生物性狀分離和重組實(shí)驗(yàn)?zāi)M器

摘 要：文中模擬器基于教材性狀分離比模擬實(shí)驗(yàn)，遵照一體化設(shè)計(jì)理念，旨在通過(guò)改進(jìn)和拓展，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程連續(xù)性、實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性以及便捷切換完成多項(xiàng)遺傳雜交實(shí)驗(yàn)?zāi)M，以提高課堂教學(xué)效率，促進(jìn)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：性狀；分離和重組；模擬器

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

性狀分離比模擬實(shí)驗(yàn)是人教版高中生物必修2《遺傳與進(jìn)化》的重要實(shí)驗(yàn)之一。該實(shí)驗(yàn)遵循模擬實(shí)驗(yàn)的相似性原則，通過(guò)建立成對(duì)遺傳因子在有性生殖產(chǎn)生配子時(shí)的分離和受精時(shí)的雌雄配子隨機(jī)結(jié)合的模型來(lái)呈現(xiàn)一對(duì)相對(duì)性狀自交后代的性狀分離比，旨在類比推理，加深學(xué)生對(duì)分離定律的本質(zhì)理解，建構(gòu)核心概念，進(jìn)而發(fā)展生物學(xué)學(xué)科素養(yǎng)[1]。

教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案是以兩個(gè)小桶（每個(gè)小桶裝有等量?jī)煞N顏色小球）代表含有一對(duì)遺傳因子的雌雄親本通過(guò)人工混勻、取球、統(tǒng)計(jì)、回放四步循環(huán)操作為主體進(jìn)行性狀分離比模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐表明，教材實(shí)驗(yàn)雖簡(jiǎn)約、簡(jiǎn)便，但實(shí)際模擬時(shí)，因人工操作環(huán)節(jié)過(guò)多，耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)且工作量大，不利于課堂教學(xué)組織，尤其是混勻和取球兩個(gè)步驟中由于人為主觀因素干擾難以消除，導(dǎo)致誤差偏高；同時(shí)，教材實(shí)驗(yàn)還存在裝置整體性不強(qiáng)和模擬功能單一之不足，具有較大改進(jìn)空間；而目前可見(jiàn)的此類案例，絕大多數(shù)仍停留在“一對(duì)相對(duì)性狀分離比”的模擬上且沒(méi)有實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，其優(yōu)化主要體現(xiàn)在省去取球和回放兩個(gè)環(huán)節(jié)上，但每個(gè)模擬部件相對(duì)獨(dú)立并多依靠雙手搖勻，從而制約了部件數(shù)量和體積，模擬功能拓展和直觀性難以兼顧，此外，兩手搖動(dòng)力度和尺度不同也會(huì)帶來(lái)實(shí)驗(yàn)偏差；少數(shù)案例雖采用了電動(dòng)和顏色傳感統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的全自動(dòng)化整體設(shè)計(jì)，降低了誤差并提高了效率，但卻忽視了在該模擬實(shí)驗(yàn)中動(dòng)手體驗(yàn)以及統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)分析能力培養(yǎng)的重要性和必要性。為此，本文設(shè)計(jì)制作的“生物性狀分離和重組實(shí)驗(yàn)?zāi)M器”在保障實(shí)操性的基礎(chǔ)上遵照整體化組裝設(shè)計(jì)和一體化模擬操作理念，不僅更科學(xué)快捷地呈現(xiàn)了遺傳因子即基因的分離、重組以及雌雄配子隨機(jī)結(jié)合與性狀之間的邏輯數(shù)量關(guān)系，保障了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，提高了課堂教學(xué)效率，而且設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)化了功能拓展。

一、裝置原理和結(jié)構(gòu)

模擬器依照孟德?tīng)栠z傳規(guī)律中遺傳因子隨配子分配遺傳時(shí)的概率事件發(fā)生原理以及統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，整體結(jié)構(gòu)由支架、滾動(dòng)系統(tǒng)和統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)三個(gè)部分組成（見(jiàn)圖1）。配手動(dòng)和電動(dòng)兩種動(dòng)力選擇。

