基于假說(shuō)一演繹法發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維及科學(xué)探究能力

劉莉 宋立偉

摘要 采用假說(shuō)演繹法進(jìn)行摩爾根的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)假設(shè)與論證、歸納與推理，循著科學(xué)家的思維路徑，深度體驗(yàn)“假說(shuō)演繹法”，充分感受邏輯推理之美，以此發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。同時(shí)，應(yīng)用摩爾根的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)判斷基因在性染色體上的位置。

關(guān)鍵詞 假說(shuō)-演繹法 科學(xué)思維 科學(xué)探究 摩爾根 果蠅雜交實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào) G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

文件編號(hào)：1003-7586（2018）11-0008-03

“摩爾根的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)”是人教版高中生物《必修2·遺傳與進(jìn)化》第二章第二節(jié)“基因在染色體上的實(shí)驗(yàn)證據(jù)”的教學(xué)內(nèi)容，屬于遺傳學(xué)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，不僅為基因在染色體上提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)，也為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)伴性遺傳奠定了基礎(chǔ)。下面采用假說(shuō)一演繹法進(jìn)行摩爾根的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生逐步深入分析問(wèn)題，解決問(wèn)題，建構(gòu)知識(shí)，以此發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

1基于假說(shuō)-演繹法的教學(xué)實(shí)施

1.1觀察實(shí)驗(yàn)，提出問(wèn)題

教師提供資料：1910年5月，摩爾根果蠅室的大群野生型紅眼果蠅中出現(xiàn)了一只白眼雄果蠅，對(duì)于這只后來(lái)在科學(xué)史上非常出名的昆蟲(chóng)，摩爾根使它與野生型紅眼雌蠅交配而留下了后代。實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合孟德?tīng)柗蛛x定律，學(xué)生很容易得出果蠅的紅眼和白眼受一對(duì)等位基因的控制。同時(shí)，部分學(xué)生也注意到了白眼性狀的個(gè)體都是雄蠅。因此，教師提出問(wèn)題：（1）為什么白眼果蠅都是雄性？（2）依據(jù)薩頓的假說(shuō)，控制眼色的基因是否在與果蠅性別有關(guān)的染色體上？教師以問(wèn)題引發(fā)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生的探究熱情。

1.2分析問(wèn)題，建立假說(shuō)

教師介紹：20世紀(jì)初期，一些生物學(xué)家已經(jīng)在一些昆蟲(chóng)的細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了性染色體。教師展示雄果蠅的染色體圖、男性的染色體圖，并提出問(wèn)題：（1）X染色體、Y染色體大小相同嗎？（2）X染色體都比Y染色體大嗎？（3）X染色體、Y染色體是同源染色體嗎？（4）所有生物都有性染色體嗎？教師展示X染色體、Y染色體的同源區(qū)段和非同源區(qū)段的圖片，以此加深學(xué)生對(duì)性染色體的認(rèn)識(shí)。

在充分了解性染色體后，學(xué)生小組探究控制白眼基因的位置，大膽地提出2個(gè)假說(shuō)：（1）控制眼色的基因位于Ⅱ-2區(qū)段。（2）控制眼色的基因位于I區(qū)段。并分別給出圖1、圖2論證各自的觀點(diǎn)。

教師提出問(wèn)題：（1）為何控制眼色的基因不能位于Ⅱ-1區(qū)段？（2）圖1、圖2均可解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，控制眼色的基因能夠既位于Ⅱ-2區(qū)段也位于I區(qū)段嗎？（3）假說(shuō)僅僅能夠解釋已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，假說(shuō)就一定正確嗎？（4）如何驗(yàn)證假說(shuō)正確與否？

此時(shí)，因假說(shuō)沖突，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情已經(jīng)被充分調(diào)動(dòng)起來(lái)，學(xué)生產(chǎn)生了強(qiáng)烈的探究欲望。教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)假說(shuō)進(jìn)行演繹推理。

1.3演繹推理

為解決上述問(wèn)題，學(xué)生設(shè)計(jì)測(cè)交實(shí)驗(yàn)對(duì)假說(shuō)進(jìn)行進(jìn)行演繹推理。持控制眼色的基因位于Ⅱ-2區(qū)段觀點(diǎn)的小組設(shè)計(jì)的測(cè)交實(shí)驗(yàn)遺傳圖解如圖3所示，持控制眼色的基因位于I區(qū)段觀點(diǎn)的小組設(shè)計(jì)的測(cè)交實(shí)驗(yàn)遺傳圖解如圖4、圖5所示。教師展示學(xué)生的成果，學(xué)生發(fā)現(xiàn)如僅按圖3、圖4進(jìn)行測(cè)交實(shí)驗(yàn)，F(xiàn)1個(gè)體的表現(xiàn)型及比值是相同的，依然無(wú)法判斷基因的位置。此時(shí)，教師提醒學(xué)生圖5所示的測(cè)交實(shí)驗(yàn)，子代雌蠅均為紅眼，雄蠅均為白眼。

教師提問(wèn)：從性狀雜交上看，圖4、圖5展示的雜交組合是什么關(guān)系？以此引導(dǎo)學(xué)生回憶正交和反交。受此啟發(fā)，持控制眼色的基因位于Ⅱ-2區(qū)段觀點(diǎn)的小組又設(shè)計(jì)了圖6所示的雜交實(shí)驗(yàn)。然而，圖5、圖6所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻又是相同的。

