應(yīng)用黑箱法進(jìn)行“基因在染色體上”的探究教學(xué)

崔榮榮

(江蘇省常州市田家炳高級(jí)中學(xué) 213001)

1 教材分析

“基因在染色體上”是人教版高中生物學(xué)教材《遺傳與進(jìn)化》第一章第二節(jié)的內(nèi)容，包括“薩頓的假說(shuō)”和“基因位于染色體上的實(shí)驗(yàn)證據(jù)”兩部分。學(xué)生通過(guò)第一章的學(xué)習(xí)，已經(jīng)了解孟德?tīng)柕膬纱筮z傳規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，認(rèn)識(shí)遺傳因子(基因)在遺傳中起著關(guān)鍵性的作用；通過(guò)第二章第一節(jié)“減數(shù)分裂的過(guò)程”的學(xué)習(xí)，又進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到染色體在遺傳中也起著重要作用。但是，學(xué)生對(duì)于基因到底是什么，基因與染色體存在怎樣的聯(lián)系是不清楚的。本節(jié)內(nèi)容正是這兩者的橋梁，可從薩頓的假說(shuō)到摩爾根的實(shí)驗(yàn)證據(jù)為兩者找到結(jié)合點(diǎn)，即“基因在染色體上”。本節(jié)的教學(xué)重、難點(diǎn)是基因在染色體上的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，即基因在染色體上的科學(xué)史教學(xué)。科學(xué)史教學(xué)不僅僅是對(duì)科學(xué)歷史事實(shí)的簡(jiǎn)單回顧，而是應(yīng)該利用科學(xué)史的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)以及相關(guān)材料引導(dǎo)學(xué)生自主探究。筆者嘗試應(yīng)用生物科學(xué)史，以假說(shuō)演繹法為主線，通過(guò)黑箱建模的方法進(jìn)行本節(jié)的教學(xué)，以發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，加深理解其中的生物學(xué)知識(shí)和原理，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力。

2 教學(xué)目標(biāo)

2.1 知識(shí)目標(biāo) 說(shuō)出基因位于染色體上的理論假說(shuō)和實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

2.2 能力目標(biāo) 利用“黑箱法”進(jìn)行探究，提高對(duì)問(wèn)題的分析判斷能力以及聯(lián)想和創(chuàng)造能力。

2.3 情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo) 體驗(yàn)合作學(xué)習(xí)的快樂(lè)和成功解決問(wèn)題的滿足感；認(rèn)同科學(xué)研究需要豐富的想象力，大膽質(zhì)疑和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的精神。

3 教學(xué)過(guò)程

課前準(zhǔn)備：學(xué)生采集果蠅，采集時(shí)氣溫最好在18℃～28℃之間，以酵母菌為主食，或用葡萄皮、香蕉皮和蘋(píng)果皮等進(jìn)行收集(葡萄皮效果最佳)。收集器皿為錐形瓶、廣口瓶、礦泉水瓶等。待果蠅飛入收集瓶中時(shí)用棉塞塞住瓶口。若收集瓶中有雌果蠅(大多為非處女蠅)，放置7～10 d后便可觀察到果蠅完整的發(fā)育過(guò)程。通過(guò)這樣的過(guò)程，學(xué)生不僅能夠認(rèn)可果蠅作為遺傳學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)材料所具備的優(yōu)點(diǎn)，而且還能激發(fā)內(nèi)在的學(xué)習(xí)興趣。

3.1 建立黑箱 以教材的“問(wèn)題探討”導(dǎo)入，讓學(xué)生嘗試將孟德?tīng)柗蛛x定律中的“遺傳因子”改成“同源染色體”后念一遍。設(shè)問(wèn)：是否感覺(jué)這個(gè)替換有問(wèn)題？[染色體的行為變化和遺傳因子(基因)存在一致性]再讓學(xué)生思考:人只有23對(duì)染色體，卻有幾萬(wàn)個(gè)基因，基因和染色體之間可能存在怎樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系？(基因可能在染色體上)從而建立黑箱 “基因是否在染色體上”。

