基于科學思維能力培養的“伴性遺傳”概念教學

翁希凝

[摘要] 科學思維是生物學學科核心素養的組成部分，作為學生在生物學課程中重要的、終身受益的學習成果。本文通過設計“伴性遺傳”概念教學，訓練學生運用“假說—演繹”法推理實驗現象，讓學生主動參與科學推理過程，培養學生的科學思維能力。

[關鍵詞] “假說—演繹”法;科學思維;伴性遺傳

一、科學思維能力的內容

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》中將科學思維與生命觀念、科學探究和社會責任一同列為高中生物學四大核心素養?？茖W思維是生物學學科核心素養的組成部分，作為學生在生物學課程中重要的、終身受益的學習成果。因此，教師在教授知識的同時應加強對學生科學思維的訓練，適時創設教學情境，引導學生思考，培養學生的科學思維能力。

高中生在生物學課程和其他的學習活動中，應培養的科學思維能力主要包括歸納與概括、演繹與推理、模型與建模，以及批判性思維能力等。其中，“演繹與推理”是指從一般性的前提出發，通過推導，得出具體陳述或個別結論的過程。在生物學學習過程中，演繹與推理思維要求學生能運用已知的生物學規律，預測或探討相關生命現象的機制。下面，筆者以構建“伴性遺傳”概念為例，簡要介紹如何通過“假說—演繹”法訓練，培養高中生演繹與推理的科學思維能力。

二、通過“伴性遺傳”概念教學培養學生的科學思維能力

1.學情背景

筆者在教學實踐中發現，雖然學生在學習基因分離定律的內容時，已經對“假說—演繹”法有所認識，但由于當時學生是初次接觸這種科學思維方法，加之高中生的認知能力有限，所以，在學習這一部分內容時，很少有學生能夠真正像孟德爾那樣，運用“假說—演繹”法對性狀分離現象做出合理的解釋并加以科學驗證。正因為還沒有真正掌握“假說—演繹”法，所以很多學生不理解孟德爾在成功解釋了性狀分離現象（假說）之后，為什么還要設計測交實驗，預測實驗結果（演繹），并進行實驗驗證。

2.展示果蠅雜交實驗，激發學生興趣

教師展示摩爾根的果蠅眼色雜交實驗（如圖1），引導學生觀察并思考可以得出什么結論。有了基因分離定律的基礎，學生可以總結出果蠅的紅眼和白眼是一對相對性狀，紅眼對白眼為顯性，由一對等位基因控制，符合基因分離定律。

3.引起認知沖突

教師進一步引導學生觀察并思考：果蠅眼色雜交實驗F2中紅眼與白眼的性狀分離比也是3：1，但與孟德爾所做的一對相對性狀的雜交實驗結果有何不同？學生發現F2只有雄蠅出現白眼，即眼色性狀的遺傳與性別有關，但是，此時學生還不可能立即把控制眼色的基因與性染色體聯系起來。所以，接下來教師著力要解決的就是讓學生沿著當年摩爾根的思路，自己運用“假說—演繹”法，嘗試分析果蠅眼色雜交實驗，培養演繹與推理的科學思維能力。

4.“假說—演繹”法推理果蠅眼色雜交實驗

教師展示雌雄果蠅的性染色體組成以及X和Y染色體的結構對比示意圖（圖略），使學生認識到基因可以位于X染色體的非同源區段（以下稱為Ⅰ區段，即Y染色體上沒有對應的等位基因），也可以位于Y染色體的非同源區段（以下稱為Ⅲ區段，即X染色體上沒有對應的等位基因），還可以位于X和Y染色體的同源區段（以下稱為Ⅱ區段，即X和Y染色體上有對應的等位基因）。教師引導學生思考：控制果蠅眼色的基因應該位于常染色體上還是性染色體上？（由于眼色性狀的遺傳與性別有關，學生很容易想到控制果蠅眼色的基因應該位于性染色體上）控制果蠅眼色的基因應該位于Ⅰ區段、Ⅱ區段還是Ⅲ區段？（如果控制紅眼與白眼這一相對性狀的基因位于Y染色體上的Ⅲ區段，雌蠅是沒有Y染色體的，也就不應該出現紅眼，這與事實不符，因此學生很快否定了控制果蠅眼色的基因位于Ⅲ區段）

