“性狀分離比的模擬實驗”改進和拓展

摘 要：本文通過分析教材中“性狀分離比的模擬實驗”存在的不足，對該實驗的實驗裝置、實驗分工和流程、實驗數(shù)據(jù)處理、實驗拓展延伸四個方面進行改進，挖掘本實驗存在的創(chuàng)新點和育人價值，促進實驗的高效開展，旨在培養(yǎng)學生的科學思維和科學探究能力。

關鍵詞：性狀分離比；模擬實驗；實驗改進；實驗拓展

文章編號：1003-7586（2024）09-0057-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

“性狀分離比的模擬實驗”是人教版普通高中教科書《生物學·必修2·遺傳與進化》（以下簡稱“教材”）第1章第1節(jié)“孟德爾的豌豆雜交實驗（一）”的內容，是在學生學習了孟德爾雜交實驗中的性狀分離現(xiàn)象后開展的模擬實驗，也是本專題的第一個實驗。本實驗中，學生對孟德爾假說進行具體的間接體驗，通過實踐活動，將抽象、微觀的遺傳因子分離、配子隨機結合與遺傳結果的關系直觀、清晰地呈現(xiàn)出來，幫助自身深刻理解基因分離定律的實質，同時為學習基因的自由組合定律打下基礎。

模擬實驗是用相應的模擬裝置，并在人為控制研究對象的條件下進行觀察，利用相似性原理模仿實際實驗的某些條件而進行的實驗。在模擬實驗中，實際存在的研究對象為“原型”，代替“原型”的相應模擬裝置為“模型”。 ［1］模擬實驗教學需要教師合理篩選出與“原型”具有高相似度的“模型”，并從中挖掘其育人價值，這在實際教學過程中具有一定實施難度。

教材中本模擬實驗的實驗原理為：兩個小桶分別代表雌、雄生殖系統(tǒng)，桶內彩球分別代表雌、雄配子；實驗者分別從兩個小桶中隨機抓取一個彩球模擬分離定律，不同彩球的隨機結合模擬受精作用過程中雌雄配子的隨機結合。

教材中本實驗的設計存在以下不足：①實驗材料方面，本實驗所用的模擬材料為小桶和彩球，采購整個班級所需的小桶和彩球成本較高，材料不適用于教材其他實驗，不具備重復使用性；小桶、彩球體積大，需占用較大的實驗室儲存空間；②科學知識存在誤區(qū)，教材中未對雌雄配子數(shù)量和大小做區(qū)分，學生容易形成雌雄配子數(shù)量相等、大小一致等錯誤認知；③難以保證實驗結果的隨機性，本實驗裝置開放，實驗者能直接從小桶上方看到小桶里面的球，抓球時易受實驗者主觀性影響；④數(shù)據(jù)的收集、處理耗時長，容易出現(xiàn)誤差；⑤數(shù)據(jù)的分析過程容易在教學中被忽略。 ［2］

針對教材中實驗設計的以上不足，本文主要從實驗裝置、實驗分工和流程、實驗數(shù)據(jù)處理、實驗拓展延伸四個方面對實驗進行改進和拓展，以便提高該實驗的教學效果，同時培養(yǎng)學生的科學思維和科學探究能力。

1 優(yōu)化實驗裝置

首先，筆者引導學生分析教材實驗，對實驗裝置進行優(yōu)化。圖1是學生小組合作設計改進并組裝的模擬實驗裝置：①將小桶和彩球改為其他易獲取的生活材料；②將雌雄配子的模擬材料在數(shù)量和大小上做區(qū)分；③將開放性裝置改為封閉性裝置，保證實驗結果的隨機性。

各小組將生活廢料用于組裝本實驗裝置，促進學生環(huán)保意識的形成，培養(yǎng)了學生的社會責任。改進后模擬雌雄生殖系統(tǒng)的材料為：一次性紙杯、塑料罐、飲料瓶、圍棋盒、搖獎箱、收納箱、扭扭蛋、玩具勺、玩具鍋。改進后模擬雌雄配子的材料有：小彩珠、跳棋棋子、軟彈球、圍棋子、積木、骰子、小紙條、硬幣、撲克牌等。

其中撲克牌、骰子、硬幣、抽獎箱的設計，都來源于日常生活中常見的概率游戲。骰子組用四個扭扭蛋分別裝上四個骰子進行模擬，每兩個扭扭蛋作為一組模擬裝置，一次搖動四個扭扭蛋，相當于進行兩次重復實驗，縮減了實驗時間。搖獎箱組的“生殖系統(tǒng)”裝上電池，實現(xiàn)“配子”的自由組合，搖獎箱的搖動過程中會有“配子”隨機從軌道中滑出，具有自動化程度高、操作便捷的優(yōu)點，而且極大保證了實驗結果的隨機性。

在實驗開始前，教師可以請各小組代表展示并介紹本組實驗裝置的設計、改裝思路，并利用如表1所示的實驗裝置評分量表進行小組之間的互評，主要從實驗裝置的科學性、隨機性、重復性、美觀實用性、成本五個方面進行評價。

2 優(yōu)化實驗分工和流程

教材中建議兩人一組開展本實驗，為了避免出現(xiàn)忘記放回彩球或者放錯小桶等人為誤差，從而使最終實驗數(shù)據(jù)更準確，在人員安排上，本文將其優(yōu)化為四人一組，小組各成員間分工合作如下：學生A和學生B為抓球員，學生C為記錄員，學生D為監(jiān)督員。抓取十次“配子”后，小組成員間輪換一次角色，每組重復抓取彩球三十次以上。

