假說(shuō)-演繹法在解答高考遺傳學(xué)試題中的應(yīng)用
——以2016—2020 年高考全國(guó)卷Ⅰ理綜生物學(xué)第32 題為例

廣東

高考遺傳學(xué)的命題圍繞遺傳學(xué)的核心概念和基本規(guī)律，依托遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行問(wèn)題設(shè)計(jì)，是遺傳學(xué)試題的主要考查形式，也是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的評(píng)價(jià)載體。筆者以2016—2020 年高考全國(guó)卷Ⅰ理綜生物學(xué)第32 題為例分析試題的命題脈絡(luò)，思考解題方法，發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，以期為師生的遺傳學(xué)專題復(fù)習(xí)備考提供幫助。

1.2016—2020 年高考全國(guó)卷Ⅰ理綜生物學(xué)第32 題特點(diǎn)分析

表1 2016—2020 年高考全國(guó)卷Ⅰ理綜生物學(xué)第32 題對(duì)比分析

筆者對(duì)比分析近5 年的高考全國(guó)卷Ⅰ理綜生物學(xué)第32 題發(fā)現(xiàn)，高考遺傳學(xué)的命題都指向?qū)茖W(xué)思維的考查：一是以遺傳現(xiàn)象為情境、以實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為載體，考查科學(xué)探究和科學(xué)思維；二是以原因闡釋為形式，考查語(yǔ)言表達(dá)能力和科學(xué)思維。例如，2016 年考查了運(yùn)用假說(shuō)-演繹法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基因的位置；2017 年利用從性遺傳實(shí)驗(yàn)考查逆向推理能力；2018 年通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)判斷基因位置的雜交組合和預(yù)期結(jié)果，考查學(xué)生對(duì)遺傳學(xué)原理的應(yīng)用和邏輯表達(dá)能力；2019 年依托果蠅的部分染色體上的基因所控制的性狀的遺傳雜交實(shí)驗(yàn)情境分析考查學(xué)生對(duì)基因型、表現(xiàn)型和概率的推導(dǎo)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)孟德?tīng)栠z傳規(guī)律和伴性遺傳的理解；2020 年將遺傳學(xué)理論用于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生深入理解生命的本質(zhì)。

可見(jiàn)，高考生物學(xué)對(duì)遺傳學(xué)的考查重點(diǎn)放在遺傳規(guī)律的形成過(guò)程、科學(xué)思維方法的理解、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及運(yùn)用實(shí)驗(yàn)解決實(shí)際問(wèn)題的科學(xué)探究能力上，改變了以往以遺傳概率計(jì)算為重點(diǎn)的考查思路，較好地促進(jìn)了教學(xué)中對(duì)遺傳規(guī)律的形成過(guò)程以及其中蘊(yùn)含的科學(xué)思維方法的重視，有力地推動(dòng)了課堂教學(xué)觀念向重視科學(xué)探究、科學(xué)思維的轉(zhuǎn)變。

2.基于假說(shuō)-演繹法的解題策略

從以上對(duì)高考遺傳學(xué)試題的對(duì)比分析可知，此類試題難度比較大，大部分考生往往難以從題干所給的情境中獲取有效的信息，不能厘清已知條件和未知條件的關(guān)系，不能用專業(yè)術(shù)語(yǔ)準(zhǔn)確地表述答案。因此學(xué)生復(fù)習(xí)備考要在建構(gòu)好知識(shí)體系的基礎(chǔ)上，形成一條清晰的思維主線，從思維的過(guò)程、思維的邏輯性、語(yǔ)言的組織等方面尋求問(wèn)題的解決方法，為這類試題搭建解題模板。教學(xué)實(shí)踐中，筆者嘗試了基于假說(shuō)-演繹法的解題策略研究。

“假說(shuō)-演繹法”是一種重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)模式和科學(xué)研究方法。孟德?tīng)栠\(yùn)用“假說(shuō)-演繹法”發(fā)現(xiàn)了遺傳規(guī)律，其研究思路如圖1 所示。

圖1

將這種方法應(yīng)用于審題、解題，有助于學(xué)生厘清推理思路、養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維。例如，解題時(shí)首先將要研究的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為科學(xué)問(wèn)題，然后從題干中獲取有效信息并作出假說(shuō)（可能有多種），接著再圍繞實(shí)驗(yàn)?zāi)康奶暨x實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行演繹推理（包括從假說(shuō)到結(jié)果的正向推理及從結(jié)果到假說(shuō)的逆向推理），最后比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期結(jié)果是否一致，從而得出結(jié)論（可用“若……則……”句式作答）。

