性状分离比的模拟实验的拓展策略.doc

性状分离比的模拟实验的拓展策略刁宏垠 （东莞市东莞中学 523001）内容摘要：本文通过7个色球实验模拟孟德尔遗传定律的研究过程，改变课本中实验十三的安排时间和地位，变验证性实验为探究性实验，在短时间内引导学生学习运用数学统计原理研究问题的方法，模拟探究基因分离定律和基因自由组合定律。从此实验的教学价值拓展启发中，提出3条拓展课本实验的基本策略，扩展教材教学资源开发的思路。关键词：色球实验 教学价值 教材教学资源人民教育出版社出版的全日制普通高级中学教科书（试验修订本必修）生物第二册P22实验十三性状分离比的模拟实验很好地引导学生理解孟德尔的豌豆杂交试验出现的分离现象的内在遗传因子变化规律。笔者通过学习和思考，感觉此实验的教学价值很大。以往在传授遗传的基本规律章节内容时，始终感觉到不管老师如何改进常规教学，老师主导传授知识过程而学生被动接受知识的特点很明显。在使用高二生物新教材此实验时，被此具体形象、引导学生利用数学知识分析理解抽象知识的实验设计吸引了。但是为什么编著者将此实验放在辅助解释孟德尔豌豆杂交试验出现的分离现象的地位上呢？笔者尝试变更其安排时间和地位，将此实验调到介绍孟德尔杂交试验前面，模拟各种交配方式下的基因分离（或基因的自由组合）和随机结合与生物性状之间的数量关系，弥补不能在短时间内重复孟德尔杂交试验的遗憾。由于学生已经学习了减数分裂、受精作用，也认识了基因与性状之间的相互关系，对同源染色体上的相同基因、等位基因或者非同源染色体上的非等位基因有了初步了解。至于同源染色体上的相同基因、等位基因或者非同源染色体上的非等位基因在减数分裂、受精作用过程中分离、组合情况，就是学生需要探究的，也是孟德尔遗传规律本质所在。1性状分离比的模拟实验的拓展（以下拓展实验统称色球实验）1.1 色球实验模拟研究一对同源染色体上相同基因或者等位基因的分离和随机结合与生物性状之间的数量关系。此步骤为下面实验的共同步骤（第一步骤），在5个纸袋上分别标明：袋1，母本；袋2，父本；袋3，子代；袋4，黄色小球；袋5，绿色小球。标记为“D”的黄色小球40个，放在袋4中；标记为“d”的绿色小球40个，放在袋5中。（黄色小球、绿色小球可以分别用黄豆、青豆替代）。此实验中黄色对绿色为显性，只要有“D”就记为黄色，只有“dd” 才记为绿色。实验过程中使用的记录表（如下）格式基本相同，只是编号不同，记录表编号对应实验编号。 性状分离比的模拟实验记录表 编号：次数袋1中取出的基因（母本）袋2中取出的基因（父本）子代的基因组合子代的颜色判断123.101.1.1 模拟两个相同的纯合亲本的杂交（DD X DD、dd X dd）取标记为“D”的黄色小球40个，放在袋1、2中，各20个；分别搅拌袋内小球，分别从两个袋内随机取出一个小球，放在袋3内；记录从袋1、袋2中随机取出的小球的标记和袋3中小球的组合情况，填写在记录表中。重复实验10次。取标记为“d”的绿色小球40个，放在袋1、2中，各20个；分别搅拌袋内小球，分别从两个袋内随机取出一个小球，放在袋3内；记录从袋1、袋2中随机取出的小球的标记和袋3中小球的组合情况，填写在记录表中。重复实验10次。1.1.2 模拟两个不同的纯合亲本的杂交（DD X dd）取标记为“D”的黄色小球20个，放在袋1中；取标记为“d”的绿色小球20个，放在袋2中；分别搅拌袋内小球，分别从两个袋内随机取出一个小球，放在袋3内；记录从袋1、袋2中随机取出的小球的标记和袋3中小球的组合情况，填写在记录表中。重复实验10次。1.1.3 模拟纯合亲本与杂合亲本的杂交（dd X Dd、DD X Dd）取标记为“d”的绿色小球20个，放在袋1中；将实验1.1.2的袋3中20个小球放到袋2中。