“基因在染色體上”的論證式教學實踐探索

王 麗

（南京師范大學附屬中學秦淮科技高中 江蘇南京 210001）

1 論證式教學

論證式教學起源于20世紀90年代美國，旨在讓學生對所得的證據和主張進行解釋、權衡、辯護及評價，讓學生感受科學家研究思路，對科學探究的過程和結果給予質疑與批判，主動構建理論知識的過程。圖爾敏的論證結構（Toulmin′s Argument Pattern，TAP）最具代表性，后來的許多關于論證式教學的研究均以其為基礎。圖爾敏認為一個明確的論證可由資料推論而產生主張，同時說明此推論的理由。在TAP的架構中，各組成因子的關系如圖1所示。

圖1 TAP論證模式

2 “基因在染色體上”的論證式教學

“基因在染色體上”一節是蘇教版高中生物學《必修2·遺傳與進化》第一章第四節的內容。在此之前，學生已經學習了孟德爾遺傳定律和減數分裂的過程。本節內容是細胞學與分子學連接的橋梁，是有關科學史、科學探究和科學思維為一體的重要內容。“基因在染色體上”這一結論是眾多科學家在不斷修正、完善中發展的。其中，薩頓的假說和摩爾根的果蠅雜交實驗最為經典，此科學議題源于“基因在哪里？”。科學家在此過程中，收集各種相關的證據，利用科學的方法作出假設、解釋，尊重科學事實、敢于質疑，促進彼此思維的共享與交鋒，最終達成了可接受的結論。教師可采用如圖1所示的論證式教學模式進行這一節的教學。

2.1 體驗基因位于染色體上的假說

教師提出問題：當孟德爾的遺傳規律被重新發現以后，有一個問題始終沒有解決：基因在細胞中究竟有沒有物質基礎呢？孟德爾假設的顆粒狀遺傳因子究竟存在于細胞的什么部位呢？

圖2 “基因在染色體上”一節教學論證模式

接著，教師可引導學生畫出孟德爾兩對相對性狀的雜交實驗圖解，并闡述遺傳因子（后稱為基因）的傳遞規律；再讓學生回顧減數分裂的過程中同源染色體的行為。學生歸納基因與染色體有哪些共同的行為或規律，采用類比推理的方法，作出“基因和染色體的行為存在著平行關系”的假設。

教師協助學生尋找支持假設的證據：美國遺傳學家薩頓以蝗蟲細胞為研究材料，發現在減數分裂過程中染色體具有配對和分離的行為，1902年，他在《生物學報》發表論文闡述了蝗蟲的染色體形態，證實同源染色體一條來自父方，一條來自母方，在減數分裂時，同源染色體的行為與孟德爾提出的遺傳因子的行為有很多的相似性。1903年，他的論文《遺傳中的染色體》發表，他推測基因可能就在染色體上，染色體可能就是孟德爾遺傳定律的物質基礎。德國細胞學家鮑維里后來進一步整理了基因與染色體具有平行關系推測依據：①在體細胞中有兩組相同的染色體，一組來源于父方，一組來源于母方。同源染色體的成對存在和基因的成對存在是平行的。②染色體在細胞分裂的各個時期，保持其形態特點。基因也顯示同樣的連續性。③減數分裂時，同源染色體配對，然后每對的兩個成員分離，進入不同的生殖細胞，每對的分離和其他各對的分離是獨立的。配子形成前的某個時期，基因也獨立地分離。④每條或每對染色體在生活和發育中都有一定的作用，基因也是這樣。學生以此推測，繪制等位基因在染色體上，隨同源染色體分裂而分離的細胞圖（圖3）。

圖3 基因與染色體平行關系的圖解

2.2 分析基因位于染色體上的實驗證據

教師呈現資料，展示科學家質疑的過程：薩頓的推測，在理論上支持基因位于染色體上。但事實是否如此呢？摩爾根帶著疑問，積極尋找證據。1910年5月，在摩爾根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，摩爾根當時是愛護備至，努力使它與野生型紅眼雌果蠅交配而留下了后代。他發現，這只白眼雄果蠅與通常的紅眼雌果蠅交配，F1中雌雄果蠅均為紅眼，F2中雌果蠅全部為紅眼，雄果蠅有紅眼和白眼（圖4）。