2.1 巧用遺傳圖解，正向推理

【例1】（2019 年，全國(guó)卷Ⅰ，第32 題節(jié)選）某實(shí)驗(yàn)室保存有野生型和一些突變型果蠅。果蠅的部分隱性突變基因及其在染色體上的位置如圖2 所示?；卮鹣铝袉?wèn)題。

（2）同學(xué)乙用焦剛毛白眼雄蠅與野生型（直剛毛紅眼）純合子雌蠅進(jìn)行雜交（正交），則子代雄蠅中焦剛毛個(gè)體出現(xiàn)的概率為_(kāi)________；若進(jìn)行反交，子代中白眼個(gè)體出現(xiàn)的概率為_(kāi)_____。

【解題思路】本題中基因的顯隱性、基因的位置、雜交親本的表現(xiàn)型都是已知的。此情況下可以直接寫(xiě)出遺傳圖解（如圖3）進(jìn)行演繹推理。

圖3

從遺傳圖解可看出，正交結(jié)果中，雌雄果蠅均為直剛毛紅眼，則子代雄蠅中焦剛毛個(gè)體出現(xiàn)的概率為0；而反交結(jié)果中，雌果蠅均為直剛毛紅眼，雄果蠅均為焦剛毛白眼，則子代中白眼個(gè)體出現(xiàn)的概率為1/2。

2.2 提出假說(shuō)，演繹推理

【例2】（2018 年，全國(guó)卷Ⅰ，第32 題節(jié)選）果蠅體細(xì)胞有4 對(duì)染色體，其中2、3、4 號(hào)為常染色體。已知控制長(zhǎng)翅/殘翅性狀的基因位于2 號(hào)染色體上，控制灰體/黑檀體性狀的基因位于3 號(hào)染色體上。某小組用一只無(wú)眼灰體長(zhǎng)翅雌蠅與一只有眼灰體長(zhǎng)翅雄蠅雜交，雜交子代的表現(xiàn)型及其比例如下：回答下列問(wèn)題：

表2

（1）根據(jù)雜交結(jié)果，_____（填“能”或“不能”）判斷控制果蠅有眼/無(wú)眼性狀的基因是位于X 染色體還是常染色體上，若控制有眼/無(wú)眼性狀的基因位于X 染色體上，根據(jù)上述親本雜交組合和雜交結(jié)果判斷，顯性性狀是_______，判斷依據(jù)是_____________________。

【解題思路】本題已知條件為一只無(wú)眼灰體長(zhǎng)翅雌蠅與一只有眼灰體長(zhǎng)翅雄蠅雜交，但基因的顯隱性和基因的位置是未知的。因此從這兩個(gè)未知條件出發(fā)可以作出以下4種假說(shuō)并進(jìn)行演繹推理（如圖4）。

根據(jù)假說(shuō)1 和假說(shuō)2 演繹推理得出的預(yù)期結(jié)果是后代的性狀表現(xiàn)是有眼和無(wú)眼比例相等，且有眼和無(wú)眼個(gè)體中雌雄比例均相等。根據(jù)假說(shuō)3 演繹推理得出的預(yù)期結(jié)果是后代的性狀表現(xiàn)是有眼和無(wú)眼比例相等，雌雄果蠅中均為一半有眼，一半無(wú)眼。根據(jù)假說(shuō)4 演繹推理得出的預(yù)期結(jié)果是后代的性狀表現(xiàn)是有眼和無(wú)眼比例相等，雌果蠅全部為有眼，雄果蠅全部為無(wú)眼。

由上述分析可知，控制果蠅有眼/無(wú)眼性狀的基因可能位于常染色體上，也可能位于X 染色體上，因此不能判斷基因的位置。同時(shí)，由假說(shuō)3 演繹推理過(guò)程可推論得出:若控制有眼/無(wú)眼性狀的基因位于X 染色體上，只有當(dāng)無(wú)眼為顯性性狀時(shí)，子代雌雄個(gè)體中才都會(huì)出現(xiàn)有眼和無(wú)眼性狀分離的現(xiàn)象。這即是第2 空和第3 空的答案。

2.3 反推正答，預(yù)期結(jié)果

【例3】（2017 年，全國(guó)卷Ⅰ，第32 題節(jié)選）某種羊的性別決定為XY 型。已知其有角和無(wú)角由位于常染色體上的等位基因（N/n）控制；黑毛和白毛由等位基因（M/m）控制，且黑毛對(duì)白毛為顯性。回答下列問(wèn)題：

