基于科學(xué)思維能力培養(yǎng)的“伴性遺傳”概念教學(xué)

翁希凝

[摘要] 科學(xué)思維是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的組成部分，作為學(xué)生在生物學(xué)課程中重要的、終身受益的學(xué)習(xí)成果。本文通過(guò)設(shè)計(jì)“伴性遺傳”概念教學(xué)，訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用“假說(shuō)—演繹”法推理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，讓學(xué)生主動(dòng)參與科學(xué)推理過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

[關(guān)鍵詞] “假說(shuō)—演繹”法;科學(xué)思維;伴性遺傳

一、科學(xué)思維能力的內(nèi)容

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中將科學(xué)思維與生命觀念、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任一同列為高中生物學(xué)四大核心素養(yǎng)?？茖W(xué)思維是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的組成部分，作為學(xué)生在生物學(xué)課程中重要的、終身受益的學(xué)習(xí)成果。因此，教師在教授知識(shí)的同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的訓(xùn)練，適時(shí)創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，引導(dǎo)學(xué)生思考，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

高中生在生物學(xué)課程和其他的學(xué)習(xí)活動(dòng)中，應(yīng)培養(yǎng)的科學(xué)思維能力主要包括歸納與概括、演繹與推理、模型與建模，以及批判性思維能力等。其中，“演繹與推理”是指從一般性的前提出發(fā)，通過(guò)推導(dǎo)，得出具體陳述或個(gè)別結(jié)論的過(guò)程。在生物學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中，演繹與推理思維要求學(xué)生能運(yùn)用已知的生物學(xué)規(guī)律，預(yù)測(cè)或探討相關(guān)生命現(xiàn)象的機(jī)制。下面，筆者以構(gòu)建“伴性遺傳”概念為例，簡(jiǎn)要介紹如何通過(guò)“假說(shuō)—演繹”法訓(xùn)練，培養(yǎng)高中生演繹與推理的科學(xué)思維能力。

二、通過(guò)“伴性遺傳”概念教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力

1.學(xué)情背景

筆者在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，雖然學(xué)生在學(xué)習(xí)基因分離定律的內(nèi)容時(shí)，已經(jīng)對(duì)“假說(shuō)—演繹”法有所認(rèn)識(shí)，但由于當(dāng)時(shí)學(xué)生是初次接觸這種科學(xué)思維方法，加之高中生的認(rèn)知能力有限，所以，在學(xué)習(xí)這一部分內(nèi)容時(shí)，很少有學(xué)生能夠真正像孟德?tīng)柲菢?，運(yùn)用“假說(shuō)—演繹”法對(duì)性狀分離現(xiàn)象做出合理的解釋并加以科學(xué)驗(yàn)證。正因?yàn)檫€沒(méi)有真正掌握“假說(shuō)—演繹”法，所以很多學(xué)生不理解孟德?tīng)栐诔晒忉屃诵誀罘蛛x現(xiàn)象（假說(shuō)）之后，為什么還要設(shè)計(jì)測(cè)交實(shí)驗(yàn)，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（演繹），并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.展示果蠅雜交實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生興趣

教師展示摩爾根的果蠅眼色雜交實(shí)驗(yàn)（如圖1），引導(dǎo)學(xué)生觀察并思考可以得出什么結(jié)論。有了基因分離定律的基礎(chǔ)，學(xué)生可以總結(jié)出果蠅的紅眼和白眼是一對(duì)相對(duì)性狀，紅眼對(duì)白眼為顯性，由一對(duì)等位基因控制，符合基因分離定律。

3.引起認(rèn)知沖突

教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生觀察并思考：果蠅眼色雜交實(shí)驗(yàn)F2中紅眼與白眼的性狀分離比也是3：1，但與孟德?tīng)査龅囊粚?duì)相對(duì)性狀的雜交實(shí)驗(yàn)結(jié)果有何不同？學(xué)生發(fā)現(xiàn)F2只有雄蠅出現(xiàn)白眼，即眼色性狀的遺傳與性別有關(guān)，但是，此時(shí)學(xué)生還不可能立即把控制眼色的基因與性染色體聯(lián)系起來(lái)。所以，接下來(lái)教師著力要解決的就是讓學(xué)生沿著當(dāng)年摩爾根的思路，自己運(yùn)用“假說(shuō)—演繹”法，嘗試分析果蠅眼色雜交實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)演繹與推理的科學(xué)思維能力。

