利用科学思维提升遗传模块习题课效率

程佳佳

(广东省中山市第一中学)

科学思维方法的培养已经渗透进生物学科教学的方方面面,在新高考的背景下,试题更多地关注对学生科学思维的考查。遗传模块的试题是学生普遍反映的难点。学生解题时,思维的主动性被充分调动,此时思维上的缺陷就被充分地暴露出来。利用好这类试题的习题课,教师就为学生科学思维的培养搭建了脚手架。科学思维方法包括归纳法、演绎法、比较、分类和类比法等逻辑方法,以及形象思维等非逻辑方法。本文以不完全归纳法、形象思维两种科学思维方法为例,说明习题课对学生科学思维训练的策略和实践。

一、不完全归纳法

简单枚举归纳法是不完全归纳法的一种类型,指根据某类事物的部分个体具有某种属性,从而得出该类事物都具有该属性的推理方法。

【典型例题】将全部DNA分子双链经32P标记的某雄性动物的1个细胞(正常体细胞染色体数为2n=20)置于不含32P的培养基中培养,经过连续两次细胞分裂后产生4个子细胞。下列有关推断正确的是

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A.若进行有丝分裂,第二次有丝分裂后期,1个细胞中被32P标记的染色体为40条

B.若进行减数分裂,减数分裂Ⅱ后期,1个细胞中被32P标记的染色体为40条

C.若进行有丝分裂,则4个子细胞中含32P标记的染色体的子细胞比例一定为1/2

D.若进行减数分裂,则4个子细胞中含32P标记的染色体的子细胞比例一定为1

【答案】D

【解析】题述雄性动物正常体细胞染色体数为20,若其细胞进行有丝分裂,则第二次分裂后期,着丝粒分裂,姐妹染色单体分离成为子染色体,1个细胞中含有40条染色体,其中被32P标记的染色体数为20条,由于姐妹染色单体分离后随机移向细胞两极,最后形成的4个子细胞中含32P标记的染色体的子细胞比例不确定,A、C错误;若细胞进行减数分裂,DNA复制后每条染色体上的2条染色单体都含32P,减数分裂Ⅱ后期的次级精母细胞中含有20条染色体,且每条染色体都含32P,最终形成的4个精细胞每条染色体都含32P,B错误,D正确。

【核心问题】含32P标记的染色体的子细胞比例是学生比较困惑的问题,对这个问题进行深入分析。

1.问题引领,深度体验

问题1:题干中所提及的细胞第一次有丝分裂后期,1个细胞中被32P标记的染色体为多少条?子细胞中含32P标记的染色体的子细胞数目有几个?

后期染色体数目加倍,且全都被32P标记。故染色体为40条,含标记的子细胞为2个。

2.进阶训练,螺旋提升

问题2:第二次有丝分裂后期,1个细胞中被32P标记的染色体为多少条?4个子细胞中含32P标记的染色体的子细胞数目有几个?

因为分裂一次之后每一条染色体的DNA只有一条链被标记,因此第二次有丝分裂后期时有一半染色体被标记,即20条。由于姐妹染色单体分离后随机移向两极,且第一次有丝分裂所产生的两个细胞分裂情况相似:每一个细胞的子细胞最多全部被标记(2个),最少一个被标记(1个)。故4个子细胞中含标记的细胞数为2或3或4个。

3.利用不完全归纳法,揭开内部的规律

问题3:第三次有丝分裂后,8个子细胞中含32P标记的染色体的子细胞数目为几个?

延续上述分析思路,最多8个子细胞均被标记;若姐妹染色单体在移向两极时,被标记单体全部移向一极时,子细胞中被标记的数量最少,为2个,因此范围为[2,8]。

将3次分析的结果,可归纳其中的规律,即子细胞中含32P标记的染色体的子细胞数目范围为[2,2m]。上述结论是否合理,可引入细胞中染色体数目这个变量进行公式的修正。

问题4:若细胞中有n条染色体,进行m次有丝分裂,含32P标记的染色体的子细胞数目有几个?

分析n和m的数量关系:n条染色体,共有2n条链,子细胞最多有2n个被标记,若分裂后2n>2m,则最多有2m个被标记的子细胞,最少有2个细胞被标记,范围为[2,2m];若2n≤2m,则最多有2n个被标记的子细胞,最少有2个细胞被标记,范围为[2,2n]。

通过以上问题的分析,从个别事实中概括出了一个较为具体的规则,得到了概括性的结论;最后对这种概括性结论的适用条件进行分析,对模型进行修正。通过这种形式的思维训练,学生掌握归纳法的一般步骤,提升了科学思维,并为后一阶段的学习,如种群数量增长模型的构建打下基础。

二、形象思维

形象思维是在反映事物具体形态的感性认识的基础上,通过意象、想象和联想来揭示对象的本质及其规律的思维形式。这种非逻辑的思维,没有严格的推理证明过程,但是与逻辑思维具有同等重要的意义。

【典型例题】基因型为Aa的个体,连续自交n代,且逐代淘汰aa,则第n代中各类个体所占比例是多少?

【核心疑惑问题】在F2淘汰aa时,是将整个F2各种基因型综合之后再变比例,为什么不能在括号里面直接淘汰掉aa,直接在括号内变比例(如图)?

正确的计算过程

【联想释疑】用数字代表个体时,学生很难理解两个过程的区别,可利用联想思维,引导学生由已知意象出发,理解深层次的原因。

给出前提:即淘汰之后,每一个存活个体的生存力即生产机会是相等的。F1两种基因型(1/3AA,2/3Aa)可以形象地比喻为两个鼠种群甲和乙,其中乙鼠种群的部分个体(aa)被淘汰,从而空余了部分食物资源,若按照图中下图进行比例变化,则乙鼠种群的存活个体AA和Aa获得了多余的资源,而甲种群的AA并未获得,最终导致每一个存活个体的生存机会不相等,因此,这种变换比例的做法是错误的。

生物学遗传模块中很多抽象的问题可以利用联想帮助理解,如在蛋白质的翻译过程中,将核糖体比喻为“缆车”,mRNA比喻为“缆绳”,帮助理解多聚核糖体的现象。总之,通过联想,用具体事物的某些特征及相互关系唤醒学生对抽象事物的某些特征和相互关系,搭建思维的脚手架,有利于提升学生的科学素养。