例談高中生物學(xué)模擬實驗中的探究性學(xué)習(xí)

張紅敏

[摘 要]文章以“性狀分離比的模擬實驗”為例，闡述如何在模擬實驗中選擇切入點、設(shè)置問題以及進行實驗創(chuàng)新，實現(xiàn)學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)，以期為實驗教學(xué)中如何有效落實“科學(xué)探究”核心素養(yǎng)培養(yǎng)提供參考。

[關(guān)鍵詞]高中生物學(xué);模擬實驗; 探究性學(xué)習(xí);探究切入;問題設(shè)置;實驗創(chuàng)新

[中圖分類號]? ? G633.91? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）35-0094-03

《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》明確提出，高中生物學(xué)課程的核心任務(wù)是在義務(wù)教育的基礎(chǔ)上進一步提高學(xué)生的生物學(xué)素養(yǎng)，將“倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)”作為課程理念，建議教師運用以探究為核心的多樣化教學(xué)方式，推進學(xué)生在動手和動腦的過程中全面實現(xiàn)課程目標(biāo)[1]。當(dāng)今，“科學(xué)探究”已作為生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，在生物學(xué)教學(xué)中占據(jù)核心地位。生物學(xué)是一門實驗性學(xué)科，所以探究性實驗教學(xué)應(yīng)成為高中生物學(xué)課堂教學(xué)的主要方式。本文嘗試以“性狀分離比的模擬實驗”為例，以“在體驗子二代性狀分離的基礎(chǔ)上，改變雌雄配子比例”為切入點，通過設(shè)置合理的問題，層層深入地激發(fā)學(xué)生的思維，引導(dǎo)學(xué)生進行實驗創(chuàng)新，打開學(xué)生的思維，以達(dá)到探究性學(xué)習(xí)的目的，進而完成探究性實驗教學(xué)，將“科學(xué)探究”核心素養(yǎng)落到實處。

一、探究切入

根據(jù)不同實驗的特點，選擇合適的切入點是探究性實驗教學(xué)順利進行的基本前提。因為豌豆種植周期長，不適合學(xué)生實際做實驗，所以教材設(shè)置了“性狀分離比的模擬實驗”，此實驗屬于驗證性實驗。如果學(xué)生僅僅通過模擬操作，體驗孟德爾的假說，驗證F1自交產(chǎn)生的F2會出現(xiàn)性狀分離，且比例接近3∶1，顯然不能達(dá)到探究性學(xué)習(xí)的目的。因此，尋找一個合適的切入點，引導(dǎo)學(xué)生進行探究性學(xué)習(xí)成為本節(jié)課教學(xué)設(shè)計的關(guān)鍵。那么，如何才能找到一個合適的切入點呢？可以嘗試以下的實驗分析。

1.模擬實驗，體驗假說

（1）在甲、乙兩個小桶中放入兩種彩球各10個。

（2）搖動兩個小桶，使小桶內(nèi)的兩種彩球充分混合。

（3）分別從兩個桶內(nèi)隨機抓取一個彩球，組合在一起，記下兩個彩球的字母組合。

（4）將抓取的彩球放回原來的小桶內(nèi)，搖動，按步驟（3）重復(fù)做50次。

2.思考實驗步驟中的關(guān)鍵詞

（1）兩個小桶中兩種彩球各10個;

（2）充分混合;

（3）隨機抓取;

（4）放回、重復(fù)。

3.從關(guān)鍵詞中尋找合適的切入點

上述關(guān)鍵詞強調(diào)了模擬實驗要注意的兩個方面：（1）兩種雌配子、兩種雄配子比例要分別相同;（2）抓取過程要做到隨機。學(xué)生不太容易理解第一個方面，那么就從第一個方面入手，科學(xué)設(shè)置問題，激活學(xué)生的思維，繼而實現(xiàn)探究性學(xué)習(xí)。

二、問題設(shè)置

探究性學(xué)習(xí)的本質(zhì)是學(xué)生不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題[2]。探究性實驗教學(xué)同樣離不開合理的問題設(shè)置。下面繼續(xù)以“性狀分離比的模擬實驗”為例，說明如何設(shè)置問題才能達(dá)到探究性學(xué)習(xí)的目的。

