基于假說一演繹法發展學生的科學思維及科學探究能力

劉莉 宋立偉

摘要 采用假說演繹法進行摩爾根的果蠅雜交實驗教學，以問題為驅動，引導學生通過假設與論證、歸納與推理，循著科學家的思維路徑，深度體驗“假說演繹法”，充分感受邏輯推理之美，以此發展學生的科學思維和科學探究能力。同時，應用摩爾根的果蠅雜交實驗判斷基因在性染色體上的位置。

關鍵詞 假說-演繹法 科學思維 科學探究 摩爾根 果蠅雜交實驗

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

文件編號：1003-7586（2018）11-0008-03

“摩爾根的果蠅雜交實驗”是人教版高中生物《必修2·遺傳與進化》第二章第二節“基因在染色體上的實驗證據”的教學內容，屬于遺傳學經典實驗，不僅為基因在染色體上提供了實驗證據，也為學生后續學習伴性遺傳奠定了基礎。下面采用假說一演繹法進行摩爾根的果蠅雜交實驗教學，以問題為驅動，引導學生逐步深入分析問題，解決問題，建構知識，以此發展學生的科學思維和科學探究能力。

1基于假說-演繹法的教學實施

1.1觀察實驗，提出問題

教師提供資料：1910年5月，摩爾根果蠅室的大群野生型紅眼果蠅中出現了一只白眼雄果蠅，對于這只后來在科學史上非常出名的昆蟲，摩爾根使它與野生型紅眼雌蠅交配而留下了后代。實驗結果符合孟德爾分離定律，學生很容易得出果蠅的紅眼和白眼受一對等位基因的控制。同時，部分學生也注意到了白眼性狀的個體都是雄蠅。因此，教師提出問題：（1）為什么白眼果蠅都是雄性？（2）依據薩頓的假說，控制眼色的基因是否在與果蠅性別有關的染色體上？教師以問題引發學生思考，激發學生的探究熱情。

1.2分析問題，建立假說

教師介紹：20世紀初期，一些生物學家已經在一些昆蟲的細胞中發現了性染色體。教師展示雄果蠅的染色體圖、男性的染色體圖，并提出問題：（1）X染色體、Y染色體大小相同嗎？（2）X染色體都比Y染色體大嗎？（3）X染色體、Y染色體是同源染色體嗎？（4）所有生物都有性染色體嗎？教師展示X染色體、Y染色體的同源區段和非同源區段的圖片，以此加深學生對性染色體的認識。

在充分了解性染色體后，學生小組探究控制白眼基因的位置，大膽地提出2個假說：（1）控制眼色的基因位于Ⅱ-2區段。（2）控制眼色的基因位于I區段。并分別給出圖1、圖2論證各自的觀點。

教師提出問題：（1）為何控制眼色的基因不能位于Ⅱ-1區段？（2）圖1、圖2均可解釋實驗現象，控制眼色的基因能夠既位于Ⅱ-2區段也位于I區段嗎？（3）假說僅僅能夠解釋已有的實驗結果，假說就一定正確嗎？（4）如何驗證假說正確與否？

此時，因假說沖突，學生的學習熱情已經被充分調動起來，學生產生了強烈的探究欲望。教師引導學生對假說進行演繹推理。

1.3演繹推理

為解決上述問題，學生設計測交實驗對假說進行進行演繹推理。持控制眼色的基因位于Ⅱ-2區段觀點的小組設計的測交實驗遺傳圖解如圖3所示，持控制眼色的基因位于I區段觀點的小組設計的測交實驗遺傳圖解如圖4、圖5所示。教師展示學生的成果，學生發現如僅按圖3、圖4進行測交實驗，F1個體的表現型及比值是相同的，依然無法判斷基因的位置。此時，教師提醒學生圖5所示的測交實驗，子代雌蠅均為紅眼，雄蠅均為白眼。

教師提問：從性狀雜交上看，圖4、圖5展示的雜交組合是什么關系？以此引導學生回憶正交和反交。受此啟發，持控制眼色的基因位于Ⅱ-2區段觀點的小組又設計了圖6所示的雜交實驗。然而，圖5、圖6所示的實驗結果卻又是相同的。

教師提問：圖5、圖6均是利用顯性父本和隱性母本雜交，如將圖5中XWYW更換為XWYW，即更換為野生型紅眼雌果蠅，遺傳圖解如圖7所示。教師引導學生分析，學生此時恍然大悟，圖6、圖7才是驗證假說的關鍵性實驗。

