“测交实验”的分析与教学建议.doc

“测交实验”的分析与教学建议热4已有 90 次阅读 2011-06-13 10:24 标签: 生物学 color 教学 老师 本文刚刚发表于生物学通报2011年第6期，贴出来与老师们共享。希望同行能提出批评性指导意见，谢谢！摘 要：本文从实验背景、科学方法等方面对“测交实验”进行了深入分析，实验背景可以较好地让学生从发展的角度认识科学的本质；演绎推理的学习及训练可以较好地培养学生科学探究能力。在此基础上提出了基于三维教学目标的教学建议。关键词： 测交 分析 科学方法 教学中国图书分类号：G633.91 文献标识码：C1问题的提出“测交实验”是高中生物必修2遗传与进化（人教版）第1章第1节孟德尔的豌豆杂交试验（一）中的重要实验，实验方法为孟德尔首创，实验目的是验证他提出的假说，即“细胞中成对的遗传因子在形成配子时发生分离，并分别进入不同的配子”。这个实验的学习，承载着必修2遗传与进化在整个高中生物课程中的重要价值之一“领悟假说演绎科学方法及其在科学研究中的应用”。另外，作为科学史经典实验的学习，教师应该让学生亲历思考和探究的过程，领悟科学探究的方法，并引导学生进行演绎推理的训练。所以，该实验的学习应该达到以下目标（如表1）。测交实验承载着重要的教育价值。由于以往大纲版教材的编排体系与现在不同，减数分裂（遗传的细胞学基础）在前，遗传定律在后，所以学习遗传定律时已经知道了遗传的实质，对于假说提出、测交实验等内容，已经不能按照探究性学习的步骤让学生体验和进行科学过程训练，导致测交实验的教学不能达到应有的效果。在新课程背景下应该如何进行“测交实验”的教学？笔者根据自己的教学实践，对此进行分析并提出教学建议。2实验背景：德国科学家J.G.Koelreuter(1733-1806)是第一个从事植物系统杂交研究的科学家，他创造了植物杂交方法，并成功获得了第一个烟草杂交种。英国育种学家奈特（1759-1838）曾选用豌豆做杂交实验，第一次发现豌豆种子的灰色对白色是显性，但是没有对实验结果进行数学统计。德国科学家C.F.Gaertner(1772-1850)是19世纪进行植物杂交实验最多的人，出版了三卷本的植物的杂交实验与观察，但是，他只强调从F1到F2代植株产生了巨大变异性，遗憾的是他把所有子代作为一个有机整体来集体处理，而没有统计和分析各种性状。孟德尔读过C.F.Gaertner的这部书，通过这部书了解了前人的有关工作。前面几位科学家均没有在统计实验结果的基础上进行深入思考，更没有提出合理的假说去解释这些实验现象。孟德尔之前的科学研究，较好地呈现出科学知识的发生过程及其发展性，可以让学生从发展的角度认识科学的本质，体味科学观点的发展有继承性，较好地从侧面做好铺垫，使学生更好地体会孟德尔的科学智慧。孟德尔选择豌豆的7对相对性状进行了杂交实验，并且对每个实验结果进行了统计分析，经过数学统计，他发现了规律，即：F2中总会出现显性个体隐性个体31。大量实验数据表明，该比的例出现决不是偶然。是什么原因导致遗传性状在杂种后代中按一定比例分离呢？孟德尔通过严谨的推理和大胆的想象，对分离现象的原因提出了假说，主要内容如下：生物的性状是由遗传因子决定的；体细胞中遗传因子是成对存在的；生物体在形成配子时，成对的遗传因子彼此分离，分别进入不同配子中；受精时雌雄配子的结合是随机的。正因为如此，F1（Dd）才会产生分别含有D和d的两种配子，后代才会出现31的比例。假说对分离现象的解释是完美的，但假说是否成立，需要通过科学实验来证实。在我们今天看来，也许这个假说很普通很平常，但在当时，没有相应的细胞学理论作为基础，在遗传学发展水平和科研条件限制下，能够提出如此超越时代的、完美的假说，的确是令人惊叹的。