（一）材料與組件

本教具制作材料與組件以易得、環(huán)保和造價(jià)低為原則。材料各結(jié)構(gòu)部件及參數(shù)如下。

（1）支架

由1塊木質(zhì)底座板（寬20cm、長(zhǎng)50cm、厚1. 8cm，帶可調(diào)節(jié)腳4只）和2根木質(zhì)立柱（高28cm、寬4. 5cm、厚2cm，一端帶長(zhǎng)8cm、寬4. 5cm、厚2cm的橫擋，整體呈“L”型）組成。

（2）滾動(dòng)系統(tǒng)

主要由金屬軸承滾軸、手搖柄（微型電機(jī)）、半透明塑料滾桶及配套固定卡環(huán)以及色差大的紅、綠、黑、藍(lán)四色塑料實(shí)心計(jì)數(shù)小球若干組成。

①軸承滾軸及手搖柄（微型電機(jī)）：DIY立式帶座軸承滾軸KP001套裝（軸承內(nèi)徑1. 2cm、外徑3. 8cm，座寬1. 6cm、長(zhǎng)7. 1cm；滾軸規(guī)格長(zhǎng)50cm，直徑1. 2cm）；手搖柄操作直徑8cm，設(shè)置來(lái)回制動(dòng)彈簧阻片（長(zhǎng)約10cm，寬約1cm）1個(gè)，便于懸停調(diào)試和計(jì)數(shù)（微型電機(jī)套裝：正反轉(zhuǎn)遙控調(diào)速微電機(jī)，出軸直徑0. 6cm，最大扭矩35kg；配內(nèi)孔徑1. 2cm、外徑5. 2cm、50齒的從動(dòng)齒輪和動(dòng)力齒輪各1個(gè)及12V直流電源和遙控控制器；通過(guò)遙控調(diào)速并實(shí)現(xiàn)正、反一鍵切換；可升級(jí)為步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)編程自動(dòng)化控制）。

②滾桶及配套固定卡環(huán)：共4套，每個(gè)固定卡環(huán)由內(nèi)徑1. 2cm的金屬限制環(huán)和內(nèi)徑8. 5cm塑料卡環(huán)十字交叉對(duì)接而成；單個(gè)滾桶直徑8. 5cm，高16cm，容積500mL，每個(gè)滾桶底端部帶寬3cm、高3cm、長(zhǎng)4cm的半封閉式單球出球口槽，滾桶頂部標(biāo)有雌性（♀）或雄性（？）符號(hào)，出球口貼有出球基因類型提示標(biāo)簽，便于對(duì)照識(shí)別出球類型；滾桶底部?jī)?nèi)面具有15o斜坡度，坡底對(duì)應(yīng)出球槽，保證了較高的出球率（見(jiàn)圖2）。

③四色實(shí)心塑料小球若干：直徑2. 5cm（略小于出球槽寬度，保證單球出口），分別帶A（紅）、a（綠）、B（黑）、b（藍(lán)）字母標(biāo)記，模擬配子，同類等量組合裝入滾桶。

（3）統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)

由4個(gè)磁吸式插卡（用于安插如AA、A—B—等基因型或表型組合標(biāo)簽）及4個(gè)手動(dòng)計(jì)數(shù)器組成。

（二）制作方法與調(diào)試

重點(diǎn)關(guān)注了模擬不同實(shí)驗(yàn)時(shí)切換操作的需要，各組件盡量單元化設(shè)計(jì)，可自由拆卸與拼裝（見(jiàn)圖3）。

（1）支架組裝

將2根L型立柱（橫擋正向朝前）下端固定在底座板正面靠后兩角位置，兩立柱間凈距離42cm。

（2）滾動(dòng)系統(tǒng)（概率事件發(fā)生系統(tǒng)）安裝

①將滾軸配套軸承頂格橫檔下檐居中固定于兩立柱內(nèi)側(cè)面位置，根據(jù)滾桶規(guī)格在滾軸上等距固定好4個(gè)卡環(huán)并保持同一水平面，滾軸左端套上電機(jī)從動(dòng)齒輪，將滾軸兩端固定于滾軸軸承上，滾軸右端安裝手搖柄，并在右立柱適當(dāng)位置安裝來(lái)回制動(dòng)彈簧阻片（保證手動(dòng)或電動(dòng)時(shí)來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)和及時(shí)懸停）。