3.2 分析輸出信息，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，大膽推測(cè)，建構(gòu)第二次輸入信息 展示摩爾根的雜交實(shí)驗(yàn)(圖1)，提問(wèn)：你從這個(gè)實(shí)驗(yàn)中有哪些推測(cè)，又有哪些疑惑？學(xué)生根據(jù)F2中紅眼與白眼的比值為3:1，推斷出眼色基因的遺傳符合孟德?tīng)柕姆蛛x定律，并且紅眼為顯性，白眼為隱性，同時(shí)提出疑問(wèn)“為什么白眼果蠅都為雄性？”讓學(xué)生根據(jù)自己的知識(shí)儲(chǔ)備，提出相應(yīng)的推測(cè)(學(xué)生推測(cè)果蠅的眼色基因可能在性染色體上)，教師展示果蠅染色體組成，并說(shuō)明X染色體和Y染色體為特殊的同源染色體，在結(jié)構(gòu)上存在相似的結(jié)構(gòu)，也有各自特有的結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步將眼色基因在性染色體的位置具體化，嘗試提出假說(shuō)。絕大部分學(xué)生能夠提出如下2種假說(shuō)：①控制眼色的基因在Y染色體上，而X染色體上沒(méi)有對(duì)應(yīng)的等位基因；②控制眼色的基因在X、Y染色體上。學(xué)生對(duì)第一種假說(shuō)最容易想到，對(duì)以下第三種假說(shuō)“控制眼色的基因只在X染色體上，而Y染色體上沒(méi)有對(duì)應(yīng)的等位基因”則憑直覺(jué)將其排除。

在此過(guò)程中雜交實(shí)驗(yàn)相當(dāng)于輸入信息，實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)于輸出信息，學(xué)生對(duì)輸出信息進(jìn)行深入思考、分析以及大膽推測(cè)，最終做出假說(shuō)，這是學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)黑箱的二次輸入信息的過(guò)程。

圖1 果蠅雜交實(shí)驗(yàn)圖解

3.3 再次輸入信息，分析輸出信息，構(gòu)建第三次輸入信息 基于第一章孟德?tīng)柤僬f(shuō)演繹的過(guò)程，學(xué)生認(rèn)識(shí)到所提出的假說(shuō)，首先要能夠解釋已經(jīng)做過(guò)的實(shí)驗(yàn)(即圖1的雜交實(shí)驗(yàn))。教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，分別對(duì)3種假說(shuō)以遺傳圖解的形式進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖2、3、4所示：

圖2 假說(shuō)1的遺傳圖解

圖3 假說(shuō)2的遺傳圖解

圖4 假說(shuō)3的遺傳圖解

從分析結(jié)果看，第一種假說(shuō)“控制眼色的基因只在Y染色體上”被否定，而這一假說(shuō)是之前學(xué)生憑直覺(jué)提出的最多的一種假說(shuō)；第三種假說(shuō)竟然滿足雜交試驗(yàn)的結(jié)果。這一輸出信息對(duì)學(xué)生的認(rèn)知形成強(qiáng)烈的沖擊，好奇心和探究欲望大增。在此，教師提醒學(xué)生在提出假說(shuō)時(shí)必須以事實(shí)為依據(jù)，不能憑主觀臆斷。

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧：孟德?tīng)栐诎l(fā)現(xiàn)遺傳規(guī)律過(guò)程中，提出的假說(shuō)除了要滿足事實(shí)依據(jù)(已經(jīng)做過(guò)的實(shí)驗(yàn))外，還要能預(yù)測(cè)未曾做的實(shí)驗(yàn)，一般用什么實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)假說(shuō)呢？(學(xué)生順其自然地想到測(cè)交，從而第三次輸入信息確定)

3.4 輸入第三次信息，分析構(gòu)建第四次輸入信息 教師引導(dǎo)同桌2人為一組，分工合作分別完成第二種和第三種假說(shuō)的演繹推理，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖5、6)。

