“核心素養(yǎng)” 下的 “預(yù)期實驗結(jié)果-結(jié)論” 解題策略

趙開勇

摘要 基因定位是現(xiàn)代遺傳學探究的重要內(nèi)容之一，也是高考考查的主干知識。通過分析“假說-演繹法”在解“核基因定位”習題中的應(yīng)用，構(gòu)建“預(yù)期實驗結(jié)果-結(jié)論”解題模型，培養(yǎng)學生遺傳與變異、基因與性狀、結(jié)構(gòu)與功能的生命觀念，發(fā)展學生歸納與概括、演繹與推理、模型與建模的科學思維和實驗設(shè)計的科學探究能力，通過模型的拓展應(yīng)用樹立社會責任感，提升學生的學科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞? 核心素養(yǎng)解題策略假說-演繹法模型

中圖分類號 G633.91????????????? 文獻標志碼 B

文件編號：1003-7586（2023）03-0075-04

假說-演繹法（Hypothetico-deductive-method）又稱假說-演繹推理，是現(xiàn)代科學探究中常用的一種科學方法，指在觀察和分析的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)問題后，通過推理和想象提出解釋問題的假說，根據(jù)假說進行演繹推理，再通過實驗檢驗演繹推理的結(jié)論。如果實驗結(jié)果與預(yù)期結(jié)論相符，證明假說正確，反之，則說明假說錯誤。

“預(yù)期實驗結(jié)果-結(jié)論”是以探究為背景的實驗題的主要設(shè)問，其區(qū)分度較高、難度較大，歷來受命題者青睞。在解探究性實驗題時，學生或教師無法落實“完成實驗獲得實際結(jié)果”，只能根據(jù)假說進行演繹推理，回答推測得到的預(yù)期結(jié)果。

通過分析“假說-演繹法”在解“核基因定位”習題中的應(yīng)用，構(gòu)建“預(yù)期實驗結(jié)果-結(jié)論”解題模型，意圖培養(yǎng)學生的生命觀念，發(fā)展、強化和完善學生的科學思維和科學探究能力，促使學生樹立社會責任感，提升學科核心素養(yǎng)。解題模型的具體應(yīng)用途徑較多，下面以習題為例講述解題策略。

1 利用情境貫徹新課程標準培養(yǎng)生命觀念

生命觀念是對觀察到的生命現(xiàn)象及相互關(guān)系或特性進行解釋后的抽象，是人們經(jīng)過實證后的觀點，是能夠理解或解釋生物學相關(guān)事件和現(xiàn)象的意識、觀念和思想方法，是新課程標準核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)和支柱，更是育人價值觀的顯著表現(xiàn)?；蚨ㄎ涣曨}是對教材概念的深度考查，通過試題情境及解答化抽象為形象，引導學生深入理解相關(guān)概念，明白概念的內(nèi)涵和聯(lián)系，培養(yǎng)學生遺傳與變異、基因與性狀、結(jié)構(gòu)與功能的生命觀念，提升學科核心素養(yǎng)。

2 精選試題發(fā)展科學思維、科學探究能力

科學思維和科學探究是高中生物學科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，科學思維是指尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴謹和務(wù)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；科學探究是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現(xiàn)象，進行觀察、提問、實驗設(shè)計、方案實施以及交流與結(jié)果討論的能力。通過相關(guān)習題的練習有助于發(fā)展學生歸納與概括、演繹與推理、模型與建模的科學思維和實驗設(shè)計的探究能力，提升學科核心素養(yǎng)。

【例1】某植物的花色和株高受核基因的控制，其中 A、a 分別控制紅花和白花這對相對性狀，B、b 分別控制高莖和矮莖這對相對性狀，現(xiàn)有基因型為AaBb的個體，不知Aa、Bb基因在染色體上的分布情況?，F(xiàn)提供表現(xiàn)型為白花矮莖的植株若干，請設(shè)計一次雜交實驗探究上述紅花高莖植株的兩對基因在染色體上的關(guān)系（不考慮基因突變、染色體變異、交叉互換），并預(yù)期實驗結(jié)果及對應(yīng)的結(jié)論。