分别搅拌袋内小球，分别从两个袋内随机取出一个小球，放在袋3内；记录从袋1、袋2中随机取出的小球的标记和袋3中小球的组合情况，填写在记录表中。重复实验10次。取标记为“D”的黄色小球20个，放在袋1中；重复实验1.1.2，将实验1.1.2的袋3中20个小球放到袋2中。分别搅拌袋内小球，分别从两个袋内随机取出一个小球，放在袋3内；记录从袋1、袋2中随机取出的小球的标记和袋3中小球的组合情况，填写在记录表中。重复实验10次。1.1.4 模拟两个杂合亲本的杂交（ Dd X Dd）重复实验1.1.2，将实验1.1.2的袋3中20个小球放到袋1中。重复实验1.1.2，将实验1.1.2的袋3中20个小球放到袋2中。分别搅拌袋内小球，分别从两个袋内随机取出一个小球，放在袋3内；记录从袋1、袋2中随机取出的小球的标记和袋3中小球的组合情况，填写在记录表中。重复实验10次。1.2 色球实验模拟研究两对同源染色体上等位基因或相同基因的分离与两对非同源染色体上的非等位基因自由组合，形成配子并通过受精作用随机结合情况与生物性状之间的数量关系。此步骤为下面实验的共同步骤（第一步骤），在7个纸袋上分别标明：袋1，母本；袋2，父本；袋3，子代；袋4，子代; 袋5，子代；标记为“B”的无色圆滑大球10个，标记为“D”的黄色小球10个，放在袋6中；标记为“b”的无色粗糙大球10个，标记为“d”的绿色小球10个，放在袋7中。本实验中，“B”圆滑对“b”粗糙为显性，“D” 黄色对“d” 绿色为显性。实验过程中使用的记录表（如下）格式基本相同，只是编号不同，记录表编号对应实验编号。性状分离比的模拟实验记录表 编号：次数袋1中取出的基因（母本）袋2中取出的基因（父本）子代的基因组合子代的基因组合123.101.2.1 模拟孟德尔研究两对相对性状的杂交实验（BBDD X bbdd BbDd ）从袋6取标记为“B”的无色圆滑大球2个，标记为“D”的黄色小球2个，放在袋1中；从袋7取标记为“b”的无色粗糙大球2个，标记为“d”的绿色小球2个，放在袋2中。从袋1中各取1个大球、小球，放在袋3内；从袋2中各取1个大球、小球，放在袋3内；记录从袋1、袋2中随机取出的小球的标记和袋3中小球的组合情况，填写在记录表中。 重复以上2步骤，其中的袋3改为袋4。从袋3中各取1个大球、小球，放在袋5内；从袋4中各取1个大球、小球，放在袋5内；记录从袋3、袋4中随机取出的小球的标记和袋5中小球的组合情况，填写在记录表中。重复实验10次。1.2.2 模拟孟德尔研究两对相对性状的测交实验（BbDd X bbdd ）从袋6取标记为“B”的无色圆滑大球1个，标记为“D”的黄色小球1个，放在袋1中；从袋7取标记为“b”的无色粗糙大球1个，标记为“d”的绿色小球1个，放在袋1中。从袋7取标记为“b”的无色粗糙大球2个，标记为“d”的绿色小球2个，放在袋2中。从袋1中各取1个大球、小球，放在袋3内；从袋2中各取1个大球、小球，放在袋3内；记录从袋1、袋2中随机取出的小球的标记和袋3中小球的组合情况，填写在记录表中。重复实验10次。1.2.3 模拟孟德尔研究两对相对性状的双杂交实验（Bbdd X bbDd ）从袋6取标记为“B”的无色圆滑大球1个，从袋7取标记为“b”的无色粗糙大球1个，从袋7取标记为“d”的绿色小球2个，放在袋1中；从袋7取标记为“b”的无色粗糙大球2个，从袋6取标记为“D”的黄色小球1个，从袋7取标记为“d”的绿色小球1个，放在袋2中。从袋1中各取1个大球、小球，放在袋3内；从袋2中各取1个大球、小球，放在袋3内；记录从袋1、袋2中随机取出的小球的标记和袋3中小球的组合情况，填写在记录表中。重复实验10次。2 色球实验的数据统计分析2.1 减小实验数据统计误差的方法由于拓展开来的实验较多，学生可能不能专心去做。提倡23人的合作学习，1人取球，1人记录，1人监督。