理解遺傳規(guī)律實質(zhì) 解決遺傳相關(guān)難題
——由一道浙江省選考遺傳題引發(fā)的思考

浙江 糜洛施

《中國高考評價體系》規(guī)定了高考以情境為考查載體，命制的試題要選擇合適的情境，以發(fā)揮核心價值的引領(lǐng)作用，讓學(xué)生運(yùn)用必備知識和關(guān)鍵能力解決問題，全面發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。目前，生物學(xué)選考試題通過真實情境考查學(xué)科核心素養(yǎng)已成為學(xué)科特色。因此，教師們不能只停留在歸納各種遺傳題概率計算的解題技巧上，而是要幫助學(xué)生理解規(guī)律背后的實質(zhì)，并將其內(nèi)化為學(xué)科核心素養(yǎng)，實現(xiàn)知識遷移，最終幫助學(xué)生在新情境下應(yīng)用相關(guān)解題方法。筆者深度剖析了浙江省2022年6月選考遺傳題第(4)題的錯因，并進(jìn)行總結(jié)反思。

1.原題再現(xiàn)，分析試題

(2022年6月，浙江卷，第28題節(jié)選)某種昆蟲野生型為黑體圓翅，現(xiàn)有3個純合突變品系，分別為黑體鋸翅、灰體圓翅和黃體圓翅。其中體色由復(fù)等位基因A1/A2/A3控制，翅形由等位基因B/b控制。為研究突變及其遺傳機(jī)理，用純合突變品系和野生型進(jìn)行了基因測序與雜交實驗?；卮鹣铝袉栴}：

研究體色遺傳機(jī)制的雜交實驗，結(jié)果如表1所示：

表1

研究體色與翅形遺傳關(guān)系的雜交實驗，結(jié)果如表2所示：

表2

(4)若選擇雜交Ⅲ的F2中所有灰體圓翅雄蟲和雜交Ⅴ的F2中所有灰體圓翅雌蟲隨機(jī)交配，理論上子代表現(xiàn)型有________種，其中所占比例為2/9的表現(xiàn)型有哪幾種？________。

【分析】該題第一空需要學(xué)生在特定情境中基于事實和證據(jù)，通過推理、判斷，運(yùn)用遺傳規(guī)律對可能的結(jié)果做出預(yù)測，屬于科學(xué)思維的三級水平。第二空是在新的問題情境中，需要學(xué)生采用適當(dāng)?shù)目茖W(xué)思維方法解釋、整合相關(guān)知識，使用生物學(xué)術(shù)語進(jìn)行描述，屬于科學(xué)思維的四級水平。雖然在遺傳專題復(fù)習(xí)時，教師安排了有相關(guān)類型題目的訓(xùn)練，但從學(xué)生答題情況的反饋來看，準(zhǔn)確率并不高，特別是第二空。

2.錯點分析，尋根溯源

2.1遺傳規(guī)律實質(zhì)的運(yùn)用能力不夠

部分學(xué)生從表1和表2數(shù)據(jù)信息中能得出體色與翅形遵循自由組合定律，能推出親本灰體圓翅雄蟲的基因型為1/3A2A2XBY和2/3A2A3XBY，灰體圓翅雌蟲基因型為1/3A2A2XBXb和2/3A2A1XBXb，也能分析出子代的體色有黃體與灰體，翅形有圓翅與鋸翅，但因未考慮到性別也是一種性狀，而且性別與翅形相關(guān)聯(lián)，答錯了第一空。

很多學(xué)生回答第二空的解題思路為先分析出雌、雄配子的基因型及比例，結(jié)合題干信息由棋盤法列出子代的表現(xiàn)型及比例，由表3可知共6種表現(xiàn)型，灰體圓翅雄蟲和灰體鋸翅雄蟲各占1/9+1/18+1/18。但該過程較為煩瑣，故會因計算時間偏長而影響學(xué)生得分。