（2）某同學(xué)為了確定M/m 是位于X 染色體上，還是位于常染色體上，讓多對(duì)純合黑毛母羊與純合白毛公羊交配，子二代中黑毛∶白毛=3 ∶1，我們認(rèn)為根據(jù)這一實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不能確定M/m 是位于X 染色體上，還是位于常染色體上，還需要補(bǔ)充數(shù)據(jù)，如統(tǒng)計(jì)子二代中白毛個(gè)體的性別比例，若________________，則說(shuō)明M/m 是位于X 染色體上；若_______________，則說(shuō)明M/m 是位于常染色體上。

【解題思路】本題已知結(jié)論，要求寫(xiě)出預(yù)期結(jié)果。解題時(shí)，可把結(jié)論（M/m 位于X 染色體上或常染色體上）當(dāng)作假說(shuō)，再通過(guò)遺傳圖解（如圖5）進(jìn)行反向推理，即可得出結(jié)果。

圖5

從上述遺傳圖解可知，若M/m 位于X 染色體上，則白毛個(gè)體全為雄性；若M/m 位于常染色體上，則白毛個(gè)體中雄性∶雌性=1 ∶1。因此，演繹推理的結(jié)果就是本題要判斷的預(yù)期結(jié)果。

2.4 科學(xué)選材，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

【例4】（2016 年，全國(guó)卷Ⅰ，第32 題節(jié)選） 已知果蠅的灰體和黃體受一對(duì)等位基因控制，但這對(duì)相對(duì)性狀的顯隱性關(guān)系和該等位基因所在的染色體是未知的。同學(xué)甲用一只灰體雌蠅與一只黃體雄蠅雜交，子代中♀灰體∶♀黃體∶♂灰體∶♂黃體為1 ∶1 ∶1 ∶1。同學(xué)乙用兩種不同的雜交實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了控制黃體的基因位于X 染色體上，并表現(xiàn)為隱性。請(qǐng)根據(jù)上述結(jié)果，回答下列問(wèn)題：

（2）請(qǐng)用同學(xué)甲得到的子代果蠅為材料設(shè)計(jì)兩個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都能獨(dú)立證明同學(xué)乙的結(jié)論。（要求：每個(gè)實(shí)驗(yàn)只用一個(gè)雜交組合，并指出支持同學(xué)乙結(jié)論的預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果）

【解題思路】從題干中獲取信息：同學(xué)乙用兩種不同的雜交實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了控制黃體的基因位于X 染色體上，并表現(xiàn)為隱性。同時(shí)整合信息：同學(xué)甲得到的子代果蠅中♀灰體（XAXa）、♀黃體（XaXa）、♂灰體 （XAY）、♂黃體（XaY）數(shù)量相等。因此，得出以下4 種雜交組合（如圖6）。

圖6

其中，雜交（1）子一代中所有的雌性都表現(xiàn)為灰體，所有的雄性都表現(xiàn)為黃體；雜交（2）子一代中所有的雌性都表現(xiàn)為灰體，雄性中一半表現(xiàn)為灰體，另一半表現(xiàn)為黃體。通過(guò)這兩個(gè)雜交組合都可以判斷出控制黃體的基因位于X 染色體上，并表現(xiàn)為隱性。而若控制黃體的基因?yàn)殡[性，雜交（3）不會(huì)出現(xiàn)性狀分離，無(wú)法判斷控制黃體的基因位于X 染色體上，應(yīng)排除此雜交組合；雜交（4）是同學(xué)甲所做的雜交實(shí)驗(yàn)，結(jié)果已知，也應(yīng)被排除。因此，應(yīng)選雜交（1）和（2）中的材料，科學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

3.教學(xué)建議與思考

在高三生物學(xué)遺傳專題的復(fù)習(xí)中，為了落實(shí)學(xué)生對(duì)遺傳規(guī)律的形成過(guò)程的理解，以及培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力，筆者進(jìn)行了以下三個(gè)方面的嘗試。

第一，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。知識(shí)的落實(shí)需要情境，思維的培養(yǎng)同樣需要情境。高三復(fù)習(xí)課中，教師利用科學(xué)實(shí)驗(yàn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、遺傳現(xiàn)象、人體健康等與生活生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合的事例創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，能激發(fā)學(xué)生認(rèn)知矛盾，幫助學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，進(jìn)行分析、討論、判斷、推理，進(jìn)而解決生產(chǎn)生活中的實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