3 優(yōu)化數(shù)據(jù)處理

為了強化學生對實驗數(shù)據(jù)的處理和分析能力，提高實驗效率和教學效果，本文優(yōu)化了數(shù)據(jù)匯總和處理方法，利用計算機在電子表格內進行數(shù)據(jù)的匯總和處理。

3.1 記錄數(shù)據(jù)

在預習環(huán)節(jié)，課堂上教師布置設計實驗數(shù)據(jù)記錄表的任務，課堂上教師收集各小組完成的數(shù)據(jù)記錄表，進行師生點評與探討，最終完善得出正式實驗時使用的規(guī)范表格（見表2）。小組開展實驗的過程中，使用實驗數(shù)據(jù)記錄表如實記錄本組每一次實驗的數(shù)據(jù)。

3.2 匯總數(shù)據(jù)

教師提前設計了實驗數(shù)據(jù)匯總表（見表3），并在表格中“全班匯總”一欄設置求和公式，在“性狀分離比”一列設置比例公式，所有小組可同時在線編輯同一個匯總表，教師在數(shù)字屏幕同步更新顯示數(shù)據(jù)。借助信息化技術，教師通過表格共享功能來匯總數(shù)據(jù)，極大地縮短了教師匯總全班數(shù)據(jù)的時間，提高了實驗效率，保證了本實驗能在規(guī)定課時內順利完成。

3.3 處理、分析數(shù)據(jù)

在數(shù)據(jù)處理時，教師采用電子表格自動生成折線圖的功能，根據(jù)匯總表中“組號”“性狀分離比”“理論分離比”三列單元格數(shù)據(jù)，生成性狀分離比折線圖（見圖2）。各小組數(shù)據(jù)匯總后在折線圖中對比鮮明，一目了然。

對于實驗結果與理論性狀分離比偏差較大的實驗小組，教師應引導該小組成員從實驗裝置和實驗步驟等方面進行誤差分析，進一步強化學生對實驗數(shù)據(jù)的處理和分析能力。教師通過以上教學活動來引導學生形成尊重事實和證據(jù)的意識，樹立崇尚嚴謹和務實的科學精神與求知態(tài)度，掌握減小實驗誤差的統(tǒng)計學方法。

為進一步研究樣本大小對實驗結果的影響，教師可在實物實驗的基礎上結合計算機開展虛擬實驗，并對實驗中出現(xiàn)的問題及實驗數(shù)據(jù)進行分析與討論。此外，教師也可將教材中豌豆七對相對性狀的雜交實驗結果，按樣本量由小到大重新排序后展示給學生（見表4）。由此學生可以得到結論：隨著樣本量增大，實際性狀分離比會更加接近理論性狀分離比。從而進一步明確實驗結果的統(tǒng)計誤差和孟德爾假說的可驗證性。

4 實驗拓展延伸

教師以課后作業(yè)的形式，讓學生繪制實驗裝置示意圖，將本實驗裝置應用于模擬其他實驗，引導學生對本實驗進一步拓展延伸，探究一器多用的優(yōu)化策略，建立多個研究模型。筆者根據(jù)學生提交的作業(yè)可以看出：有的學生將本實驗裝置用來模擬一對相對性狀的測交實驗；有的學生將裝置用來模擬男女性別比例。在學完兩對相對性狀的雜交實驗后，又有學生提交新的裝置示意圖，學生將本實驗裝置改裝后，用來模擬兩對相對性狀的雜交和測交實驗。

本實驗優(yōu)化了數(shù)據(jù)統(tǒng)計、處理方法，極大地縮短了實驗時間；強化了數(shù)據(jù)分析，培養(yǎng)了學生嚴謹求實的科學精神和態(tài)度；通過優(yōu)化教材實驗、評價其他小組的實驗記錄表和實驗裝置，發(fā)展了學生的批判性思維；通過引導學生自行準備實驗模擬裝置，將生活材料廢物利用，培養(yǎng)了學生的環(huán)保意識和合作探究能力。

綜上，本實驗的亮點可以用五個化來概括：實驗設計自主化、實驗過程合作化、數(shù)據(jù)處理信息化、課后作業(yè)探究化、教學評價過程化。筆者經(jīng)過研究和實踐發(fā)現(xiàn)，讓學生自行準備實驗裝置，自己設計實驗流程，借助電子表格處理數(shù)據(jù)，并將模型研究拓展，在建模的過程中總結遺傳規(guī)律，很好地培養(yǎng)了學生的科學思維和科學探究能力，提高了學生對實驗數(shù)據(jù)的處理和分析能力。本實驗還需要注意以下幾個小問題：①部分學生的實驗裝置噪音大；②實驗材料過小易丟失；③教師在過程中需要強調操作步驟規(guī)范性對實驗結果的影響。

參考文獻

［1］高暢.模擬實驗在高中生物教學中的探索［D］.長春：東北師范大學，2006.

［2］杜修全，葉綿雪.“性狀分離比的模擬實驗”的優(yōu)化和改進［J］.中學生物學，2021，37（8）：41-43.

［3］房杰.基于生物學科核心素養(yǎng)教學目標的制訂——以“性狀分離比的模擬”實驗為例［J］.中學生物教學，2018（Z1）：34-36.