表3

從本質(zhì)上而言，體色與翅形的遺傳遵循自由組合定律，本題的計算滿足乘法定理。故優(yōu)化后的解題思路為XBXb和XBY雜交后代表現(xiàn)型及概率為1/2圓翅雌、1/4圓翅雄和1/4鋸翅雄。雄蟲(1/3A2A2，2/3A2A3)和雌蟲(1/3A2A2，2/3A2A1)自由交配后代表現(xiàn)型及概率為8/9灰體和1/9黃體。因此，所占比例為2/9的表現(xiàn)型有灰體圓翅雄蟲和灰體鋸翅雄蟲2種。可見，該方法重思維而輕計算，實現(xiàn)了化繁為簡、精準(zhǔn)快速地解題。據(jù)了解，因部分學(xué)生對遺傳規(guī)律實質(zhì)的理解程度與把握程度不夠，考試中常常不敢嘗試使用第2種方法。

2.2復(fù)雜情境信息的轉(zhuǎn)化能力不足

部分學(xué)生在面對情境比較復(fù)雜的試題時經(jīng)常不能順利完成信息轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致推理過程混亂，思維卡殼。筆者統(tǒng)計分析歷年高考題，發(fā)現(xiàn)遺傳題的情境一般都具有一定的綜合性與復(fù)雜性，如2021年6月浙江卷的第28題,要求學(xué)生能在轉(zhuǎn)基因的問題情境中，運(yùn)用生物學(xué)規(guī)律和原理，對相關(guān)結(jié)果做出合理解釋。

(2021年6月，浙江卷，第28題節(jié)選)利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，將抗除草劑基因轉(zhuǎn)入純合不抗除草劑水稻(2n)(甲)，獲得轉(zhuǎn)基因植株若干。從轉(zhuǎn)基因后代中選育出純合矮稈抗除草劑水稻(乙)和純合高稈抗除草劑水稻(丙)。用甲、乙、丙進(jìn)行雜交，F(xiàn)2結(jié)果如表4。轉(zhuǎn)基因過程中，可發(fā)生基因突變，外源基因可插入到不同的染色體上。高稈(矮稈)基因和抗除草劑基因獨(dú)立遺傳，高稈和矮稈由等位基因 A(a)控制，有抗除草劑基因用B+表示、無抗除草劑基因用B-表示。

表4

回答下列問題:

(3)乙×丙的F2中，形成抗除草劑與不抗除草劑表現(xiàn)型比例的原因是___________________。

【分析】該小題2分，屬于“問題溯源”類試題。該類試題具有一定的靈活性和開放性，而題干中沒有明確提示“目的基因多次插入并整合到受體細(xì)胞染色體上”，學(xué)生需要仔細(xì)解讀題干信息，調(diào)動知識儲備，通過推理、判斷，整合相關(guān)知識，并使用生物學(xué)術(shù)語、生物學(xué)概念組織文字進(jìn)行描述和闡釋，屬于科學(xué)思維的三級水平。部分學(xué)生從表4乙×丙的數(shù)據(jù)信息中能得出F2中抗除草劑∶不抗除草劑表現(xiàn)型的比例是15∶1，歸納出該比例是9∶3∶3∶1的變式，但不能準(zhǔn)確、完整、規(guī)范地答題。學(xué)生的語言表述僅停留在“自由組合”關(guān)鍵詞上，沒有說清為什么遵循自由組合定律的實質(zhì)。反觀2022年6月的遺傳題，題干信息量更大，對學(xué)生的信息獲取、運(yùn)用及整合能力提出了更高的要求。

3.抓住實質(zhì)，突破難點

3.1 建立遺傳規(guī)律實質(zhì)模型

生物學(xué)課程內(nèi)容聚焦大概念，力求讓學(xué)生能夠深刻理解和應(yīng)用重要的生物學(xué)概念，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。因此，在復(fù)習(xí)中，如果教師長期糾纏于零碎知識的記憶及運(yùn)用，沒有適當(dāng)關(guān)注與培養(yǎng)學(xué)生的高階思維，則不利于學(xué)生對生物學(xué)概念的深刻理解和科學(xué)思維的發(fā)展。教師可以通過鋪設(shè)層層遞進(jìn)的問題幫助學(xué)生思考。