接下來，教師讓學生自己嘗試運用“假說—演繹”法，推理控制果蠅眼色的基因究竟位于Ⅰ區段還是Ⅱ區段。實際教學中，如果大多數學生認為基因位于Ⅰ區段，教師可讓學生先推理此種假說是否合理，再推理“基因位于Ⅱ區段”的假說是否合理;如果認為基因位于Ⅰ區段和基因位于Ⅱ區段的學生人數差不多，教師可讓持不同假說的學生分組同時進行推理，這樣更具競爭性并且節約時間。

假設控制果蠅眼色的基因只位于X染色體的非同源區段（Ⅰ區段），教師引導學生借鑒孟德爾解釋性狀分離現象的思維方法，依據自己的假說，嘗試用遺傳圖解推理果蠅眼色雜交實驗。學生通過遺傳圖解推理后發現，基因位于Ⅰ區段可以解釋上述實驗現象（如圖2）。教師幫助學生回憶，孟德爾為了驗證對性狀分離現象的解釋是否正確，還設計了測交實驗，接著組織學生討論應該如何設計測交實驗（演繹）。學生討論后認為，只有選用F1的紅眼雌蠅與親本的白眼雄蠅雜交才符合測交要求。教師讓學生繼續通過遺傳圖解推理測交實驗（如圖3），并展示當年摩爾根的測交實驗結果，學生發現自己的假說經過演繹得到的測交實驗預期結果與實際結果一致。

假設控制果蠅眼色的基因位于X和Y染色體的同源區段（Ⅱ區段），提出該假說的學生也嘗試用遺傳圖解推理果蠅眼色雜交實驗。學生發現，基因位于Ⅱ區段同樣可以解釋上述實驗現象（如圖4），而且依據此假說選用F1紅眼雌蠅與親本白眼雄蠅演繹得到的測交實驗預期結果，依然與當年摩爾根的測交實驗實際結果一致（如圖5）。

5.補充反交實驗，揭示本質規律

通過上述演繹與推理，學生發現兩種假說都能解釋果蠅眼色雜交實驗。那么，究竟哪一種假說是正確的呢？教師啟發學生：孟德爾做豌豆雜交實驗時，分別進行了正交和反交實驗，由此組織學生討論：如果把親本野生型紅眼雌蠅與白眼雄蠅的雜交看作正交，反交應該選用何種果蠅進行雜交？（學生不難想到應該選用野生型紅眼雄蠅與白眼雌蠅雜交）與紅眼雄蠅雜交的白眼雌蠅從何而來？（學生經過之前的演繹，發現F1紅眼雌蠅與親本白眼雄蠅的測交后代中有白眼雌蠅）

解決上述問題后，學生通過遺傳圖解進一步演繹與推理，控制果蠅眼色的基因分別位于Ⅰ區段和Ⅱ區段時，用野生型紅眼雄蠅（看作純合子）與白眼雌蠅雜交的預期結果（如圖6和圖7所示）。學生發現依據兩種假說，演繹得到的反交實驗預期結果不同，而教師展示的當年摩爾根所做的反交實驗結果與圖6所示的相符，至此終于證明，控制果蠅眼色的基因位于X染色體的非同源區段（Ⅰ區段）。

在完成上述“假說—演繹”的基礎上，學生自主構建“伴性遺傳”的概念已然水到渠成：像果蠅眼色遺傳這樣，基因位于性染色體上，其決定的性狀在遺傳上總是和性別相關聯，這種現象叫作伴性遺傳。

科學不僅僅是對科學概念的記憶和應用，傳統課堂教學中學生記憶的科學知識很容易被遺忘，而參與科學推理的過程會讓學生的科學思維得到發展，同時促進對科學知識的理解。概念教學過程中，科學思維方法的訓練和科學思維能力的培養是相輔相成、有機融合的。筆者設計的“伴性遺傳”概念教學，以學生已有的認知為基礎，設計學生的科學思維過程，在科學思維過程中滲透科學思維方法訓練，鼓勵學生大膽運用“假說—演繹”法解決問題，并通過遺傳圖解對實驗現象進行演繹與推理。實際教學中學生表現出極大的參與熱情和探究興趣，積極思考、熱烈討論。整個教學過程中，科學思維方法的訓練自然流暢、代入感強，使學生對“假說—演繹”法的理解得以升華，有效培養了學生演繹與推理的科學思維能力。