Scratch編程軟件助力生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)

魏波 曾利華

“孟德爾的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)”是人教版生物八年級(jí)教材的內(nèi)容。由于教學(xué)時(shí)間和條件的限制，學(xué)生往往在無實(shí)驗(yàn)過程體驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持的情況下，僅通過分析教材圖片，被動(dòng)接受基因的顯性和隱性的相關(guān)知識(shí)。為改進(jìn)教學(xué)，筆者用圖形化編程軟件Scratch3.0虛擬再現(xiàn)豌豆雜交實(shí)驗(yàn)的探究過程和結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證遺傳定律，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。

一、結(jié)合疑難問題，設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)探究路徑

學(xué)習(xí)本課，學(xué)生往往會(huì)產(chǎn)生一系列疑問：隱性性狀在什么情況下會(huì)表現(xiàn)出來？顯性性狀是否含有隱性基因？顯性性狀穩(wěn)定遺傳的概率是多少？怎樣借助雜交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，判斷性狀的顯性和隱性？

為解開這些疑惑，筆者這樣設(shè)計(jì)教學(xué)：先根據(jù)雜交實(shí)驗(yàn)中豌豆的某種相對(duì)性狀是否會(huì)“憑空消失”或“無中生有”地出現(xiàn)，抑或是雜交后代的性狀分離比例是否為3∶1，設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)程序，引導(dǎo)學(xué)生理解“只要出現(xiàn)上述現(xiàn)象中的任意一個(gè)（也可能同時(shí)滿足多個(gè)），就可以從宏觀上判定相對(duì)性狀的顯性和隱性”，再通過進(jìn)一步分析，理解“性狀相同其基因組成不一定相同，同一性狀可以有多種基因組合形式”，進(jìn)而得出顯性基因和隱性基因在親子間傳遞的過程中所表現(xiàn)的性狀變化規(guī)律。

為輔助學(xué)生學(xué)習(xí)，筆者對(duì)上述三種判定方式逐一進(jìn)行編程，將編譯的可執(zhí)行文件推送給學(xué)生，讓學(xué)生用平板電腦運(yùn)行程序，動(dòng)態(tài)演示實(shí)驗(yàn)過程，并依據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出與孟德爾實(shí)驗(yàn)一致的結(jié)論。

二、借助編程演示，分析相對(duì)性狀的顯性和隱性

1.“憑空消失”的性狀是隱性性狀

課前，筆者選取圓粒和皺粒的豌豆種子作為親本，啟動(dòng)Scratch3.0軟件，設(shè)計(jì)用“豌豆射手”投射豌豆的指令，對(duì)角色“鉛筆”進(jìn)行編程，以連線等方式繪制親代與子一代的性狀和基因圖譜（如圖1）。

課堂上，學(xué)生用平板電腦打開可執(zhí)行文件，按下數(shù)字鍵“1”，可看到“豌豆射手”投射親代和子代豌豆的過程，并發(fā)現(xiàn)圓粒和皺粒的親代雜交的子一代全為圓粒。隨后，筆者引導(dǎo)學(xué)生思考如下問題：子一代中為什么沒有皺粒？皺粒的性狀消失后，控制皺粒性狀的基因是否也一同消失了？子一代的圓粒與親代的圓粒基因組成相同嗎？帶著這些疑問，學(xué)生按下數(shù)字鍵“2”，電腦顯示圓粒和皺粒親代的基因組成都是純合子（分別用“AA”和“aa”表示）。學(xué)生聯(lián)系有性生殖相關(guān)知識(shí)，明確形成受精卵的過程中，子代的基因組成只有一種，即雜合子“Aa”。筆者讓學(xué)生按下數(shù)字鍵“3”，程序加速運(yùn)行，模擬多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示：子一代都是圓粒且基因組成都是“Aa”。學(xué)生在導(dǎo)學(xué)案上記錄模擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并總結(jié)：親代性狀不同而子代性狀相同，消失的一種性狀是隱性性狀。