4.“假說(shuō)—演繹”法推理果蠅眼色雜交實(shí)驗(yàn)

教師展示雌雄果蠅的性染色體組成以及X和Y染色體的結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖（圖略），使學(xué)生認(rèn)識(shí)到基因可以位于X染色體的非同源區(qū)段（以下稱為Ⅰ區(qū)段，即Y染色體上沒(méi)有對(duì)應(yīng)的等位基因），也可以位于Y染色體的非同源區(qū)段（以下稱為Ⅲ區(qū)段，即X染色體上沒(méi)有對(duì)應(yīng)的等位基因），還可以位于X和Y染色體的同源區(qū)段（以下稱為Ⅱ區(qū)段，即X和Y染色體上有對(duì)應(yīng)的等位基因）。教師引導(dǎo)學(xué)生思考：控制果蠅眼色的基因應(yīng)該位于常染色體上還是性染色體上？（由于眼色性狀的遺傳與性別有關(guān)，學(xué)生很容易想到控制果蠅眼色的基因應(yīng)該位于性染色體上）控制果蠅眼色的基因應(yīng)該位于Ⅰ區(qū)段、Ⅱ區(qū)段還是Ⅲ區(qū)段？（如果控制紅眼與白眼這一相對(duì)性狀的基因位于Y染色體上的Ⅲ區(qū)段，雌蠅是沒(méi)有Y染色體的，也就不應(yīng)該出現(xiàn)紅眼，這與事實(shí)不符，因此學(xué)生很快否定了控制果蠅眼色的基因位于Ⅲ區(qū)段）

接下來(lái)，教師讓學(xué)生自己嘗試運(yùn)用“假說(shuō)—演繹”法，推理控制果蠅眼色的基因究竟位于Ⅰ區(qū)段還是Ⅱ區(qū)段。實(shí)際教學(xué)中，如果大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為基因位于Ⅰ區(qū)段，教師可讓學(xué)生先推理此種假說(shuō)是否合理，再推理“基因位于Ⅱ區(qū)段”的假說(shuō)是否合理;如果認(rèn)為基因位于Ⅰ區(qū)段和基因位于Ⅱ區(qū)段的學(xué)生人數(shù)差不多，教師可讓持不同假說(shuō)的學(xué)生分組同時(shí)進(jìn)行推理，這樣更具競(jìng)爭(zhēng)性并且節(jié)約時(shí)間。

假設(shè)控制果蠅眼色的基因只位于X染色體的非同源區(qū)段（Ⅰ區(qū)段），教師引導(dǎo)學(xué)生借鑒孟德?tīng)柦忉屝誀罘蛛x現(xiàn)象的思維方法，依據(jù)自己的假說(shuō)，嘗試用遺傳圖解推理果蠅眼色雜交實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過(guò)遺傳圖解推理后發(fā)現(xiàn)，基因位于Ⅰ區(qū)段可以解釋上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（如圖2）。教師幫助學(xué)生回憶，孟德?tīng)枮榱蓑?yàn)證對(duì)性狀分離現(xiàn)象的解釋是否正確，還設(shè)計(jì)了測(cè)交實(shí)驗(yàn)，接著組織學(xué)生討論應(yīng)該如何設(shè)計(jì)測(cè)交實(shí)驗(yàn)（演繹）。學(xué)生討論后認(rèn)為，只有選用F1的紅眼雌蠅與親本的白眼雄蠅雜交才符合測(cè)交要求。教師讓學(xué)生繼續(xù)通過(guò)遺傳圖解推理測(cè)交實(shí)驗(yàn)（如圖3），并展示當(dāng)年摩爾根的測(cè)交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己的假說(shuō)經(jīng)過(guò)演繹得到的測(cè)交實(shí)驗(yàn)預(yù)期結(jié)果與實(shí)際結(jié)果一致。