試題解析：利用“假說-演繹法”的一般程序分析本題并作答，其解題步驟如下。

分析問題作假說：假說要有科學性，而不是天馬行空的猜測。試題欲探究Aa、Bb 這兩對基因在染色體上的關(guān)系，“兩者可能存在哪些關(guān)系”就是要提出的假說。首先，考慮基因遵循自由組合定律時的分布，即Aa、Bb 位于兩對不同的同源染色體上；其次，考慮基因遵循分離定律時的分布，即Aa、Bb位于一對同源雜色體上，該假說又可下分 A、B 在一條染色體上和 A、B 不在一條染色體上。歸納概括其基因在染色體上的位置可提出三種假說，包括① Aa、Bb位于兩對不同的同源染色體上；② Aa、Bb 位于一對同源染色體上，且A、B 在一條染色體上；③ Aa、Bb 位于一對同源染色體上，且A、b在一條染色體上。

依據(jù)條件定實驗：在題干的限制下設(shè)計實驗，確定觀察的實驗現(xiàn)象即實驗結(jié)果。根據(jù)題干條件可設(shè)計雜交實驗：紅花高莖植株與白花矮莖植株雜交（測交），觀察并統(tǒng)計F1的表現(xiàn)型及比例。

演繹推理來預(yù)測：演繹是預(yù)測的過程，即根據(jù)假說及實驗設(shè)計進行科學推理得出預(yù)期結(jié)果。根據(jù)3種假說分別建立基因在染色體上的親本細胞模型（圖1），演繹推理獲得有關(guān)F1的預(yù)期表現(xiàn)型及比例。

預(yù)期+假說答案出：“預(yù)期實驗結(jié)果-結(jié)論”中的預(yù)期實驗結(jié)果、結(jié)論分別是什么，將兩者以假設(shè)復(fù)句的結(jié)構(gòu)組合即為答案。預(yù)期實驗結(jié)果即圖1中F1的表現(xiàn)型及比例，而結(jié)論為對應(yīng)的假說。

答案：設(shè)計紅花高莖植株與白花矮莖植株的雜交實驗，觀察統(tǒng)計F1的表現(xiàn)型及比例，預(yù)期實驗結(jié)果-結(jié)論如下。

Ⅰ.若F1表現(xiàn)型及比例為紅花高莖∶紅花矮莖∶白花高莖∶白花矮莖＝1∶1∶1∶1，則基因Aa、Bb位于兩對不同的同源染色體上。

Ⅱ.若F1表現(xiàn)型及比例為紅花高莖∶白花矮莖＝1∶1，則基因Aa、Bb 位于一對同源染色體上且A、B 在一條染色體上。

Ⅲ.若F1表現(xiàn)型及比例為紅花矮莖∶白花高莖＝1∶1，則基因 Aa、Bb 位于一對同源染色體上且 A、b 在一條染色體上。

【例2】1993年中國科學家首次在普通棉花的染色體上導入能控制合成毒素蛋白的B基因，培育出了抗蟲棉。已知棉花短纖維由基因A控制，現(xiàn)有一基因型為AaB 的短纖維抗蟲棉植株（減數(shù)分裂時不發(fā)生交叉互換，也不考慮致死現(xiàn)象）。請設(shè)計實驗探究 B 基因與A、a 基因所在染色體的關(guān)系，寫出實驗思路、預(yù)期實驗結(jié)果及對應(yīng)的結(jié)論。

試題解析：利用“假說-演繹法”的一般程序?qū)Ρ绢}分析作答，其解題步驟如下。

分析問題作假說：試題探究的問題為B基因與A、 a 基因所在染色體間的關(guān)系，假說應(yīng)針對兩者可能存在哪些位置關(guān)系提出?；诳茖W分析和歸納概括可提出三種假說，分別為：① B 基因在A 基因所在的染色體上；②B基因在a基因所在的染色體上；③B基因不在Aa基因所在的染色體上。

