基于科學史訓練邏輯思維的教學設計

陳潔 林穎韜

摘要 以“基因在染色體上”的探究史為主線展開教學，通過10則小資料及問題串相結合，引導學生重演薩頓及摩爾根團隊的思維過程，逐步發(fā)展學生的歸納與概括、演繹與推理的科學思維，自主推理基因與染色體的位置及數(shù)量關系，并嘗試解釋孟德爾定律的實質(zhì)。

關鍵詞 科學思維 科學史 教學設計 基因 染色體

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《新課標》）指出學生通過對高中生物課程的學習逐步形成科學思維的學科核心素養(yǎng)，而科學思維是尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴謹和務實的求知態(tài)度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。

“基因在染色體上”這一研究成果經(jīng)歷了近15年的探索，包含了大量的遺傳實驗事實。教師若能將此研究過程串成證據(jù)鏈，呈現(xiàn)證據(jù)，使學生沉浸式地體驗科學探究的過程，闡釋遺傳現(xiàn)象，從而可以發(fā)展學生的歸納推理、演繹與推理等科學思維。

1教材分析

“基因在染色體上”位于人教版2019年版《必修2·遺傳與進化》（以下稱“新教材”）第二章第二節(jié)，銜接孟德爾遺傳定律及減數(shù)分裂、受精作用，闡明了遺傳因子與染色體（同源/非同源）的關系。在科學史上，研究減數(shù)分裂的薩頓為提出者，摩爾根團隊在研究過程中以果蠅為實驗材料，運用假說-演繹法，“誤打誤撞”地成為證明者，并發(fā)現(xiàn)伴性遺傳，為后面學習“伴性遺傳”埋下伏筆。

新教材中問題探討的問題有所“升級”：不再直白提示學生遺傳因子與同源染色體的聯(lián)系，轉(zhuǎn)而引導學生思考人類基因組測序的染色體數(shù)量問題。這與《新課標》的發(fā)展“科學思維”不謀而合。新教材編者基于對類比推理法概念的理解及薩頓提出“等位基因與染色體行為的相似性”這一科學事實的分析，將“類比推理”刪除，同樣也是尊重事實和證據(jù)，運用科學的思維方法認識事物的體現(xiàn)。

2教學目標

1說出細胞學和遺傳規(guī)律的有關基礎知識;閱讀薩頓的論文信息，認同科學需技術的支持，通過移動染色體和遺傳因子的活動，理解薩頓提出的假說。

2分析摩爾根團隊的科學史材料，推理“基因在染色體上”的實驗證據(jù)，并運用假說演繹法分析果蠅雜交實驗，認同科學研究需要團隊合作，大膽質(zhì)疑及勤奮實踐。

3嘗試闡明孟德爾遺傳定律的實質(zhì)。

3教學過程3.1導入

學生通過參與希沃白板的“趣味分類”游戲——“孟”派vs“減”派大挪移游戲，溫故知新，分析孟德爾定律中遺傳因子與減數(shù)分裂中染色體的行為特點。

3.2學習新知

3.2.1學習提出者薩頓的假說

教師提供閱讀資料1、2，介紹科學家蒙哥馬利及薩頓在減數(shù)分裂、受精作用過程中關于染色體的研究成果，以及薩頓提出的假說。

11901年，蒙哥馬利研究椿象減數(shù)分裂提出染色體在體細胞中成對存在。

2威爾遜的學生薩頓觀察的對象是蝗蟲細胞，在其1902年發(fā)表的文章中表明蝗蟲細胞有成對的同源染色體，并于1903年發(fā)表的文章中表明雌性蝗蟲卵原細胞含22條常染色體，雄性蝗蟲的精原細胞含23條染色體，產(chǎn)生的兩種配子分別含12條、11條。

教師提出問題，引導學生思考：

1材料中的信息與人們現(xiàn)在對蝗蟲染色體組成的認識有什么異同點？差異的原因是什么？

2薩頓提出假說“基因在染色體上”的依據(jù)是什么？學生通過討論，分析資料，從而理解當時的科學技術的限制了科學家對生命現(xiàn)象的認識。學生在認同薩頓假說后，進行實操體驗，利用平板，移動配子形成過程的染色體及遺傳因子，體驗并理解“基因在染色體上”。

3.2.2學習證明者摩爾根團隊的果蠅雜交實驗

教師提供資料3-10，介紹摩爾根的性格及其做果蠅雜交實驗的背景，呈現(xiàn)研究歷程。學生根據(jù)事實，推理“基因在染色體上”的實驗證據(jù)。

31908年，摩爾根開始在實驗室培養(yǎng)果蠅，想看看是否能在動物中發(fā)現(xiàn)德佛里斯式的新種水平大突變。

4在1910年1月，摩爾根發(fā)現(xiàn)了幾個突變體，將突變體與野生型雜交后，子代性狀比都不是明顯的3∶1或者9∶3∶3∶1。

51910年5月，摩爾根在他的培養(yǎng)瓶中發(fā)現(xiàn)了一只白眼雄果蠅，將它與一只正常紅眼雌果蠅雜交，子代性狀比符合孟德爾比例，但白眼性狀只出現(xiàn)在雄果蠅。該雜交實驗如圖1所示。