3.1.1 典型錯題誘發(fā)認(rèn)知沖突

【例1】下列有關(guān)分離定律的幾組比例中，最能說明基因分離定律實質(zhì)的是

( )

A.F2遺傳因子組成比例為 1∶2∶1

B.F1產(chǎn)生的配子的比例為 1∶1

C.F2表現(xiàn)型的比例為 3∶1

D.測交后代比例為 1∶1

這道題在課時作業(yè)中同學(xué)們已經(jīng)碰到過多次，但還有較多學(xué)生不能準(zhǔn)確答出B這個正確答案。通過讓學(xué)生自己分析錯因，暴露錯誤概念，從而激起學(xué)生對遺傳專題復(fù)習(xí)的求知欲。

3.1.2 知識回顧激發(fā)自主建構(gòu)

要解決“基因分離定律的實質(zhì)是什么”的問題，就要回到孟德爾的實驗中進(jìn)行分析。學(xué)生在例題情境中發(fā)現(xiàn)問題后，教師引導(dǎo)學(xué)生完成遺傳圖解(棋盤法)和減數(shù)分裂模式圖的完善，通過展示與交流環(huán)節(jié)，讓學(xué)生繼續(xù)“溯源”，直至找到性狀分離的根源為止。學(xué)生通過減數(shù)分裂模式圖的繪制，能順利得出單因子實驗中性狀分離比的形成是因為F1產(chǎn)生了C和c比例為1∶1的雌配子，同時產(chǎn)生了C和 c比例為 1∶1 的雄配子，無論是1∶2∶1的基因型比例，還是3∶1的表現(xiàn)型比例，都是規(guī)律的現(xiàn)象，而減數(shù)分裂過程中基因的行為才是規(guī)律的實質(zhì)。

3.1.3 歸納總結(jié)促進(jìn)思維監(jiān)控

利用表5，教師引導(dǎo)學(xué)生對自主建立遺傳規(guī)律實質(zhì)模型的過程進(jìn)行總結(jié)、反思和評價，意在促進(jìn)學(xué)生內(nèi)化科學(xué)思維方法，自我監(jiān)控思維活動過程，從而培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)科學(xué)思維的實踐能力。

表5

3.2 培養(yǎng)解遺傳題的關(guān)鍵能力

關(guān)鍵能力是支撐和體現(xiàn)學(xué)科核心素養(yǎng)要求的能力表征，是高考考查的重點內(nèi)容。結(jié)合知識獲取能力群、實踐操作能力群和思維認(rèn)知能力群這三個關(guān)鍵能力群，筆者梳理并總結(jié)了解遺傳題的關(guān)鍵能力。

3.2.1 驗證性狀的遺傳遵循遺傳規(guī)律的方法

基因定位在染色體上的減數(shù)分裂模式圖的繪制有利于學(xué)生掌握遺傳規(guī)律的實質(zhì)，考慮時間成本的原因，學(xué)生不能過度依賴?yán)L制圖形來判斷性狀的遺傳是否遵循自由組合定律或分離定律。教師可以通過例2和例3幫助學(xué)生梳理、總結(jié)其中的規(guī)律。

【例2】基因型YyRr個體的遺傳不遵循自由組合定律，但遵循分離定律，該個體產(chǎn)生的配子比例是

( )

A.YR∶yR∶Yr∶yr=1∶2∶3∶4

B.YR∶yR∶Yr∶yr=1∶8∶8∶1

C.YR∶yR∶Yr∶yr=1∶1∶1∶1

D.YR∶yR∶Yr∶yr=2∶3∶1∶4

【例3】已知Y、y和R、r兩對基因都與果實大小有關(guān)，且顯性基因越多果實越大，Y和R對果實增大的作用也相同。下列過程能驗證基因的自由組合定律的是

( )