②安裝電機(jī)：將電機(jī)出軸套上動(dòng)力齒輪并在左立柱內(nèi)側(cè)面匹配好安裝位置（注意調(diào)整好動(dòng)力齒輪與從動(dòng)齒輪間的咬合度）后固定電機(jī)、固定從動(dòng)齒輪和動(dòng)力齒輪；電機(jī)控制器安裝在底座面板左側(cè)稍前端適當(dāng)位置即可，遙控器固定卡固定于左立柱下腳內(nèi)側(cè)面居中位置。電機(jī)與控制器及電源間接線做成即插式，方便組裝（見(jiàn)圖4）。

③安裝滾桶：將裝有對(duì)應(yīng)小球且在相應(yīng)位置貼好類別標(biāo)簽的滾桶（如♀-Aa、♀-Bb、？-Aa、？-Bb）安裝到卡環(huán)上（具體模擬不同實(shí)驗(yàn)時(shí)依據(jù)要求適時(shí)切換），適當(dāng)調(diào)整滾桶位置使底部出球口朝前并平齊，調(diào)節(jié)手搖柄角度至滾桶向下10o懸停，以便出球和計(jì)數(shù)具有恰當(dāng)視角。

二、使用方法及示例

（一）一對(duì)相對(duì)性狀的性狀分離比模擬實(shí)驗(yàn)

模擬一對(duì)等位基因的雜合子自交所發(fā)生的性狀分離比，以手搖動(dòng)力為例。具體步驟如下：

①計(jì)數(shù)器清零，磁吸式插卡基因型標(biāo)簽設(shè)置為AA、Aa、aa。

②將模擬一對(duì)等位基因代表♀、？親本的兩個(gè)滾桶（如♀-Aa、？-Aa）分別固定到卡環(huán)上并保證出球口正向朝前且平齊。

③來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)手搖柄1次，觀察兩滾桶出球組合類型并按下與基因型標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)1次。

④重復(fù)第三步，分次數(shù)梯度完成多組重復(fù)實(shí)驗(yàn)?zāi)M并記錄數(shù)據(jù)。

（二）兩對(duì)相對(duì)性狀的重組配子比及性狀重組比模擬實(shí)驗(yàn)

模擬兩對(duì)等位基因的雜合子自交發(fā)生自由組合的重組配子比及由此產(chǎn)生的性狀重組比。以電動(dòng)為例，先接插好控制器與電機(jī)以及電機(jī)與電源線（各插線上貼有對(duì)應(yīng)接插標(biāo)簽），接通電源，按遙控調(diào)速鍵調(diào)試好合適轉(zhuǎn)速（如每分鐘20轉(zhuǎn)）。具體步驟如下：

①計(jì)數(shù)器清零，磁吸式插卡基因型標(biāo)簽依次設(shè)置為AB、Ab、aB、ab。

②將模擬兩對(duì)等位基因代表♀或？親本的兩個(gè)滾桶（如♀-Aa與♀-Bb或者？-Aa與？-Bb）依次固定到卡環(huán)上并保證出球口正向朝前且平齊。

③按住遙控器正反轉(zhuǎn)一體鍵，讓滾桶來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)1次，觀察兩滾桶出球組合類型并按下與基因型標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)1次。

④重復(fù)第三步，分次數(shù)梯度完成多組重復(fù)實(shí)驗(yàn)?zāi)M并記錄數(shù)據(jù)。

進(jìn)行性狀重組比模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，將代表另一種性別的滾桶依次固定到剩余卡環(huán)上，計(jì)數(shù)器清零，磁吸式插卡基因型標(biāo)簽依次設(shè)置為A—B—、A—bb、aaB—、aabb即可模擬操作。

（三）一對(duì)或兩對(duì)相對(duì)性狀測(cè)交比模擬實(shí)驗(yàn)

調(diào)整滾桶內(nèi)小球配置，裝配如♀-Aa和？-aa兩個(gè)滾桶即可進(jìn)行一對(duì)相對(duì)性狀測(cè)交比模擬實(shí)驗(yàn)；裝配如♀-Aa與♀-Bb、？-aa與？-bb四個(gè)滾桶即可進(jìn)行兩對(duì)相對(duì)性狀測(cè)交比模擬實(shí)驗(yàn)。

