基于科学史训练逻辑思维的教学设计

陈洁 林颖韬

摘要 以“基因在染色体上”的探究史为主线展开教学，通过10则小资料及问题串相结合，引导学生重演萨顿及摩尔根团队的思维过程，逐步发展学生的归纳与概括、演绎与推理的科学思维，自主推理基因与染色体的位置及数量关系，并尝试解释孟德尔定律的实质。

关键词 科学思维 科学史 教学设计 基因 染色体

中图分类号 G633.91

文献标志码 B

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《新课标》）指出学生通过对高中生物课程的学习逐步形成科学思维的学科核心素养，而科学思维是尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。

“基因在染色体上”这一研究成果经历了近15年的探索，包含了大量的遗传实验事实。教师若能将此研究过程串成证据链，呈现证据，使学生沉浸式地体验科学探究的过程，阐释遗传现象，从而可以发展学生的归纳推理、演绎与推理等科学思维。

1教材分析

“基因在染色体上”位于人教版2019年版《必修2·遗传与进化》（以下称“新教材”）第二章第二节，衔接孟德尔遗传定律及减数分裂、受精作用，阐明了遗传因子与染色体（同源/非同源）的关系。在科学史上，研究减数分裂的萨顿为提出者，摩尔根团队在研究过程中以果蝇为实验材料，运用假说-演绎法，“误打误撞”地成为证明者，并发现伴性遗传，为后面学习“伴性遗传”埋下伏笔。

新教材中问题探讨的问题有所“升级”：不再直白提示学生遗传因子与同源染色体的联系，转而引导学生思考人类基因组测序的染色体数量问题。这与《新课标》的发展“科学思维”不谋而合。新教材编者基于对类比推理法概念的理解及萨顿提出“等位基因与染色体行为的相似性”这一科学事实的分析，将“类比推理”删除，同样也是尊重事实和证据，运用科学的思维方法认识事物的体现。

2教学目标

1说出细胞学和遗传规律的有关基础知识;阅读萨顿的论文信息，认同科学需技术的支持，通过移动染色体和遗传因子的活动，理解萨顿提出的假说。

2分析摩尔根团队的科学史材料，推理“基因在染色体上”的实验证据，并运用假说演绎法分析果蝇杂交实验，认同科学研究需要团队合作，大胆质疑及勤奋实践。

3尝试阐明孟德尔遗传定律的实质。

3教学过程3.1导入

学生通过参与希沃白板的“趣味分类”游戏——“孟”派vs“减”派大挪移游戏，温故知新，分析孟德尔定律中遗传因子与减数分裂中染色体的行为特点。

3.2学习新知

3.2.1学习提出者萨顿的假说

教师提供阅读资料1、2，介绍科学家蒙哥马利及萨顿在减数分裂、受精作用过程中关于染色体的研究成果，以及萨顿提出的假说。

11901年，蒙哥马利研究椿象减数分裂提出染色体在体细胞中成对存在。

2威尔逊的学生萨顿观察的对象是蝗虫细胞，在其1902年发表的文章中表明蝗虫细胞有成对的同源染色体，并于1903年发表的文章中表明雌性蝗虫卵原细胞含22条常染色体，雄性蝗虫的精原细胞含23条染色体，产生的两种配子分别含12条、11条。

教师提出问题，引导学生思考：

1材料中的信息与人们现在对蝗虫染色体组成的认识有什么异同点？差异的原因是什么？

2萨顿提出假说“基因在染色体上”的依据是什么？学生通过讨论，分析资料，从而理解当时的科学技术的限制了科学家对生命现象的认识。学生在认同萨顿假说后，进行实操体验，利用平板，移动配子形成过程的染色体及遗传因子，体验并理解“基因在染色体上”。

3.2.2学习证明者摩尔根团队的果蝇杂交实验

教師提供资料3-10，介绍摩尔根的性格及其做果蝇杂交实验的背景，呈现研究历程。学生根据事实，推理“基因在染色体上”的实验证据。

31908年，摩尔根开始在实验室培养果蝇，想看看是否能在动物中发现德佛里斯式的新种水平大突变。

4在1910年1月，摩尔根发现了几个突变体，将突变体与野生型杂交后，子代性状比都不是明显的3∶1或者9∶3∶3∶1。

51910年5月，摩尔根在他的培养瓶中发现了一只白眼雄果蝇，将它与一只正常红眼雌果蝇杂交，子代性状比符合孟德尔比例，但白眼性状只出现在雄果蝇。该杂交实验如图1所示。