依據(jù)條件定實驗：考慮到題干只提供了抗蟲棉植株，且棉花為兩性花，因此設(shè)計自交實驗并觀察、統(tǒng)計 F1的表現(xiàn)型及比例。

演繹推理來預(yù)測：根據(jù)假說分別建立基因在染色體上的親本細胞模型（圖2），基于實驗設(shè)計進行演繹推理得到F1的預(yù)期表現(xiàn)型及比例。

預(yù)期+假說答案出：圖2中，F(xiàn)1的表現(xiàn)型及比例和相應(yīng)的假說（結(jié)論）結(jié)合即為答案。

答案：令抗蟲棉植株自交，觀察統(tǒng)計 F1的表現(xiàn)型及比例，預(yù)期實驗結(jié)果-結(jié)論如下。

Ⅰ.若 F1表現(xiàn)型及比例為短纖維抗蟲∶長纖維不抗蟲＝3∶1，則B基因在A基因所在的染色體上。

Ⅱ.若 F1表現(xiàn)型及比例為短纖維不抗蟲∶短纖維抗蟲∶長纖維抗蟲＝1∶2∶1，則 B 基因在 a 基因所在的染色體上。

Ⅲ.若 F1表現(xiàn)型及比例為短纖維抗蟲∶短纖維不抗蟲∶長纖維抗蟲∶長纖維不抗蟲＝9∶3∶13∶11，則 B 基因不在Aa基因所在的染色體上。

3 建立模型強化科學思維、科學探究能力

上述試題的解答過程呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，依據(jù)“假說-演繹法”的一般程序及上述解題過程構(gòu)建“預(yù)期實驗結(jié)果-結(jié)論”解題模型強化科學思維和科學探究能力，提升學生的生物學核心素養(yǎng)（圖3）。

4 應(yīng)用模型深化科學思維、科學探究能力

對學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是一個長期且逐漸豐富和完善的過程，在上述解題模型的應(yīng)用過程中可深化學生的科學思維、科學探究能力，提升學科核心素養(yǎng)。

【例3】某雌雄同株二倍體植物的綠葉和紫葉是一對相對性狀，受多對等位基因控制（Aa、Bb），其中綠葉對紫葉為顯性。某研究小組在種植該植物的綠葉品系時，偶然發(fā)現(xiàn)了兩株紫葉植株。若已確定兩株紫葉植株分別由不同的等位基因突變導致，請設(shè)計實驗探究這兩個突變基因是否位于一對同源染色體上。寫出實驗思路、預(yù)期實驗結(jié)果及對應(yīng)的結(jié)論。

試題解析：根據(jù)圖3“預(yù)期實驗結(jié)果-結(jié)論”解題模型順序作答。

分析問題作假說：本題探究的問題是控制紫葉的兩個不同突變基因是否位于一對同源染色體上，可提出兩種假說，即①控制紫葉的兩個突變基因位于一對同源染色體上；②控制紫葉的兩個突變基因位于兩對同源染色體上。

依據(jù)條件定實驗：要探究控制紫葉突變植株的兩個突變基因是否位于一對同源染色體上，需要讓控制紫葉的兩個突變基因重整于一個植株，為此設(shè)計兩紫葉植株雜交實驗，觀察統(tǒng)計F1的表現(xiàn)型及比例。

演繹推理來預(yù)測：據(jù)題意，兩個紫葉植株的基因型分別是aaBB、AAbb。根據(jù)假說分別建立基因在染色體上的親本細胞模型（圖4），再根據(jù)實驗設(shè)計進行演繹推理獲得 F1預(yù)期表現(xiàn)型及比例。下圖 F1均為綠葉，不能區(qū)分假說1和假說2，設(shè)計的實驗存在缺陷，需作補充。由于該植物為雌雄同株，再讓 F1自交，觀察能否通過 F2的表現(xiàn)型及比例進行區(qū)分。演繹推理結(jié)果顯示基于F2可以區(qū)分假說1和假說2。

