基于假说一演绎法发展学生的科学思维及科学探究能力

2018-03-04 07:21刘莉宋立伟
中学生物学 2018年11期
关键词:摩尔根演绎法科学思维

刘莉 宋立伟

摘要 采用假说演绎法进行摩尔根的果蝇杂交实验教学,以问题为驱动,引导学生通过假设与论证、归纳与推理,循着科学家的思维路径,深度体验“假说演绎法”,充分感受逻辑推理之美,以此发展学生的科学思维和科学探究能力。同时,应用摩尔根的果蝇杂交实验判断基因在性染色体上的位置。

关键词 假说-演绎法 科学思维 科学探究 摩尔根 果蝇杂交实验

中图分类号 G633.91

文献标志码 B

文件编号:1003-7586(2018)11-0008-03

“摩尔根的果蝇杂交实验”是人教版高中生物《必修2·遗传与进化》第二章第二节“基因在染色体上的实验证据”的教学内容,属于遗传学经典实验,不仅为基因在染色体上提供了实验证据,也为学生后续学习伴性遗传奠定了基础。下面采用假说一演绎法进行摩尔根的果蝇杂交实验教学,以问题为驱动,引导学生逐步深入分析问题,解决问题,建构知识,以此发展学生的科学思维和科学探究能力。

1基于假说-演绎法的教学实施

1.1观察实验,提出问题

教师提供资料:1910年5月,摩尔根果蝇室的大群野生型红眼果蝇中出现了一只白眼雄果蝇,对于这只后来在科学史上非常出名的昆虫,摩尔根使它与野生型红眼雌蝇交配而留下了后代。实验结果符合孟德尔分离定律,学生很容易得出果蝇的红眼和白眼受一对等位基因的控制。同时,部分学生也注意到了白眼性状的个体都是雄蝇。因此,教师提出问题:(1)为什么白眼果蝇都是雄性?(2)依据萨顿的假说,控制眼色的基因是否在与果蝇性别有关的染色体上?教师以问题引发学生思考,激发学生的探究热情。

1.2分析问题,建立假说

教师介绍:20世纪初期,一些生物学家已经在一些昆虫的细胞中发现了性染色体。教师展示雄果蝇的染色体图、男性的染色体图,并提出问题:(1)X染色体、Y染色体大小相同吗?(2)X染色体都比Y染色体大吗?(3)X染色体、Y染色体是同源染色体吗?(4)所有生物都有性染色体吗?教师展示X染色体、Y染色体的同源区段和非同源区段的图片,以此加深学生对性染色体的认识。

在充分了解性染色体后,学生小组探究控制白眼基因的位置,大胆地提出2个假说:(1)控制眼色的基因位于Ⅱ-2区段。(2)控制眼色的基因位于I区段。并分别给出图1、图2论证各自的观点。

教师提出问题:(1)为何控制眼色的基因不能位于Ⅱ-1区段?(2)图1、图2均可解释实验现象,控制眼色的基因能够既位于Ⅱ-2区段也位于I区段吗?(3)假说仅仅能够解释已有的实验结果,假说就一定正确吗?(4)如何验证假说正确与否?

此时,因假说冲突,学生的学习热情已经被充分调动起来,学生产生了强烈的探究欲望。教师引导学生对假说进行演绎推理。

1.3演绎推理

为解决上述问题,学生设计测交实验对假说进行进行演绎推理。持控制眼色的基因位于Ⅱ-2區段观点的小组设计的测交实验遗传图解如图3所示,持控制眼色的基因位于I区段观点的小组设计的测交实验遗传图解如图4、图5所示。教师展示学生的成果,学生发现如仅按图3、图4进行测交实验,F1个体的表现型及比值是相同的,依然无法判断基因的位置。此时,教师提醒学生图5所示的测交实验,子代雌蝇均为红眼,雄蝇均为白眼。

教师提问:从性状杂交上看,图4、图5展示的杂交组合是什么关系?以此引导学生回忆正交和反交。受此启发,持控制眼色的基因位于Ⅱ-2区段观点的小组又设计了图6所示的杂交实验。然而,图5、图6所示的实验结果却又是相同的。