（四）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)處理

利用Excel處理。首先在Excel中設(shè)定好程序，再將實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果數(shù)據(jù)輸入，自動(dòng)生成各項(xiàng)比值，高效和精確（見(jiàn)圖5）。

三、創(chuàng)新特點(diǎn)及使用效果

該模擬器設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)單元化、系統(tǒng)化與實(shí)操性，關(guān)注了出球率和觀察視角（如滾桶底部坡面、滾桶安裝傾斜角等）、混合度（如來(lái)回翻轉(zhuǎn)）、統(tǒng)計(jì)速度（如小球色差、球身標(biāo)記基因字母、出球口貼有出球類型對(duì)應(yīng)顏色標(biāo)簽）等關(guān)鍵細(xì)節(jié)，科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，規(guī)避了教材實(shí)驗(yàn)中人為主觀因素所帶來(lái)的干擾和誤差，實(shí)現(xiàn)了一器多能。主要?jiǎng)?chuàng)新特點(diǎn)有：

①形象直觀。滾桶來(lái)回滾動(dòng)，模擬配子的小球即可出槽口，裝置以可視化形式直觀呈現(xiàn)微觀抽象的“遺傳因子”分離和重組。

②結(jié)果可靠。利用滾動(dòng)系統(tǒng)，避免了人為的抓取、回放和混合中主觀因素的干擾，提高了概率事件發(fā)生的隨機(jī)性，保證了數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性。

③使用便捷。集轉(zhuǎn)動(dòng)混勻、隨機(jī)出球、快速計(jì)數(shù)、自動(dòng)回球于一體，耗時(shí)短，規(guī)避了教材原實(shí)驗(yàn)?zāi)M操作繁瑣程序，一般5 ～ 10分鐘可得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

④靈活組合。滾桶由卡環(huán)固定在軸承滾軸上，易拆卸及組裝，由此可模擬一對(duì)或兩對(duì)相對(duì)性狀多項(xiàng)遺傳雜交實(shí)驗(yàn)預(yù)期結(jié)果。

⑤動(dòng)力配雙。除常規(guī)手搖動(dòng)力外，配備微電機(jī)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)自動(dòng)化，兼顧手動(dòng)體驗(yàn)和節(jié)省人力。

此外，該模擬器之所以沒(méi)有考慮從滾動(dòng)、計(jì)數(shù)到數(shù)據(jù)處理的全智能化設(shè)計(jì)，旨在增強(qiáng)真實(shí)操作體驗(yàn)感，有效訓(xùn)練學(xué)生的觀察力與統(tǒng)計(jì)能力。

通過(guò)該模擬器的教師課堂演示和學(xué)生親身體驗(yàn)?zāi)M操作，不僅節(jié)省了教學(xué)活動(dòng)時(shí)間，加深了學(xué)生對(duì)遺傳基本定律的本質(zhì)理解，突破了教學(xué)重難點(diǎn)，提高了教學(xué)效率，促進(jìn)了學(xué)生遺傳與進(jìn)化的生命觀念的形成，而且培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手、觀察以及數(shù)據(jù)獲取、處理與分析能力，讓他們深刻體會(huì)到了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性、科學(xué)研究方法的重要性和科學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐的價(jià)值，從而促進(jìn)了學(xué)生科學(xué)思維和探究能力等學(xué)科素養(yǎng)的發(fā)展。

四、使用注意說(shuō)明

①孟德?tīng)柌捎昧私y(tǒng)計(jì)學(xué)的方法統(tǒng)計(jì)了上千株植株才得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，使用該模擬器時(shí)，建議采取分次數(shù)梯度進(jìn)行多組重復(fù)實(shí)驗(yàn)，重復(fù)次數(shù)越多，結(jié)果越可靠。實(shí)踐表明，模擬性狀分離比時(shí)做50次、60次、70次三組，模擬性狀重組比時(shí)做110次、130次、150次三組，效果較好。

②在模擬實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，偶爾會(huì)因小球間擠兌而導(dǎo)致的卡球現(xiàn)象，可通過(guò)搖晃滾桶混勻小球及添加潤(rùn)滑劑解決。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉培毅.交互式生物性狀分離比模擬實(shí)驗(yàn)儀器[J].教育與裝備研究，2021（5）：84-87.

（責(zé)任編輯：加順花）