預(yù)期+假說答案出：圖4中，F(xiàn)2的表現(xiàn)型及比例與相應(yīng)的假說（結(jié)論）結(jié)合即為答案。

答案：實驗思路為兩紫葉植株雜交獲得 F1，F(xiàn)1再自交得 F2，觀察統(tǒng)計 F2的表現(xiàn)型及比例，預(yù)期實驗結(jié)果-結(jié)論如下。

Ⅰ.若F2綠葉∶紫葉=1∶1，則這兩個突變基因位于一對同源染色體上。

Ⅱ.若F2綠葉∶紫葉=9∶7，則這兩個突變基因位于兩對同源染色體上。

【例4】在一野生果蠅種群中，由于核基因突變產(chǎn)生了一只隱性雌果蠅，請設(shè)計實驗探究該突變基因位于哪條染色體上。請寫出實驗思路，預(yù)期實驗結(jié)果及對應(yīng)的結(jié)論。

試題解析：根據(jù)圖3“預(yù)期實驗結(jié)果-結(jié)論”解題模型順序作答。

分析問題作假說：本題探究的問題是控制果蠅的基因位于什么染色體上。果蠅是雌雄異體X、Y 型性別決定的動物，其突變基因在染色體上的位置有三種可能：①在常染色體上；②只在X 染色體上；③在X、 Y染色體的同源區(qū)段。

依據(jù)條件定實驗：依據(jù)題目給出的條件，可設(shè)計突變型隱性雌果蠅與野生型雄果蠅作雜交實驗并觀察、統(tǒng)計F1的表現(xiàn)型及比例。

演繹推理來預(yù)測：根據(jù)假說和設(shè)計實驗得雜交組合分別為 aa×AA、XaXa×XAY、XaXa×XAYA 。觀察演繹結(jié)果（圖5）發(fā)現(xiàn)，假說1、假說3中子一代F1結(jié)果相同，需利用 F1繼續(xù)開展雜交實驗并觀察 F2的表現(xiàn)型及比例才可區(qū)分。

預(yù)期+假說答案出：圖5中，F(xiàn)1或F2的表現(xiàn)型及比例與相應(yīng)的假說（結(jié)論）結(jié)合即為答案。

答案：實驗思路為隱性雌果蠅與野生型雄果蠅雜交，觀察統(tǒng)計后代的表現(xiàn)型及比例，預(yù)期實驗結(jié)果-結(jié)論如下。

Ⅰ.若 F1既有野生型又有突變型，則該突變基因位于X染色體上。

Ⅱ.若 F1全為野生型，且 F1的雌雄個體交配后觀察、統(tǒng)計F2的表現(xiàn)型及比例發(fā)現(xiàn)：①野生型∶突變型=3∶1，且突變型雌雄個體都有，則該突變基因位于常染色體上；②野生型∶突變型=3∶1、但突變型只有雌性，則該突變基因位于X、Y染色體的同源區(qū)段上。

5 修改模型完善科學思維、科學探究能力

通過分析例3和例4中假說-演繹法的應(yīng)用，可以發(fā)現(xiàn)演繹不但能預(yù)測結(jié)果，還能檢驗設(shè)計的實驗有無缺陷。同時也反映出圖3“解題模型”的不足，須修正模型以優(yōu)化解題思路，完善科學思維，提升探究能力和核心素養(yǎng)，修正后的“解題模型”如圖6所示。

6 拓展應(yīng)用貫徹新課程標準樹立社會責任

社會責任是指基于生物學認識，參與個人與社會事務(wù)的討論，做出理性解釋和判斷，解決生產(chǎn)生活問題的擔當和能力。

本模型模型建立在“假說-演繹法”的基礎(chǔ)上，具有科學性；同時又可應(yīng)用于不同的探究活動中，具有普遍性。不同的探究活動其特殊性在于提出假說、設(shè)計實驗、預(yù)期結(jié)果的內(nèi)容不同，但流程相似。因此，該模型可用于其它探究性試題的解答和研究性學習等探究活動的指導，在模型的拓展應(yīng)用過程中幫助學生樹立社會責任感，落實立德樹人的根本任務(wù)，提升生物學核心素養(yǎng)。