1.必備的已有知識是問題設(shè)置的前提

學(xué)生要回答教師提出的問題，必須先掌握相關(guān)的知識。在“性狀分離比的模擬實驗”中，是否掌握模擬實驗裝置和模擬實驗操作過程所代表的含義是學(xué)生能否進一步思考回答后續(xù)問題的關(guān)鍵，所以學(xué)生應(yīng)首先明確以下幾點。

（1）甲、乙兩個小桶分別代表雌、雄生殖器官或雌、雄配子庫。

（2）甲、乙兩個小桶內(nèi)的彩球分別代表雌、雄配子。

（3）不同彩球的隨機組合，模擬生物在生殖過程中雌雄配子的隨機結(jié)合。

2.問題設(shè)置要緊扣主題且層層遞進

在該實驗中，教師的教學(xué)目的是讓學(xué)生圍繞“兩種雌配子、兩種雄配子比例要分別相同”展開思考，教師可以圍繞這一主題設(shè)計兩個大問題，如果學(xué)生不能直接回答大問題，應(yīng)將大問題拆分成若干具有內(nèi)在邏輯關(guān)系的小問題。

（1 ）測交實驗的原理

問題1：若兩種雌配子和兩種雄配子的比例都不是1∶1，結(jié)果會怎樣？

（學(xué)生不能直接回答，這時把桶內(nèi)的彩球拿出一部分，把兩種雌配子、兩種雄配子比例都改為2∶1，讓學(xué)生繼續(xù)模擬操作，看一下具體結(jié)果，如圖1和圖2。）

[學(xué)生寫出兩次模擬實驗的遺傳圖解（如圖3），分析得出結(jié)論：親代產(chǎn)生配子的種類和比例決定子代的性狀及比例。]

問題2：根據(jù)上述結(jié)論，為什么測交后代可以反映F1產(chǎn)生的配子種類和比例？（學(xué)生很容易理解，他們認(rèn)為既然親代決定子代，那么子代也可以反映親代。）

（2）出現(xiàn)性狀分離比3∶1需要滿足的條件

問題1：既然子代能反映親代，F(xiàn)1自交得到的F2出現(xiàn)了性狀分離，就說明決定性狀的基因出現(xiàn)了分離，性狀分離比3∶1也可以反映F1產(chǎn)生了兩種雌配子、兩種雄配子，比例皆為1∶1。也就是說3∶1能反映基因的分離定律，那么基因分離了是否就一定能出現(xiàn)3∶1呢？（學(xué)生一時回答不上來）

問題2：F1在產(chǎn)生配子時含有d的雄配子成活率只有50%，那么F2能否出現(xiàn)性狀分離比3∶1？（根據(jù)模擬實驗結(jié)果，學(xué)生直接回答“不能”。）

問題3：那么F2出現(xiàn)3∶1要滿足哪些條件呢？（學(xué)生能想到一部分，但不知道從哪些方面去思考，教師提示學(xué)生從F1到F2的每一步去分析）

問題4：F1在產(chǎn)生配子時，D和d要不要分離？（學(xué)生回答“要”;理解基因分離出現(xiàn)性狀分離比3∶1要滿足的首要條件。）

問題5：雌配子D和d，雄配子D和d的成活率要不要相同？（學(xué)生回答“要”;理解不能有配子致死。）

問題6：雌雄配子要不要隨機結(jié)合？（學(xué)生回答“要”，并進一步理解抓取過程為什么要做到隨機。）

問題7：結(jié)合以后的合子成活率要不要相同？（學(xué)生回答“要”;理解不能存在合子致死。）

問題8：D對d要不要完全顯性？（學(xué)生回答“要”）

問題9：基因型要不要完全決定表現(xiàn)型？（學(xué)生回答“要”）

問題10：F2的數(shù)量要不要足夠多？（學(xué)生回答“要”;理解抓取要有一定的次數(shù)，即樣本數(shù)量越大，數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差的概率就越小。）

至此，學(xué)生深刻理解了基因的分離和性狀分離比3∶1的關(guān)系：控制一對相對性狀的等位基因自交產(chǎn)生子代，出現(xiàn)性狀分離比3∶1可以反映基因分離，但基因分離不一定會出現(xiàn)性狀分離比3∶1。

三、實驗創(chuàng)新

學(xué)生在學(xué)習(xí)“孟德爾的豌豆雜交實驗（二）”時，容易混淆“基因的自由組合”和“配子的隨機結(jié)合”，為了讓學(xué)生辨明概念，教師可對“性狀分離比的模擬實驗”進行拓展創(chuàng)新，進一步模擬“基因的自由組合”，因為有了“性狀分離比的模擬實驗”做基礎(chǔ)，“基因的自由組合模擬實驗”可以交給學(xué)生去自主探究。