可以鼓励每组实验次数比10次更多。学生可以选取其中的实验当时就统计、分析数据，研究当实验次数不断增多，其中的规律显现的是否更明显。当不同小组出现的分离比例有差别时，应该多鼓励学生自己分析原因。各组分别统计各个实验的数据，由于实验次数相对较少，各个实验数据反应的关系（数据比例）差别比较大。引导学生分析其中的原因。既然各个合作学习小组的实验是相同的，根据数学知识，在数据统计时样本数量越大，数据所反应的规律性问题越准确，就引导学生将全班同学的各组实验数据分别统计在同一组，增大统计样本数量，减小误差。2.2 分析数据中体现的规律 分别统计各组实验数据，根据各组实验规定的显、隐性关系以及各标号组成推测内在关系。 1.1.1 模拟两个相同的纯合亲本的杂交（DD X DD、dd X dd）的实验数据表明两个相同的纯合亲本的杂交后代标记组成、性状与上一代完全相同，没有分离情况。1.1.2 模拟两个不同的纯合亲本的杂交（DD X dd）的实验数据表明两个不同的纯合亲本的杂交后代的标记组成都为Dd，性状为“D”控制的黄色，没有分离情况。1.1.3 模拟纯合亲本与杂合亲本的杂交（dd X Dd、DD X Dd）的实验数据表明，dd X Dd后代出现两种标记组成Dd 、dd，比例为1：1，后代出现分离，比例为1：1；而DD X Dd后代不出现分离，后代标记组成中至少含有一个“D”。1.1.4 模拟两个杂合亲本的杂交（ Dd X Dd）实验数据表明后代出现三种标记组成DD：Dd 、dd，比例为1：2：1，后代出现分离，比例为3：1。将全班同学的各组实验数据分别统计在同一组。1.2.1 模拟孟德尔研究两对相对性状的杂交实验（BBDD X bbdd BbDd ）的实验数据表明子代全部为BbDd的组成，不出现分离；子代出现9种标记组合；后代出现分离，按照相关规定得出4种组合，计算其比例为9：3：3：1。引导学生利用棋盘分析法分析内在规律。1.2.2 模拟孟德尔研究两对相对性状测交实验（BbDd X bbdd ）的实验数据表明子代出现4种标记组合，比例为1：1：1：1。1.2.3 模拟孟德尔研究两对相对性状双杂交实验（Bbdd X bbDd ）子代出现4种标记组合，比例为1：1：1：1。3 预测孟德尔的豌豆杂交试验的结果3.1 对比色球实验与孟德尔的豌豆杂交试验1.1.11.1.4的实验数据可以在学习孟德尔基因分离定律前利用，1.2.11.2.3的实验数据可以到学习孟德尔基因自由组合定律时再利用，充分安排好时间，利用好作为探究性实验的好素材。一对同源染色体上的相同位置存在相同基因或者等位基因。在减数分裂过程中相同基因或者等位基因会随着同源染色体分离而分离，进入到不同的雌配子（雄配子）中。而雌配子与雄配子在一对一的受精作用过程中，随机结合又组成新的基因组合。而基因控制着蛋白质的合成，与生物性状之间存在着必然的决定关系和相应的数量关系。在减数分裂过程中，两对同源染色体上各自的等位基因或相同基因的分离，而且两对非同源染色体上的非等位基因自由组合，形成不同雌配子（雄配子）并存在特定的数量关系。通过受精作用随机结合形成的后代基因组成关系及其比例与生物性状之间同样也存在必然的决定关系和数量关系。色球实验中，袋1为母本、袋2为父本、袋3为子代、袋4为子代、袋5为子代。球从哪里“拿出”，“放入”到哪袋，进出关系十分明确。其中的分别代表同一特点的色球一定有2个，色球上的标记要么完全相同要么大小写不同。完全相同的色球代表相同基因，大小写不同的色球代表等位基因，不同的字母代表不同的非等位基因。假如把色球“拿的过程”看作减数分裂的过程，“放的过程”看作受精作用的过程，此2个实验从本质上看是相通的，是可以模拟、替代的。3.2 猜想孟德尔的豌豆杂交试验的结果除了不能模拟减数分裂的详细过程外，色球实验与孟德尔的豌豆杂交试验的本质可以看作是一致的。