1.4實驗檢驗，得出結論

教師引導學生回顧科學史，展示為驗證假說的正確性摩爾根進行了一系列的驗證性實驗。①F1紅眼雌蠅與白眼雄蠅雜交，子代中紅眼雌蠅126只、紅眼雄蠅132只、白眼雌蠅120只、白眼雄蠅115只，這與圖3（或圖4）的遺傳圖解基本一致。②為野生紅眼雄蠅與白眼雌蠅雜交，即為經典的“顯性父本×隱性母本”，子代中雌蠅均是紅眼、雄蠅均是白眼，與圖6所示的遺傳圖解相一致。由此，摩爾根得出結論：控制眼色的基因位于X染色體的Ⅱ-2區段，Y染色體上沒有其等位基因。

1.5設計意圖

本教學環節以問題為驅動，不斷激發學生的探究欲望，有效地突出了學生的主體地位，有利于培養學生的思考能力、搜集和處理信息的能力、分析和解決問題的能力以及交流與合作的能力。學生提出假說彰顯了思維的靈活性和創造性，演繹推理的運用展現了科學過程的嚴謹與縝密。學生在學習過程中，逐漸領悟了：科學研究不僅需要縝密的思考、大膽的設想，也需要嚴謹的推理和確鑿的實驗證據。通過生生互動、分析討論、合作探究，學生獲取了基本的生物學知識，發展提升了推理、分析的能力，產生豐富的情感體驗，也領悟了科學的思想觀念及科學家們研究所用的方法，從而發展了科學思維和科學探究能力。本節課將知識、技能、情感融為一體，有效地培養了學生的核心素養，這是僅依靠教師講解的傳統課堂所無法給予的。

2摩爾根的果蠅雜交實驗的應用——判斷基因在性染色體上的位置

教學中，教師可基于摩爾根的果蠅雜交實驗，引導學生來判斷基因位于Y染色體的非同源區段、X染色體上的非同源區段、XY染色體的同源區段上，以此加深學生對所學知識的深入理解。

2.1判斷基因位于Y染色體的非同源區段

基因位于Y染色體的非同源區段上，其遺傳特點為僅雄性個體會表現出相應的性狀，而雌性個體不會表現出相應的性狀。上述情況很容易判斷出，各類型考試中鮮有考查。

2.2判斷基因位于X染色體的非同源區段或位于XY染色體的同源區段

正交和反交可判斷基因位于X染色體的非同源區段或位于XY染色體的同源區段。若正交和反交后F1雌性均為顯性性狀，F1雄性均為顯性性狀或均為隱形性狀，則基因位于X染色體上的非同源區段，遺傳圖解如圖1、圖6所示;若正交和反交后F1雌雄均為顯性性狀，則基因可能位于XY染色體的同源區段上，遺傳圖解如圖2、圖7所示。

值得注意的是，如果基因位于常染色體上，則正交和反交的結果與基因位于XY染色體的同源區段的結果相同。此時需F1雌雄個體相互雜交，通過觀察F2每種表現型中的雌雄比來判斷基因位于常染色體還是XY染色體的同源區段。如果F2中顯性性狀：隱形性狀=3：1，但顯性性狀中♀：♂=1：1、隱性性狀中♀：♂=1：1，則說明該性狀的遺傳與性別無關聯，可判斷基因位于常染色體上;如果F2中顯性性狀：隱形性狀=3：1，但正交（反交）F2顯性性狀中♀：♂ =2：1，而反交（正交）F2顯性性狀中♀：♂=1：2，則說明性狀的遺傳與性別相關聯，可判斷基因位于XY染色體的同源區段上。

如果已經確認是伴性遺傳（且基因不位于Y染色體的非同源區段上），只需觀察正交和反交后F1表現型即可判斷基因位置。若正交和反交后F1表現型相同，則基因位于XY染色體的同源區段上;若正交和反交后F1表現型不同，則基因位于X染色體上的非同源區段上。

本節課以問題為驅動，采取教師指導下的學生自主探究學習，利用多個連續的推理探究問題，通過層層探索，引導學生通過假設與論證、歸納與推理，循著科學家的思維路徑，深度體驗“假說一演繹法”，充分感受邏輯推理之美。在探索知識的發生與發展的過程，學生不僅構建了知識體系，也發展了自身的科學思維和科學探究能力。