孟德尔的智慧不仅在于提出了严谨而科学的假说，还在于他科学巧妙地设计了测交实验验证假说的正确性。3“测交实验”的分析3.1 “测交实验”与假说的逻辑关系分析“测交实验”的核心目的就是为了证明F1（Dd）在产生配子时，D和d是否彼此分离，并分别进入不同的配子，从而导致配子中只含有每对遗传因子中的一个。测交实验证明假说的逻辑关系如下图所示：3.2 “测交实验”中的演绎推理“测交实验”推理的基本思想就是演绎推理，所以，要预设好这个实验的教学，教师必须熟练掌握演绎推理的基本思想与步骤，并且学生对于演绎推理也比较陌生，更需要教师从一个更高的高度把握推理过程。“假说演绎法”是在观察和分析基础上提出问题以后，通过推理和想象提出解释问题的假说，根据假说进行演绎推理，再通过实验检验演绎推理的结论。如果实验结果与预期结论相符，就证明假说是成立的，反之，则证明假说是不成立的。从上述分析可以看出，测交实验并不是直接验证的假说，因为假说是关于遗传因子的行为，而在当时，并不知道遗传因子是什么，直接观察遗传因子的行为动态是不可能做到的，所以就只有根据假说进行演绎推理，然后验证假说的演绎推理（或演绎推理的推论）是否正确。从演绎推理的角度，可以根据演绎推理的基本思想，列出演绎推理的基本步骤：4“测交实验”的教学建议4.1教科书编排体系与教学的关系分析由于以往大纲版教科书的编排体系是先学习减数分裂，再学习遗传定律，所以导致学习孟德尔定律时，教师直接将减数分裂的知识和学生已有的基因知识溶入其中，并且直接告诉学生孟德尔做了测交实验以证明自己的假说。现在有些老师仍喜欢按照原来大纲版教材的编排体系，提前学习减数分裂。由于学生在知道遗传定律的实质（遗传的细胞学基础-减数分裂）的前提下学习假说的提出、验证，所以会导致学生思维的定向甚至禁锢，出现了一个可笑的现象：遗传的本质都知道了，还有必要再提出假说吗？在学生的印象中，这根本就不是假说而是事实，那么验证就更没有必要了，所以，测交实验的学习就无足轻重了。这就是测交实验在以往教学中不能深入学习的重要原因。另外，知道了基因分离定律的实质，老师只能按照“了解实验过程分析实验结果得出结论”为主线进行教学，尽管学生能够更快地理解实验过程及其结果，但已经不可能按照学生的认知规律设计探究性学习活动过程，因为在已知结论的条件下，相关探究性问题无法设计，没有了未知的神秘感，破坏了学生探究的兴趣，导致失去了科学过程的训练，这种缺憾是无法弥补的。并且，这种教学策略忽视了当时的科学背景，淡化了孟德尔实验设计的巧妙与智慧，不利于学生真正理解实验的实质和科学价值，在迁移运用及能力培养方面有所欠缺，更不能领悟假说演绎法及其在科学研究中的应用。新课标教科书（人教版）修改了原来的编排体系，按照人类研究和认识遗传学的科学史次序进行编写。遗传定律的发现是从性状的遗传规律来推测遗传物质的传递规律，是早期对遗传现象的研究与认识。后来确定遗传物质在细胞中的位置，则是从细胞观察的角度来直观地认识遗传物质的传递规律。先学习遗传规律，再学习减数分裂，从宏观到微观、从现象到本质，符合学生的认知规律，并且有助于学生体验科学的过程与方法，同时展示了科学结论的发展性和可修正性。从科学方法教育方面，则更有利于培养学生的演绎推理与分析能力，这是课程标准要求学生必须具备的一种科学推理方法。4.2 测交实验的教学设计孟德尔经历了：发现问题（实践）建立假说（理论）设计实验验证假说（实践）建立学说（理论）。在这个过程中，假说的提出和对假说的验证是至关重要的两个环节，演绎推理贯穿始终，显示了这种科学推理方法的强大威力。