A.YyRr自交，子代表現(xiàn)型的比例為1∶4∶6∶4∶1

B.Yyrr與yyRr雜交，子代表現(xiàn)型的比例為1∶2∶1

C.YyRr與yyrr雜交，子代表現(xiàn)型的比例為1∶1

D.YyRr自交，子代表現(xiàn)型的比例為1∶2∶3∶2∶1

【分析】雜交實驗中，若能證明等位基因分離產(chǎn)生的兩種配子類型比例為1∶1，則符合分離定律。例2的A選項和D選項中Y∶y或R∶r均不等于1∶1。雜交實驗若能證明雙雜合子能產(chǎn)生4種等比例的配子，就能證明兩對基因遵循自由組合定律。例3中只有A選項的子代表現(xiàn)型比例是因為親本產(chǎn)生了4種等比例的配子而出現(xiàn)的。

3.2.2逆向思維配子法

配子法常用于自由交配中相關(guān)概率的計算，能比較快速地預(yù)測后代的基因型或表現(xiàn)型比例。對于后代表現(xiàn)型及比例已知的試題，可以引導(dǎo)學(xué)生用逆向思維分析題干中的特殊“結(jié)果”，讓學(xué)生從已知的“結(jié)果”中分析產(chǎn)生的原因，推理親本產(chǎn)生配子的類型及比例，從而解決相關(guān)問題。例4與例5就是運(yùn)用逆向思維配子法將試題“化繁為簡”。

【例4】果蠅的長翅(B)與短翅(b)、紅眼(XR)與白眼(Xr)是兩對相對性狀。現(xiàn)有1只長翅白眼果蠅與1只長翅紅眼果蠅雜交，子代雌果蠅中長翅白眼占3/8，則子代雄果蠅中出現(xiàn)長翅白眼的概率為________。

【分析】子代雌果蠅中長翅白眼B___________________XrXr占3/8，即3/4×1/2，由3/4比例可知，親本長翅均為雜合子Bb，1/2比例可推得親本紅眼果蠅產(chǎn)生了1/2XR和1/2Xr，則子代雄果蠅中出現(xiàn)長翅白眼的概率為3/4×1/2?？梢?，該解題思路的關(guān)鍵是要轉(zhuǎn)換題干信息逆向思維得出親本長翅均為雜合子、親本紅眼果蠅的雌配子類型及比例。

【例5】(2022年1月，浙江卷，第28題節(jié)選)(題干略)(3)若有一個由星眼正常翅雌、雄果蠅和正常眼小翅雌、雄果蠅組成的群體，群體中個體均為純合子。該群體中的雌雄果蠅為親本，隨機(jī)交配產(chǎn)生 F1，F(xiàn)1中正常眼小翅雌果蠅占21/200、星眼小翅雄果蠅占49/200，則可推知親本雄果蠅中星眼正常翅占________。

【分析】本題屬于自由交配的計算問題，需要學(xué)生從已知的結(jié)果中分析親本的情況，屬于科學(xué)思維的四級水平。由題干信息可知，正常眼小翅雌果蠅aaXbXb占21/200，即3/10×7/10×1/2，由aXb和aXb配子結(jié)合而來；星眼小翅雄果蠅AaXbY占49/200，即7/10×7/10×1/2，由AY和aXb配子結(jié)合而來。因此，親本雄配子aXb∶AY=3∶7，即aY∶aXb∶AY∶AXB=3∶3∶7∶7。由親本雄配子比例可推知，親本雄果蠅中星眼正常翅占7/10。

總之，生物學(xué)高考遺傳題的解題步驟或方法并非每題都相同，必定要根據(jù)具體情況靈活選擇及應(yīng)用。但復(fù)雜情境下的遺傳題所蘊(yùn)含的核心概念必定離不開孟德爾遺傳規(guī)律的實質(zhì)，因此，解答遺傳題的關(guān)鍵能力的培養(yǎng)必須要重視引導(dǎo)學(xué)生理解遺傳規(guī)律核心概念的內(nèi)涵與外延。