教师提问:图5、图6均是利用显性父本和隐性母本杂交,如将图5中XWYW更换为XWYW,即更换为野生型红眼雌果蝇,遗传图解如图7所示。教师引导学生分析,学生此时恍然大悟,图6、图7才是验证假说的关键性实验。

1.4实验检验,得出结论

教师引导学生回顾科学史,展示为验证假说的正确性摩尔根进行了一系列的验证性实验。①F1红眼雌蝇与白眼雄蝇杂交,子代中红眼雌蝇126只、红眼雄蝇132只、白眼雌蝇120只、白眼雄蝇115只,这与图3(或图4)的遗传图解基本一致。②为野生红眼雄蝇与白眼雌蝇杂交,即为经典的“显性父本×隐性母本”,子代中雌蝇均是红眼、雄蝇均是白眼,与图6所示的遗传图解相一致。由此,摩尔根得出结论:控制眼色的基因位于X染色体的Ⅱ-2区段,Y染色体上没有其等位基因。

1.5设计意图

本教学环节以问题为驱动,不断激发学生的探究欲望,有效地突出了学生的主体地位,有利于培养学生的思考能力、搜集和处理信息的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力。学生提出假说彰显了思维的灵活性和创造性,演绎推理的运用展现了科学过程的严谨与缜密。学生在学习过程中,逐渐领悟了:科学研究不仅需要缜密的思考、大胆的设想,也需要严谨的推理和确凿的实验证据。通过生生互动、分析讨论、合作探究,学生获取了基本的生物学知识,发展提升了推理、分析的能力,产生丰富的情感体验,也领悟了科学的思想观念及科学家们研究所用的方法,从而发展了科学思维和科学探究能力。本节课将知识、技能、情感融为一体,有效地培养了学生的核心素养,这是仅依靠教师讲解的传统课堂所无法给予的。

2摩尔根的果蝇杂交实验的应用——判断基因在性染色体上的位置

教学中,教师可基于摩尔根的果蝇杂交实验,引导学生来判断基因位于Y染色体的非同源区段、X染色体上的非同源区段、XY染色体的同源区段上,以此加深学生对所学知识的深入理解。

2.1判断基因位于Y染色体的非同源区段

基因位于Y染色体的非同源区段上,其遗传特点为仅雄性个体会表现出相应的性状,而雌性个体不会表现出相应的性状。上述情况很容易判断出,各类型考试中鲜有考查。

2.2判断基因位于X染色体的非同源区段或位于XY染色体的同源区段

正交和反交可判断基因位于X染色体的非同源区段或位于XY染色体的同源区段。若正交和反交后F1雌性均为显性性状,F1雄性均为显性性状或均为隐形性状,则基因位于X染色体上的非同源区段,遗传图解如图1、图6所示;若正交和反交后F1雌雄均为显性性状,则基因可能位于XY染色体的同源区段上,遗传图解如图2、图7所示。

值得注意的是,如果基因位于常染色体上,则正交和反交的结果与基因位于XY染色体的同源区段的结果相同。此时需F1雌雄个体相互杂交,通过观察F2每种表现型中的雌雄比来判断基因位于常染色体还是XY染色体的同源区段。如果F2中显性性状:隐形性状=3:1,但显性性状中♀:♂=1:1、隐性性状中♀:♂=1:1,则说明该性状的遗传与性别无关联,可判断基因位于常染色体上;如果F2中显性性状:隐形性状=3:1,但正交(反交)F2显性性状中♀:♂ =2:1,而反交(正交)F2显性性状中♀:♂=1:2,则说明性状的遗传与性别相关联,可判断基因位于XY染色体的同源区段上。

如果已经确认是伴性遗传(且基因不位于Y染色体的非同源区段上),只需观察正交和反交后F1表现型即可判断基因位置。若正交和反交后F1表现型相同,则基因位于XY染色体的同源区段上;若正交和反交后F1表现型不同,则基因位于X染色体上的非同源区段上。

本节课以问题为驱动,采取教师指导下的学生自主探究学习,利用多个连续的推理探究问题,通过层层探索,引导学生通过假设与论证、归纳与推理,循着科学家的思维路径,深度体验“假说一演绎法”,充分感受逻辑推理之美。在探索知识的发生与发展的过程,学生不仅构建了知识体系,也发展了自身的科学思维和科学探究能力。

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