圖5 假說(shuō)2的測(cè)父遺傳圖解

圖6 假說(shuō)3的測(cè)交遺傳圖解

從輸出信息看出，第二種假說(shuō)和第三種假說(shuō)若用測(cè)交，子代的表現(xiàn)型及其比例完全相同，這樣的結(jié)果再次出乎學(xué)生的意料。如何才能檢驗(yàn)?zāi)姆N假說(shuō)是正確的呢？教師引導(dǎo)學(xué)生思考分析，重新設(shè)計(jì)雜交實(shí)驗(yàn)使這兩種假說(shuō)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在子代表現(xiàn)型上出現(xiàn)差異，從而確定假說(shuō)的正確性。這個(gè)過(guò)程難度大，學(xué)生無(wú)從入手，需要教師梳理分析，做好鋪墊。

教師引導(dǎo)：根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)得到的雌果蠅：野生型紅眼雌果蠅(XWXW)，紅眼雌果蠅雜合子(XWXw)，白眼雌果蠅(XwXw)；已經(jīng)得到的雄果蠅：紅眼果蠅(XWY/XWY-)，白眼雄果蠅(XwY/XwYw)。用這些果蠅已經(jīng)做過(guò)的雜交實(shí)驗(yàn)有：野生型紅眼果蠅與白眼雄果蠅雜交；雜合的雌果蠅與紅眼雄果蠅雜交；雜合的雌果蠅與白眼雄果蠅雜交。對(duì)以上這3個(gè)實(shí)驗(yàn)，假說(shuō)2和假說(shuō)3都滿足實(shí)驗(yàn)結(jié)果。那么還未做的雜交組合就剩：野生型紅眼雌果蠅和紅眼雄果蠅；白眼雌果蠅和白眼雄果蠅；白眼雌果蠅和紅眼雄果蠅。通過(guò)這樣的梳理，難度顯著降低，很快確定使用第三種雜交組合：白眼雌果蠅和紅眼雄果蠅。但是假說(shuō)2中之前實(shí)驗(yàn)中得到的紅眼雄果蠅有兩種類型，即野生型XWYW和雜合子X(jué)WYw，應(yīng)該用哪種類型的紅眼雄果蠅呢？由學(xué)生畫(huà)出遺傳圖解進(jìn)行分析(圖7)，很顯然，用白眼雌果蠅與野生型紅眼雄果蠅進(jìn)行雜交可以達(dá)到檢驗(yàn)假說(shuō)的目的，從而確定第四次輸入信息。

圖7 白眼雌果蠅與紅眼雄果蠅遺傳圖解

3.5 驗(yàn)證假說(shuō)，得出結(jié)論 展示摩爾根測(cè)交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果：紅眼♀129只，紅眼♂132只，白眼♀88只，紅眼♂86只，以及白眼雌果蠅和野生型紅眼雄果蠅的雜交實(shí)驗(yàn)，子代出現(xiàn)白眼雄果蠅，從而說(shuō)明假說(shuō)3是正確的，即控制果蠅眼色的基因只存在于X染色體上，Y染色體上不存在其等位基因。也就說(shuō)明基因在染色體上。

4 教學(xué)反思

黑箱方法是指在不打開(kāi)黑箱的前提下,通過(guò)控制輸入和輸出信息來(lái)了解黑箱的功能和特性，探索其結(jié)構(gòu)和機(jī)理的一種科學(xué)方法。本節(jié)內(nèi)容從薩頓的假說(shuō)到摩爾根的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，實(shí)際上是科學(xué)家探索發(fā)現(xiàn)“基因在染色體上”的科學(xué)發(fā)展史過(guò)程。在教學(xué)中將科學(xué)史轉(zhuǎn)化成學(xué)生主動(dòng)探究發(fā)現(xiàn)的過(guò)程，以假說(shuō)演繹法“分析實(shí)驗(yàn)—提出問(wèn)題—作出假說(shuō)—演繹推理—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—得出結(jié)論”為主線，用黑箱建模的教學(xué)方法，通過(guò)分析輸出信息，四次構(gòu)建黑箱的輸入信息，不斷地檢驗(yàn)、修改、再檢驗(yàn)的循環(huán)過(guò)程，最終得出結(jié)論。

在探究的過(guò)程中，不僅能夠讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，以及敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。