“基因的自由組合模擬實驗”，難點不在實驗操作上，而是在實驗裝置的選擇上。學(xué)生前后設(shè)計了兩種方案。方案一：取4個相同的小桶編號為甲、乙、丙、丁;每個桶內(nèi)放入20個大小相同的彩球（10個藍(lán)色球和10個黃色球）。甲和乙桶內(nèi)，10個藍(lán)色球標(biāo)記Y，代表決定黃色的基因，10個黃色球標(biāo)記y，代表決定綠色的基因;丙和丁桶內(nèi)，10個藍(lán)色球標(biāo)記R，代表決定圓形的基因，10個黃色球標(biāo)記r，代表決定皺形的基因;甲桶和丙桶組合在一起，代表雌配子庫，乙桶和丁桶組合在一起，代表雄配子庫。（如圖4）

方案二：取2個相同的小桶，編號為甲、乙，甲、乙桶內(nèi)各放入兩種顏色的彩球，2大2小共4個，用藍(lán)球和黃球（大球）代表決定粒色的Y和y基因，用藍(lán)球和黃球（小球）代表決定粒形的R和r基因，甲代表雌配子庫，乙代表雄配子庫。（如圖5）

在以方案一開展模擬實驗操作時，要從甲桶、丙桶隨機各取一個彩球，代表自由組合的一個雌配子，從乙桶、丁桶隨機各取一個彩球，代表自由組合的一個雄配子，然后把甲和丙、乙和丁四個桶內(nèi)取出來的彩球組合在一起，代表雌雄配子隨機結(jié)合。此操作過程煩瑣，每一步操作代表的含義也容易使學(xué)生混淆，于是學(xué)生舍棄了方案一，選擇了方案二。利用方案二的裝置進行模擬實驗，只需要從甲桶內(nèi)隨機取一大一小兩個彩球，即可代表自由組合的雌配子，再從乙桶內(nèi)隨機取一大一小兩個彩球，就能代表自由組合的雄配子，然后兩個桶內(nèi)抓取的彩球組合在一起，代表雌雄配子隨機結(jié)合。學(xué)生在模擬操作中體驗到只要模擬產(chǎn)生四種雌配子或者四種雄配子及其比例，就能區(qū)分“基因的自由組合”和“配子的隨機結(jié)合”。學(xué)生最后又把模擬實驗裝置精簡到只保留了方案二中的一個小桶。（如圖6甲或乙）

通過對“基因的自由組合”實驗裝置的優(yōu)化，學(xué)生進一步體會到模擬實驗是科學(xué)研究的一種方法，加深了對概念的理解，突破了學(xué)習(xí)難點，同時培養(yǎng)了探究能力、創(chuàng)新能力和合作學(xué)習(xí)能力。

探究性學(xué)習(xí)沒有固定的模式。在教學(xué)實踐中，動手、動腦相結(jié)合，通過問題解決促進生物學(xué)概念形成是課堂探究性學(xué)習(xí)的關(guān)鍵[3]。教師要不嫌麻煩，盡量讓學(xué)生有動手實驗的機會，對于不具有探究性的實驗，教師要尋找合適的切入點，并輔以精心設(shè)計的問題，引導(dǎo)學(xué)生動腦，引發(fā)學(xué)生深度思考，有效進行探究性學(xué)習(xí)。教師應(yīng)鼓勵學(xué)生對實驗進行拓展、改進、創(chuàng)新，讓學(xué)生親歷創(chuàng)新設(shè)計過程。這種通過實驗與思維緊密結(jié)合的創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計，將學(xué)習(xí)的舞臺和主動權(quán)在教師控制有度的情況下最大限度地交給學(xué)生，極大地激發(fā)了學(xué)生的探究熱情和創(chuàng)造力。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 劉恩山.《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》的設(shè)計思路和主要特點[J].生物學(xué)通報，2003（5）：28-30.

[2]? 張穎.淺談生物學(xué)探究性實驗教學(xué)的兩個重要因素[J].中學(xué)生物教學(xué)，2017（4）：56-57.

[3]? 劉恩山，曹保義.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2017：49.

（責(zé)任編輯 黃春香）