情境素材的呈現(xiàn)方式可多樣化，除了基本的文字描述外，還可以采用圖示、表格等形式呈現(xiàn)，從而培養(yǎng)學(xué)生從特定情境中獲取及處理信息的能力。例如2016 年、2018 年和2019 年高考全國(guó)卷Ⅰ理綜生物學(xué)第32 題雖然都以果蠅雜交實(shí)驗(yàn)為素材命題，但呈現(xiàn)方式卻有所區(qū)別：2016 年第32 題單純用文字描述雜交過(guò)程；2018 年第32 題以數(shù)據(jù)表格的形式給出信息；2019 年第32 題則以模式圖方式呈現(xiàn)突變基因和染色體的位置關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生從不同的角度獲取信息進(jìn)行演繹推理，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

第二，重視科學(xué)史，領(lǐng)悟科學(xué)方法。假說(shuō)-演繹法是人教版高中生物學(xué)教材必修2《遺傳與進(jìn)化》中的一個(gè)核心方法：孟德?tīng)栠z傳規(guī)律的發(fā)現(xiàn)、摩爾根的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)、DNA 半保留復(fù)制方式的提出與證實(shí)、密碼子發(fā)現(xiàn)等都是假說(shuō)-演繹法基本思路的體現(xiàn)。2016—2020 年高考全國(guó)卷Ⅰ理綜生物學(xué)第32 題的破解都用到了此方法。在復(fù)習(xí)備考中，教師可以結(jié)合遺傳學(xué)中的常見(jiàn)問(wèn)題，以假說(shuō)-演繹法為核心進(jìn)行歸類整理并以微專題的形式開(kāi)展復(fù)習(xí)，將問(wèn)題逐個(gè)突破。例如，孟德?tīng)栠z傳規(guī)律發(fā)現(xiàn)中的假說(shuō)演繹；純合子、雜合子探究中的假說(shuō)演繹；顯性、隱性探究中的假說(shuō)演繹；性狀的遺傳是否遵循孟德?tīng)栠z傳規(guī)律探究中的假說(shuō)演繹等。

此外，在科學(xué)史的教學(xué)中，教師要注重還原史實(shí)，不能憑空想象或錯(cuò)誤解讀，以免造成誤解。例如，人教版高中生物學(xué)教材必修2 中摩爾根對(duì)果蠅雜交實(shí)驗(yàn)作出的假設(shè)為“控制白眼的基因在X 染色體上，而Y 染色體不含它的等位基因”。多數(shù)教師在處理此教學(xué)內(nèi)容時(shí)，有意引導(dǎo)學(xué)生作了“控制白眼的基因在X、Y 染色體的同源區(qū)段”的新假設(shè)，并對(duì)此進(jìn)行演繹推理。其實(shí)，受實(shí)驗(yàn)條件和當(dāng)時(shí)認(rèn)知的局限，摩爾根當(dāng)時(shí)根本就沒(méi)考慮Y 染色體的存在，自然也就不存在上述新假設(shè)。情境總是與生產(chǎn)生活和科學(xué)活動(dòng)緊密聯(lián)系的，它是從真實(shí)世界中提取、加工出來(lái)的情境，而不是在想象世界中完全虛構(gòu)的情境。

第三，搭建腳手架，建立解題模型。在解決具體問(wèn)題時(shí)，教師若能為學(xué)生搭建腳手架，建立解題模型，將有助于學(xué)生突破此類試題的解答。筆者結(jié)合真題深度分析，歸納概括出假說(shuō)-演繹法在解答遺傳題中的常用方法：巧用遺傳圖解，正向推理（據(jù)條件推結(jié)果）；提出假說(shuō)（把結(jié)論當(dāng)作假說(shuō)），演繹推理；反推正答，預(yù)期結(jié)果（將結(jié)果作為現(xiàn)象）；科學(xué)選材，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。假說(shuō)-演繹法包括提出問(wèn)題、作出假說(shuō)、演繹推理、預(yù)期結(jié)果、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、得出結(jié)論等步驟都屬于科學(xué)思維方法。但在解決某個(gè)遺傳學(xué)問(wèn)題時(shí)，可能僅需要其中的某個(gè)方法，而不一定會(huì)利用所有的科學(xué)思維方法。

綜上所述，運(yùn)用假說(shuō)-演繹法解決遺傳學(xué)問(wèn)題，能使問(wèn)題具體化，使思維清晰化，是學(xué)生科學(xué)思維的綜合體現(xiàn)。