染色單體分離成為子染色體,1個細胞中含有40條染色體,其中被32P標記的染色體數為20條,由于姐妹染色單體分離后隨機移向細胞兩極,最后形成的4個子細胞中含32P標記的染色體的子細胞比例不確定,A、C錯誤;若細胞進行減數分裂,DNA復制后每條染色體上的2條染色單體都含32P,減數分裂Ⅱ后期的次級精母細胞中含有20條染色體,且每條染色體都含32P,最終形成的4個精細胞每條染色體都含32P,B錯誤,D正確。

【核心問題】含32P標記的染色體的子細胞比例是學生比較困惑的問題,對這個問題進行深入分析。

1.問題引領,深度體驗

問題1:題干中所提及的細胞第一次有絲分裂后期,1個細胞中被32P標記的染色體為多少條?子細胞中含32P標記的染色體的子細胞數目有幾個?

后期染色體數目加倍,且全都被32P標記。故染色體為40條,含標記的子細胞為2個。

2.進階訓練,螺旋提升

問題2:第二次有絲分裂后期,1個細胞中被32P標記的染色體為多少條?4個子細胞中含32P標記的染色體的子細胞數目有幾個?

因為分裂一次之后每一條染色體的DNA只有一條鏈被標記,因此第二次有絲分裂后期時有一半染色體被標記,即20條。由于姐妹染色單體分離后隨機移向兩極,且第一次有絲分裂所產生的兩個細胞分裂情況相似:每一個細胞的子細胞最多全部被標記(2個),最少一個被標記(1個)。故4個子細胞中含標記的細胞數為2或3或4個。

3.利用不完全歸納法,揭開內部的規律

問題3:第三次有絲分裂后,8個子細胞中含32P標記的染色體的子細胞數目為幾個?

延續上述分析思路,最多8個子細胞均被標記;若姐妹染色單體在移向兩極時,被標記單體全部移向一極時,子細胞中被標記的數量最少,為2個,因此范圍為[2,8]。

將3次分析的結果,可歸納其中的規律,即子細胞中含32P標記的染色體的子細胞數目范圍為[2,2m]。上述結論是否合理,可引入細胞中染色體數目這個變量進行公式的修正。

問題4:若細胞中有n條染色體,進行m次有絲分裂,含32P標記的染色體的子細胞數目有幾個?

分析n和m的數量關系:n條染色體,共有2n條鏈,子細胞最多有2n個被標記,若分裂后2n>2m,則最多有2m個被標記的子細胞,最少有2個細胞被標記,范圍為[2,2m];若2n≤2m,則最多有2n個被標記的子細胞,最少有2個細胞被標記,范圍為[2,2n]。

通過以上問題的分析,從個別事實中概括出了一個較為具體的規則,得到了概括性的結論;最后對這種概括性結論的適用條件進行分析,對模型進行修正。通過這種形式的思維訓練,學生掌握歸納法的一般步驟,提升了科學思維,并為后一階段的學習,如種群數量增長模型的構建打下基礎。

二、形象思維

形象思維是在反映事物具體形態的感性認識的基礎上,通過意象、想象和聯想來揭示對象的本質及其規律的思維形式。這種非邏輯的思維,沒有嚴格的推理證明過程,但是與邏輯思維具有同等重要的意義。

【典型例題】基因型為Aa的個體,連續自交n代,且逐代淘汰aa,則第n代中各類個體所占比例是多少?

【核心疑惑問題】在F2淘汰aa時,是將整個F2各種基因型綜合之后再變比例,為什么不能在括號里面直接淘汰掉aa,直接在括號內變比例(如圖)?

正確的計算過程

【聯想釋疑】用數字代表個體時,學生很難理解兩個過程的區別,可利用聯想思維,引導學生由已知意象出發,理解深層次的原因。

給出前提:即淘汰之后,每一個存活個體的生存力即生產機會是相等的。F1兩種基因型(1/3AA,2/3Aa)可以形象地比喻為兩個鼠種群甲和乙,其中乙鼠種群的部分個體(aa)被淘汰,從而空余了部分食物資源,若按照圖中下圖進行比例變化,則乙鼠種群的存活個體AA和Aa獲得了多余的資源,而甲種群的AA并未獲得,最終導致每一個存活個體的生存機會不相等,因此,這種變換比例的做法是錯誤的。

生物學遺傳模塊中很多抽象的問題可以利用聯想幫助理解,如在蛋白質的翻譯過程中,將核糖體比喻為“纜車”,mRNA比喻為“纜繩”,幫助理解多聚核糖體的現象。總之,通過聯想,用具體事物的某些特征及相互關系喚醒學生對抽象事物的某些特征和相互關系,搭建思維的腳手架,有利于提升學生的科學素養。