假設(shè)控制果蠅眼色的基因位于X和Y染色體的同源區(qū)段（Ⅱ區(qū)段），提出該假說(shuō)的學(xué)生也嘗試用遺傳圖解推理果蠅眼色雜交實(shí)驗(yàn)。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，基因位于Ⅱ區(qū)段同樣可以解釋上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（如圖4），而且依據(jù)此假說(shuō)選用F1紅眼雌蠅與親本白眼雄蠅演繹得到的測(cè)交實(shí)驗(yàn)預(yù)期結(jié)果，依然與當(dāng)年摩爾根的測(cè)交實(shí)驗(yàn)實(shí)際結(jié)果一致（如圖5）。

5.補(bǔ)充反交實(shí)驗(yàn)，揭示本質(zhì)規(guī)律

通過(guò)上述演繹與推理，學(xué)生發(fā)現(xiàn)兩種假說(shuō)都能解釋果蠅眼色雜交實(shí)驗(yàn)。那么，究竟哪一種假說(shuō)是正確的呢？教師啟發(fā)學(xué)生：孟德?tīng)栕鐾愣闺s交實(shí)驗(yàn)時(shí)，分別進(jìn)行了正交和反交實(shí)驗(yàn)，由此組織學(xué)生討論：如果把親本野生型紅眼雌蠅與白眼雄蠅的雜交看作正交，反交應(yīng)該選用何種果蠅進(jìn)行雜交？（學(xué)生不難想到應(yīng)該選用野生型紅眼雄蠅與白眼雌蠅雜交）與紅眼雄蠅雜交的白眼雌蠅從何而來(lái)？（學(xué)生經(jīng)過(guò)之前的演繹，發(fā)現(xiàn)F1紅眼雌蠅與親本白眼雄蠅的測(cè)交后代中有白眼雌蠅）

解決上述問(wèn)題后，學(xué)生通過(guò)遺傳圖解進(jìn)一步演繹與推理，控制果蠅眼色的基因分別位于Ⅰ區(qū)段和Ⅱ區(qū)段時(shí)，用野生型紅眼雄蠅（看作純合子）與白眼雌蠅雜交的預(yù)期結(jié)果（如圖6和圖7所示）。學(xué)生發(fā)現(xiàn)依據(jù)兩種假說(shuō)，演繹得到的反交實(shí)驗(yàn)預(yù)期結(jié)果不同，而教師展示的當(dāng)年摩爾根所做的反交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖6所示的相符，至此終于證明，控制果蠅眼色的基因位于X染色體的非同源區(qū)段（Ⅰ區(qū)段）。

在完成上述“假說(shuō)—演繹”的基礎(chǔ)上，學(xué)生自主構(gòu)建“伴性遺傳”的概念已然水到渠成：像果蠅眼色遺傳這樣，基因位于性染色體上，其決定的性狀在遺傳上總是和性別相關(guān)聯(lián)，這種現(xiàn)象叫作伴性遺傳。

科學(xué)不僅僅是對(duì)科學(xué)概念的記憶和應(yīng)用，傳統(tǒng)課堂教學(xué)中學(xué)生記憶的科學(xué)知識(shí)很容易被遺忘，而參與科學(xué)推理的過(guò)程會(huì)讓學(xué)生的科學(xué)思維得到發(fā)展，同時(shí)促進(jìn)對(duì)科學(xué)知識(shí)的理解。概念教學(xué)過(guò)程中，科學(xué)思維方法的訓(xùn)練和科學(xué)思維能力的培養(yǎng)是相輔相成、有機(jī)融合的。筆者設(shè)計(jì)的“伴性遺傳”概念教學(xué)，以學(xué)生已有的認(rèn)知為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)學(xué)生的科學(xué)思維過(guò)程，在科學(xué)思維過(guò)程中滲透科學(xué)思維方法訓(xùn)練，鼓勵(lì)學(xué)生大膽運(yùn)用“假說(shuō)—演繹”法解決問(wèn)題，并通過(guò)遺傳圖解對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行演繹與推理。實(shí)際教學(xué)中學(xué)生表現(xiàn)出極大的參與熱情和探究興趣，積極思考、熱烈討論。整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，科學(xué)思維方法的訓(xùn)練自然流暢、代入感強(qiáng)，使學(xué)生對(duì)“假說(shuō)—演繹”法的理解得以升華，有效培養(yǎng)了學(xué)生演繹與推理的科學(xué)思維能力。