61905～1908年，植物学家和动物学家的细胞学研究清楚地说明雄配子（花粉或精子）有两种类型：携带X染色体或Y染色体。对于大多数生物来说，雄配子决定性别。

7红眼雌果蝇有纯合体和杂合体两种类型。而雄果蝇中红眼是杂合体，白眼是纯合体。在1910年，威尔逊甚至建议摩尔根，最简单的解释就是假设眼色因子与X染色体相联系。

8红眼雌果蝇和白眼雄果蝇测交结果：红眼雌果蝇126只，红眼雄果蝇132只，白眼雌果蝇120只，白眼雄果蝇115只。红眼雄果蝇和白眼雌果蝇测交结果∶红眼雌果蝇和白眼雄果蝇为1∶1。

91910年的夏天，培养中出现了更多的突变体，出现了残翅、袖珍翅和黄身这些像白眼一样是“性别限定”的性状。利用威尔逊的建议——将这些性状成为X染色体的一部分，则解释起来便顺理成章。

10“孟德尔-染色体”范式的建立。摩尔根的学生组成了充满热情的团队，推动染色体图谱工作，并开始详细阐述一整套遗传法则，拓展和澄清了孟德尔主义模型，延伸到了更多的问题。

教师提出问题，引导学生分析：

1摩尔根团队最初选择果蝇作为实验材料目的是什么？果蝇作为实验材料的优点是什么？

2最初的遗传实验结果是否意味着这些性状不遵循孟德尔定律？什么原因导致这样的结果？

3回忆遵循孟德尔定律的必要條件。并对该结果进行分析、推理。

4仔细观察图1，图中所示的果蝇染色体组成和你所认识的有何不同？推测摩尔根对控制眼色的基因位置的想法。这一期间的研究结果关于性染色体组成上有什么新的发现？

5请根据摩尔根的假设，观察书本杂交实验的遗传图解。该图解和孟德尔的遗传图解有何不同？该假说能够解释已出现的实验结果，是否说明假说正确？还应如何做？

6观察书本31页的遗传图解，比较基因在性染色体上和常染色体上时，遗传图解的差异。得到基因在性染色体上时，应写出性染色体，并把基因写在右上角。

7根据以上资料，可以得到什么信息？如此，孟德尔定律中成对的遗传因子（等位基因）为什么分离？决定不同性状的遗传因子（非等位基因）为什么自由组合？

8“基因在染色体上”“伴性遗传”的发现是摩尔根一人的研究成果吗？从这个发现史，能学到什么呢？

学生通过讨论，了解摩尔根的性格背景及理解做相关实验的初衷;并根据书本的小资料得出果蝇作为遗传学实验材料具有易饲养、繁殖快、子代多、多对易于区分的性状等优点;观察摩尔根提出杂交过程的遗传图解，推理眼色的显隐性，并思考问题。体会、理解摩尔根的研究是经过反复的推演;知道果蝇的性染色体为XY。教师利用智慧课堂，收集实验设计方案，展示个别学生小组的方案，并进行评价。学生分析资料，发现多个性状与性别相关联，推理性染色体上有多个基因，从而阐明孟德尔遗传定律的实质。教师引导学生讨论科学研究需要的品质，使学生认同科学研究在团队个体的思维碰撞与合作下更容易取得成功，科学研究需要有理有据的质疑，更需要孜孜不倦的实践与证明。

3.3学生构建思维导图（图2）进行小结

4教学反思

本节课以“基因在染色体上”的发现史为主线索展开教学，培养了学生的逻辑思维能力，运用假说-演绎法解决问题的能力，利用现代信息技术手段，活跃课堂，调动学生学习积极性，更有利于教师收集和掌握学生学习情况。

本节课利用游戏复习孟德尔遗传规律及减数分裂，从而导入学习，使学生在游戏中温故知新，提高学生的学习积极性。教师在第一环节利用信息技术手段——希沃白板、智慧课堂、平板作答，让每个学生参与3个互动游戏，动手实践，深入理解基因在染色体上这一假说。第二环节主要通过教师引导学生分析摩尔根团队研究历程的资料，运用学案教学法、探究式问题讨论法、引导探索法等方法，循序渐进，让学生有沉浸式的体验，深入理解摩尔根的研究过程、研究方法，从而掌握学习内容，并通过自主设计实验方案，运用假说演绎法突破本节课重难点。最后小结、练习巩固知识点。但是，本节课在游戏互动环节，应多展示几位学生的作答情况，更多地了解学生学习情况，便于下一个教学活动的开展。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[S]：北京：人民教育出版社，2020：5.

[2]郑春和.萨顿对“基因在染色体上”的推理方式[J].生物学通报，2010，（5）：28-30.

[3]Sutton W S.On the morphology of the chromosome group in Brachystola MagnaLJ].Biological Bulletin，1902，（14）：24-39.

[4]Garland E.Allen.How Many Times Can You Be Wrong and Still Be Right？T.H.Morgan，Evolution，Chromosomes and the Origins of Modern Genetics[J].Science Education，2015，（24）：77-79.

[5]戴维·班布里奇X染色体的故事[M].北京：中国社会科学出版社，2006：1-21.

3283500316590