教師提問(wèn)：圖5、圖6均是利用顯性父本和隱性母本雜交，如將圖5中XWYW更換為XWYW，即更換為野生型紅眼雌果蠅，遺傳圖解如圖7所示。教師引導(dǎo)學(xué)生分析，學(xué)生此時(shí)恍然大悟，圖6、圖7才是驗(yàn)證假說(shuō)的關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)。

1.4實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，得出結(jié)論

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧科學(xué)史，展示為驗(yàn)證假說(shuō)的正確性摩爾根進(jìn)行了一系列的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。①F1紅眼雌蠅與白眼雄蠅雜交，子代中紅眼雌蠅126只、紅眼雄蠅132只、白眼雌蠅120只、白眼雄蠅115只，這與圖3（或圖4）的遺傳圖解基本一致。②為野生紅眼雄蠅與白眼雌蠅雜交，即為經(jīng)典的“顯性父本×隱性母本”，子代中雌蠅均是紅眼、雄蠅均是白眼，與圖6所示的遺傳圖解相一致。由此，摩爾根得出結(jié)論：控制眼色的基因位于X染色體的Ⅱ-2區(qū)段，Y染色體上沒(méi)有其等位基因。

1.5設(shè)計(jì)意圖

本教學(xué)環(huán)節(jié)以問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，不斷激發(fā)學(xué)生的探究欲望，有效地突出了學(xué)生的主體地位，有利于培養(yǎng)學(xué)生的思考能力、搜集和處理信息的能力、分析和解決問(wèn)題的能力以及交流與合作的能力。學(xué)生提出假說(shuō)彰顯了思維的靈活性和創(chuàng)造性，演繹推理的運(yùn)用展現(xiàn)了科學(xué)過(guò)程的嚴(yán)謹(jǐn)與縝密。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，逐漸領(lǐng)悟了：科學(xué)研究不僅需要縝密的思考、大膽的設(shè)想，也需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评砗痛_鑿的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。通過(guò)生生互動(dòng)、分析討論、合作探究，學(xué)生獲取了基本的生物學(xué)知識(shí)，發(fā)展提升了推理、分析的能力，產(chǎn)生豐富的情感體驗(yàn)，也領(lǐng)悟了科學(xué)的思想觀念及科學(xué)家們研究所用的方法，從而發(fā)展了科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。本節(jié)課將知識(shí)、技能、情感融為一體，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的核心素養(yǎng)，這是僅依靠教師講解的傳統(tǒng)課堂所無(wú)法給予的。

2摩爾根的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用——判斷基因在性染色體上的位置

教學(xué)中，教師可基于摩爾根的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生來(lái)判斷基因位于Y染色體的非同源區(qū)段、X染色體上的非同源區(qū)段、XY染色體的同源區(qū)段上，以此加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的深入理解。

2.1判斷基因位于Y染色體的非同源區(qū)段

基因位于Y染色體的非同源區(qū)段上，其遺傳特點(diǎn)為僅雄性個(gè)體會(huì)表現(xiàn)出相應(yīng)的性狀，而雌性個(gè)體不會(huì)表現(xiàn)出相應(yīng)的性狀。上述情況很容易判斷出，各類(lèi)型考試中鮮有考查。

2.2判斷基因位于X染色體的非同源區(qū)段或位于XY染色體的同源區(qū)段

正交和反交可判斷基因位于X染色體的非同源區(qū)段或位于XY染色體的同源區(qū)段。若正交和反交后F1雌性均為顯性性狀，F(xiàn)1雄性均為顯性性狀或均為隱形性狀，則基因位于X染色體上的非同源區(qū)段，遺傳圖解如圖1、圖6所示;若正交和反交后F1雌雄均為顯性性狀，則基因可能位于XY染色體的同源區(qū)段上，遺傳圖解如圖2、圖7所示。

值得注意的是，如果基因位于常染色體上，則正交和反交的結(jié)果與基因位于XY染色體的同源區(qū)段的結(jié)果相同。此時(shí)需F1雌雄個(gè)體相互雜交，通過(guò)觀察F2每種表現(xiàn)型中的雌雄比來(lái)判斷基因位于常染色體還是XY染色體的同源區(qū)段。如果F2中顯性性狀：隱形性狀=3：1，但顯性性狀中♀：♂=1：1、隱性性狀中♀：♂=1：1，則說(shuō)明該性狀的遺傳與性別無(wú)關(guān)聯(lián)，可判斷基因位于常染色體上;如果F2中顯性性狀：隱形性狀=3：1，但正交（反交）F2顯性性狀中♀：♂ =2：1，而反交（正交）F2顯性性狀中♀：♂=1：2，則說(shuō)明性狀的遺傳與性別相關(guān)聯(lián)，可判斷基因位于XY染色體的同源區(qū)段上。

如果已經(jīng)確認(rèn)是伴性遺傳（且基因不位于Y染色體的非同源區(qū)段上），只需觀察正交和反交后F1表現(xiàn)型即可判斷基因位置。若正交和反交后F1表現(xiàn)型相同，則基因位于XY染色體的同源區(qū)段上;若正交和反交后F1表現(xiàn)型不同，則基因位于X染色體上的非同源區(qū)段上。

本節(jié)課以問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，采取教師指導(dǎo)下的學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)，利用多個(gè)連續(xù)的推理探究問(wèn)題，通過(guò)層層探索，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)假設(shè)與論證、歸納與推理，循著科學(xué)家的思維路徑，深度體驗(yàn)“假說(shuō)一演繹法”，充分感受邏輯推理之美。在探索知識(shí)的發(fā)生與發(fā)展的過(guò)程，學(xué)生不僅構(gòu)建了知識(shí)體系，也發(fā)展了自身的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。