圖4 摩爾根果蠅雜交實驗

教師利用摩爾根及其同事的果蠅雜交實驗過程圖，給學生創設問題情境：摩爾根等人將白眼雄果蠅與紅果蠅交配，F1雌雄果蠅均為紅眼，分析出紅眼對白眼為顯性性狀，但F2中紅眼果蠅與白眼果蠅比例接近于3∶1，這跟孟德爾的實驗比值有什么關聯呢？且雌果蠅全是紅眼，雄果蠅有紅眼和白眼，比例接近于1∶1，為什么白眼全部是雄果蠅呢？教師利用圖4，促進學生主動思考、提出問題，并引導學生作出三種假設：①白眼基因只位于X染色體上；②白眼基因既在X染色體上，也在Y染色體上；③白眼基因只位于Y染色體上。

判斷一種假設是否正確，僅能解釋已有的實驗結果是不夠的，還應該運用假說—演繹法，預測另外一些實驗結果。學生分析上述實驗，發現F1全部為紅眼，故很容易推出白眼基因不可能只位于Y染色體上，從而排出假設③。同時，根據孟德爾對F2基因型檢驗的方法，想到讓F1的紅眼雌果蠅與親代白眼雄果蠅交配，并分別就假設①和②兩種情況畫出相應的雜交圖解（圖5、圖6）。

圖5 假設白眼基因只在X染色體上

圖6 假設白眼基因在X染色體、Y染色體上

教師提供證據：摩爾根將第一個實驗中的子一代的紅眼雌蠅和最初的那只白眼雄蠅進行雜交（圖7）。果蠅的眼色遺傳符合孟德爾測交比，證明了紅眼雌蠅為雜合子。

圖7 摩爾根果蠅雜交實驗（二）

學生分析摩爾根實驗結果，與自己的兩種預測進行比較，發現仍然不能將假設①或者②排除，進一步推測：如果Y染色體上有相應的眼色基因，那么自然界紅眼雄果蠅與白眼雌果蠅交配，后代無論雌雄將均為紅眼；如果Y染色體上沒有相應的眼色基因，自然界紅眼雄果蠅與白眼雌果蠅交配，后代中雄果蠅應該都為白眼。于是，學生提出讓測交后代中的白眼雌果蠅與自然界紅眼雄果蠅交配，就假設①和②兩種情況畫出相應的雜交圖解（圖8、圖9）。

圖8 假設白眼基因只在X染色體上

圖9 假設白眼基因在X、Y染色體上

教師提供證據：摩爾根將第二個實驗雜交所得的白眼雌蠅與一個毫無親緣關系的純種紅眼雄蠅雜交（圖10），發現子一代中雌蠅全為紅眼，雄蠅全為白眼。此結果出乎意料。這種雌性親本的性狀傳遞給性子代，雄性親本的性狀傳遞給雌性子代的現象。

圖10 摩爾根果蠅雜交實驗（二）

教師引導學生分析摩爾根第三個實驗，學生看出結果與假設①相符，從而順利得出“控制白眼性狀的基因位于X染色體上，Y染色體上不帶有這個基因的等位基因”的結論。

3 論證式教學的反思

論證教學不僅關注實驗的結果和最后的主張，更加關注論證的質量和過程，對學生科學思維能力的發展起到了推動作用。論證式教學可以促進學生學以致用、學會歸納。在本節課上，學生從聯系已學的減數分裂和孟德爾遺傳定律相關的知識經驗開始，進行分析，運用類比推理的方法，提出可能的、合理的猜想。論證式教學可推助學生進行演繹推理，讓課堂成為充滿智慧的活動課堂，使學生在假設和預測、嘗試驗證假設的過程中不斷發現問題、尋找證據、作出評價以及相互修正，時刻進行著深度思考和探究。論證式教學還鼓勵學生勇于質疑，敢于批判，在嚴密的邏輯推理、充分的證據等基礎上不斷求證，培養他們的批判性思維。當然，論證式教學是否適用于高中生物學的所有教學內容，還有待進一步的探索和嘗試。