所以在预设“测交”教学目标时应充分考虑演绎推理能力的培养与训练，并兼顾科学探究能力的培养。可以先通过简单的例子引导学生学习演绎推理的过程，让学生理解演绎推理的科学性和严谨性，然后让学生尝试进行孟德尔测交实验中的推理过程，在此基础上让学生在问题串引导下大胆地猜想，大胆地设计实验方案。4.2.1介绍孟德尔的遗传因子假说发现问题首先通过引导，让学生发现问题。孟德尔以其超人的智慧提出了遗传因子假说，他认为F1（Dd）自交后代出现高矮=31，是因为F1形成配子时，D和d分离而分别进入不同的配子，正是因为F1产生了分别含有D和d的比例相等的两种配子，才会出现上述结果。可是这毕竟是假说，F1（Dd）形成配子时D和d真的分离并且进入不同配子了吗？这需要实验验证，如果让你设计一个实验来验证这个假说，你认为实验如何设计？给学生留下思考的时间，在短时间内他们不可能提出具体的方法，但他们能体会到这个问题的复杂性和创新性，为下一步问题的解决埋下伏笔。此时插入演绎推理的训练，可以使学生对测交实验的推理方法有更进一步的理解，有利于下一步实验的分析与设计。介绍“假说演绎法”并举例说明演绎推理的基本思想。假说演绎法的介绍如前述（测交实验的分析），演绎推理的例子如下，其中测交实验的推理过程让学生填入表格，以便让学生得到推理过程的训练（答案见表3）。4.2.2让学生在问题引导下进行演绎推理训练并寻找实验方法设计实验此时通过下列几个小问题，让学生思考分析，并进行演绎推理，进行基于问题串的学生探究活动。实验的目的是什么？（验证F1的D和d是否分离了）如何才能知道F1的D和d是否分离并进入不同配子？（只要能验证F1产生分别含有D和d的2种配子，就能说明D、d分离了。反之，如果F1只产生1种配子，则说明D、d没有分离）F1产生的配子种类可以通过直接观察的方法去研究吗？（不能）配子不能直接生长发育并表现出基因所控制的性状，怎么办？（如果找到一种配子，只含隐性基因，不影响F1配子中的任何基因的表达，让这种配子和F1的所有配子结合成为受精卵并发育为个体，根据后代表现型及比例，就可以推理出F1是否产生了分别含有D、d的两种配子，以及两种配子的数量比例）如何才能得到这种配子？实验如何进行？教师循序渐进地提出以上7个小问题，根据学生情况，让他们分组讨论，采取分组讨论小组代表发言全体评价教师总结的方式进行课堂探究活动。4.2.3通过演绎推理进行基于问题讨论的课堂探究活动实验预期及分析通过以下问题进行分析：实验会有哪几种可能的结果？哪种结果支持原假设？如果后代为高：矮=11，如何由此分析假设的成立？其逻辑关系如何？上述问题让学生讨论解决，尤其问题，一定让学生充分讨论，找小组代表分别发言，其余学生评价，最后教师总结：测交后代有两种表现型F1产生2种配子；测交后代两种表现型比例为11F1产生的两种配子比例为11；由此证实了F1（Dd）产生配子时D和d的确分离了，并且进入不同的配子。该过程主要训练学生的演绎推理能力。5教学反思该教学过程是在充分了解孟德尔测交实验的背景和实验目的的基础上设计的。通过问题提出设计实验结果预期实验逻辑分析几个步骤，引导学生进行基于问题的课堂探究活动，以合作讨论促成知识建构与探究能力的生成，以评价过程促成批判性思维能力的生成，以问题成功解决的过程体验孟德尔的科学智慧和促成情感态度目标的生成。在假说分析与实验设计过程中，成功对学生进行了演绎推理训练，并让学生体验到演绎推理的严谨性与科学性。因此，该教学过程能够较好地促进三维教学目标的生成。参考文献1王永胜.生物学核心概念的发展.北京：人民教育出版社,2007:68-78.2李红.“遗传与进化”模块中“假说-演绎法”的教学.生物学通报，20