2.“無中生有”的性狀是隱性性狀

筆者課前選取圓粒的豌豆種子作為親本，對(duì)角色“鉛筆”進(jìn)行編程，得出如圖2所示的基因圖譜。

同樣地，學(xué)生按下數(shù)字鍵“1”運(yùn)行程序，發(fā)現(xiàn)親代都是圓粒，子一代卻出現(xiàn)了皺粒。由此，學(xué)生產(chǎn)生很多疑問：子一代的皺粒性狀是如何顯現(xiàn)的？子一代出現(xiàn)皺粒的概率有多大？子一代中的圓粒基因組成相同嗎？筆者讓學(xué)生按下數(shù)字鍵“2”，電腦顯示親代的圓粒豌豆都是雜合子“Aa”。學(xué)生進(jìn)一步討論發(fā)現(xiàn)，子一代的基因組合有“AA、Aa、aa”三種，但性狀只有圓粒和皺粒兩種。至此，學(xué)生從基因?qū)用嫘纬闪恕半[性性狀要得以顯現(xiàn)，其基因組成必須是aa”的關(guān)鍵認(rèn)知。程序運(yùn)行過程中，有少數(shù)學(xué)生的屏幕上沒有出現(xiàn)隱性性狀，筆者就此引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)探究。學(xué)生按下數(shù)字鍵“3”，程序加速運(yùn)行，最終呈現(xiàn)出與圖2一致的結(jié)果。經(jīng)過筆者點(diǎn)撥，學(xué)生認(rèn)識(shí)到豌豆種子數(shù)量少，實(shí)驗(yàn)具有偶然性，實(shí)驗(yàn)次數(shù)少，其結(jié)果會(huì)產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)學(xué)誤差。最后，學(xué)生記錄“豌豆父本和母本均為圓粒，子一代中有圓粒和皺粒，則圓粒為顯性性狀，皺粒為隱性性狀”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并自主歸納出“親代性狀相同而子代性狀不同，與親代相同的性狀是顯性性狀，‘憑空出現(xiàn)的另一個(gè)性狀是隱性性狀”的結(jié)論。

3.根據(jù)性狀分離比判斷基因性狀

前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都指向豌豆的單一性狀。雙性狀的豌豆雜交后，子代的性狀表現(xiàn)如何呢？筆者課前選取純種黃色圓粒和綠色皺粒的豌豆作為親本，對(duì)“豌豆射手”和各種性狀的子一代豌豆逐一進(jìn)行編程，達(dá)到如下效果：①按下數(shù)字鍵“1”，“豌豆射手”快速連續(xù)投射的諸多子一代豌豆全為黃色圓粒；②按下數(shù)字鍵“2”，對(duì)“豌豆射手”投射的各種性狀的子二代豌豆進(jìn)行計(jì)數(shù)（時(shí)間越長(zhǎng)，投射速度越快，投射的數(shù)量越多）；③按下數(shù)字鍵“0”，結(jié)束投射，統(tǒng)計(jì)各種性狀的子二代豌豆數(shù)量之比。

學(xué)生在平板電腦上運(yùn)行程序，得到如圖3（簡(jiǎn)化性狀標(biāo)記，如“黃圓”表示“黃色圓粒”）所示的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

筆者讓學(xué)生用表格整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并小組討論數(shù)字呈現(xiàn)的規(guī)律。學(xué)生發(fā)現(xiàn)下表中各種性狀子粒數(shù)的比大致為9∶3∶3∶1。

隨后，一名小組代表匯報(bào)：黃色圓粒：綠色圓粒=3∶1，則黃色圓粒為顯性性狀、綠色圓粒為隱性性狀；黃色圓粒：黃色皺粒=3∶1，則黃色圓粒為顯性性狀、黃色皺粒為隱性性狀；綠色圓粒：綠色皺粒=3∶1，則綠色圓粒為顯性性狀、綠色皺粒為隱性性狀；黃色皺粒：綠色皺粒=3∶1，則黃色皺粒為顯性性狀、綠色皺粒為隱性性狀。另一名小組代表總結(jié)：親代性狀相同，子代性狀分離且分離比是3∶1，則占3份的是顯性性狀，占1份的是隱性性狀。

以上教學(xué)，學(xué)生通過模擬不同種子形狀、種皮顏色的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)，深入理解了判斷基因的顯性和隱性的方法。后續(xù)，學(xué)生討論得出：豌豆的其他性狀表現(xiàn)也可以通過“無中生有”“憑空消失”“子代性狀分離比為3∶1”，確定其基因的顯性和隱性。

三、聯(lián)系實(shí)際拓展，深化理解生物遺傳規(guī)律

拓展環(huán)節(jié)，筆者設(shè)置作業(yè)，讓學(xué)生結(jié)合“南橘北枳”現(xiàn)象，討論“生物的性狀是否只受基因控制，環(huán)境因素對(duì)生物的性狀是否有影響”。經(jīng)過互評(píng)和師評(píng)，優(yōu)秀作業(yè)“生物的性狀由基因控制，也受環(huán)境影響。‘橘生淮南為橘，橘生淮北為枳是由兩地的氣候差異所決定的。如果把淮南的橘子樹移栽到淮北，所結(jié)果實(shí)為枳；如果把淮南橘子樹的枝條嫁接到淮北的枳樹上，并且受枳樹的花粉，所結(jié)果實(shí)也是枳，且果皮和種子胚的基因組成相同。這一實(shí)例證明，性狀改變可以由環(huán)境變化引起，但其遺傳基因并沒有改變，也不會(huì)遺傳給子一代”被發(fā)布到班級(jí)中群展示。

（作者單位：魏波，天門市萬林實(shí)驗(yàn)小學(xué)；曾利華，天門市天宜學(xué)校）