61905～1908年，植物學家和動物學家的細胞學研究清楚地說明雄配子（花粉或精子）有兩種類型：攜帶X染色體或Y染色體。對于大多數(shù)生物來說，雄配子決定性別。

7紅眼雌果蠅有純合體和雜合體兩種類型。而雄果蠅中紅眼是雜合體，白眼是純合體。在1910年，威爾遜甚至建議摩爾根，最簡單的解釋就是假設眼色因子與X染色體相聯(lián)系。

8紅眼雌果蠅和白眼雄果蠅測交結果：紅眼雌果蠅126只，紅眼雄果蠅132只，白眼雌果蠅120只，白眼雄果蠅115只。紅眼雄果蠅和白眼雌果蠅測交結果∶紅眼雌果蠅和白眼雄果蠅為1∶1。

91910年的夏天，培養(yǎng)中出現(xiàn)了更多的突變體，出現(xiàn)了殘翅、袖珍翅和黃身這些像白眼一樣是“性別限定”的性狀。利用威爾遜的建議——將這些性狀成為X染色體的一部分，則解釋起來便順理成章。

10“孟德爾-染色體”范式的建立。摩爾根的學生組成了充滿熱情的團隊，推動染色體圖譜工作，并開始詳細闡述一整套遺傳法則，拓展和澄清了孟德爾主義模型，延伸到了更多的問題。

教師提出問題，引導學生分析：

1摩爾根團隊最初選擇果蠅作為實驗材料目的是什么？果蠅作為實驗材料的優(yōu)點是什么？

2最初的遺傳實驗結果是否意味著這些性狀不遵循孟德爾定律？什么原因?qū)е逻@樣的結果？

3回憶遵循孟德爾定律的必要條件。并對該結果進行分析、推理。

4仔細觀察圖1，圖中所示的果蠅染色體組成和你所認識的有何不同？推測摩爾根對控制眼色的基因位置的想法。這一期間的研究結果關于性染色體組成上有什么新的發(fā)現(xiàn)？

5請根據(jù)摩爾根的假設，觀察書本雜交實驗的遺傳圖解。該圖解和孟德爾的遺傳圖解有何不同？該假說能夠解釋已出現(xiàn)的實驗結果，是否說明假說正確？還應如何做？

6觀察書本31頁的遺傳圖解，比較基因在性染色體上和常染色體上時，遺傳圖解的差異。得到基因在性染色體上時，應寫出性染色體，并把基因?qū)懺谟疑辖恰?/p>

7根據(jù)以上資料，可以得到什么信息？如此，孟德爾定律中成對的遺傳因子（等位基因）為什么分離？決定不同性狀的遺傳因子（非等位基因）為什么自由組合？

8“基因在染色體上”“伴性遺傳”的發(fā)現(xiàn)是摩爾根一人的研究成果嗎？從這個發(fā)現(xiàn)史，能學到什么呢？

學生通過討論，了解摩爾根的性格背景及理解做相關實驗的初衷;并根據(jù)書本的小資料得出果蠅作為遺傳學實驗材料具有易飼養(yǎng)、繁殖快、子代多、多對易于區(qū)分的性狀等優(yōu)點;觀察摩爾根提出雜交過程的遺傳圖解，推理眼色的顯隱性，并思考問題。體會、理解摩爾根的研究是經(jīng)過反復的推演;知道果蠅的性染色體為XY。教師利用智慧課堂，收集實驗設計方案，展示個別學生小組的方案，并進行評價。學生分析資料，發(fā)現(xiàn)多個性狀與性別相關聯(lián)，推理性染色體上有多個基因，從而闡明孟德爾遺傳定律的實質(zhì)。教師引導學生討論科學研究需要的品質(zhì)，使學生認同科學研究在團隊個體的思維碰撞與合作下更容易取得成功，科學研究需要有理有據(jù)的質(zhì)疑，更需要孜孜不倦的實踐與證明。

3.3學生構建思維導圖（圖2）進行小結

4教學反思

本節(jié)課以“基因在染色體上”的發(fā)現(xiàn)史為主線索展開教學，培養(yǎng)了學生的邏輯思維能力，運用假說-演繹法解決問題的能力，利用現(xiàn)代信息技術手段，活躍課堂，調(diào)動學生學習積極性，更有利于教師收集和掌握學生學習情況。

本節(jié)課利用游戲復習孟德爾遺傳規(guī)律及減數(shù)分裂，從而導入學習，使學生在游戲中溫故知新，提高學生的學習積極性。教師在第一環(huán)節(jié)利用信息技術手段——希沃白板、智慧課堂、平板作答，讓每個學生參與3個互動游戲，動手實踐，深入理解基因在染色體上這一假說。第二環(huán)節(jié)主要通過教師引導學生分析摩爾根團隊研究歷程的資料，運用學案教學法、探究式問題討論法、引導探索法等方法，循序漸進，讓學生有沉浸式的體驗，深入理解摩爾根的研究過程、研究方法，從而掌握學習內(nèi)容，并通過自主設計實驗方案，運用假說演繹法突破本節(jié)課重難點。最后小結、練習鞏固知識點。但是，本節(jié)課在游戲互動環(huán)節(jié)，應多展示幾位學生的作答情況，更多地了解學生學習情況，便于下一個教學活動的開展。

參考文獻：

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