既然如此，在探究色球实验基础上，让学生先推测孟德尔遗传定律的可能。再将孟德尔的实验数据给学生，让学生结合减数分裂、受精作用的过程研究其中的遗传规律。猜想等位基因分离如Dd X Dd的子代基因组成为DD：Dd 、dd，比例为1：2：1，后代出现性状分离，比例为3：1。猜想基因自由组合如BBDD X bbdd BbDd 的子代出现9种基因组合；后代出现性状分离，按照相关规定得出4种性状组合，计算其比例为9：3：3：1。后根据减数分裂和受精作用过程特点推演Dd X Dd、BBDD X bbdd BbDd 的基因传递情况，通过数学计算验证猜想的正确性。然后引导学生再从孟德尔试验角度学习一次，效果会很好。4 对新教材中教学资源开发的基本思路4.1 变验证实验结论为探究实验过程改变性状分离比的模拟实验的拓展实验的安排地位，将此实验调到介绍孟德尔杂交试验前面，变验证实验为探究实验。学生可以从合作学习、挑战难题过程中，带着浓厚的兴趣去探索到其中的规律，能很好地理解孟德尔试验成功的关键点在于先将问题简单化先针对一对相对性状的传递情况进行研究，再研究两对相对性状的传递情况；而且孟德尔在进行豌豆杂交试验时，对不同世代出现的不同性状的个体数目进行记录、分析，并很好地利用了统计学方法研究实验数据，而不是凭空的想象。在探究实验过程中，学生可以真正在减数分裂、受精作用、基因与生物性状关系、同源染色体、等位基因、非同源染色体上的非等位基因等基础知识的基础上猜想、探求未知，并能调用数学知识参与到合作学习的过程中来。如此改进和拓展此实验，可以很好地激发学生求知的欲望，培养学生寻找问题实质提出正确解决问题的能力，其教学价值增值了许多。 在高中生物的实验中，可以做如此处理的还有探索生物组织中不同种类糖的还原性、探索不同温度对酶活性影响的变化曲线、探索不同PH对酶活性影响的变化曲线、探索植物细胞浓度、探索不同浓度生长素对植物生长的影响、探索不同浓度甲状腺激素对蝌蚪发育的影响、探索各种影响蝌蚪发育的因素、探索DNA分子组成方式和空间结构、探索某种鸟类种群变化规律、探索酸雨或香烟浸出液对植物生长的影响、探索微生物生长的影响因素等等。4.2 变单一学科知识的探索为综合学科知识的整体学习 一般课本上实验的目的很明确，指向性单一。而本实验的拓展，基本原理就出自课本。但是变更实验安排的地位，实验本身所起的教学价值就发生了很大的改变。由于没有走利用课本编排来教学的老路，就需要学生在很好的合作学习基础上，调用大量的数学统计知识来分析数据寻找其中的关系，去对比分析色球“拿的过程”、“放的过程”与孟德尔遗传因子传递之间的相似性，找寻出合理的猜想。在研究不同温度对酶活性影响的实验中，课本只是安排了3个不同的温度条件的实验就得出相关抛物线曲线来。其实从数学角度来看，是不能得出此曲线的，至少再增加2个不同温度条件下测得的酶活性情况，才能在坐标系中描出5个点才能得出课本上的曲线图。在此实验过程中就要改进实验，才能既训练学生基本实验技能，又培养运用数学知识科学地得出结论来。在叶绿体中色素的提取和分离实验中，按部就班完全可以做成功实验，但是此实验的教学价值就小多了。假如变更色素提取液为乙醇、乙醚，假如变更层析液为乙醇、丙酮，色素在不同的有机溶剂的溶解度、扩散速度一样吗？这样就把化学知识融到生物实验当中了。在研究某老鼠种群密度变化时，利用数学归纳法理论上推算老鼠种群数量变化并画出相关曲线，而用“标志重捕法”和坐标系法相结合测算老鼠种群数量变化并画出相关曲线，会发现前者呈“J”型，而后者呈 “S”，从中就可以引导学生寻找可疑之处，并启发学生做出合理的解释（环境容量的限制）。4.3 变单一实验操作为实验整体方法的学习 新教材在重视基础知识、基本原理、基本技能的基础上，