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孟德尔遗传实验的教学难点分析

[日期:2012-03-24] 来源:中学生物学 2012年2期  作者:李能国 [字体: ]
  新课程倡导探究性学习,在学习遗传的基本规律时,许多教师选择的教学方法是让学生从140多年前孟德尔的植物杂交实验开始,循着科学家的足迹,探索遗传的奥秘。
  1865年,孟德尔在布隆自然研究协会上报告了他的实验研究结果,第二年发表了《植物杂交实验》一文。1868年,孟德尔被选为修道院院长。1884年,孟德尔去世,他的后继者烧毁了他的私人文件。今天,我们几乎没有关于孟德尔的原始资料或灵感来源的直接信息。在教学的过程中,存在几个难点需要突破:为什么性状分离比是3:1?为什么提出遗传因子的假说?遗传因子为什么成对存在?测交实验是如何设计的?如果教师不能突破这几个难点,教学将回归到传统的讲授法,学生无法体验和感悟科学的思想和方法。
  1 性状分离比是3:1的原因
  18世纪以来,许多学者开展了大量的植物杂交的实验,但这些遗传学研究的先驱过于注重对实验结果的描述,而很少对实验结果进行数学分析,更没有把性状分离看成是最关键的变化。德国植物学家格特纳先后分析了近一万个杂交实验,在玉米杂交实验中,他观察到黄色子粒与其他颜色子粒的分离比例为3.18:1,然而他无法对此进行解释。
  与前人不同的是,孟德尔分类处理了F2中被他们认为是无规律的变异,统计分析F2中数以万计的种子和植株,发现F2中的显性与隐性个体数之比总是接近3:1,孟德尔敏锐地觉察到杂种后代表现出的这种3:1的性状分离比,必然反映着某种遗传的规律性,从而建构了3:1的数学模型。这一数学模型可以排除环境因素、子代数量多少等无关变量的干扰,寻找出杂交实验过程中相关变量之间的本质关系,使遗传学的研究从定性描述向定量分析的方向转变。
  在教学过程中,教师先呈现孟德尔的豌豆杂交实验结果,请学生比较F2中显性与隐性个体的数量,然后计算显性与隐性个体的数量比,分析这七个数据的大小,并探究其与F2的数量之间的关系,发现F2的数量越多,显性与隐性个体的比越接近3:1,从而得出F2中出现3:1的性状分离比不是偶然的。这是一个体验的过程,由学生通过计算发现3:1的遗传规律,而不是简单的告知,为进一步探究作好铺垫。
  2 提出遗传因子假说的原因
  孟德尔所处的时代,许多学者认为生物的遗传是融合遗传。达尔文提出“泛生子”假说,认为身体里的每个细胞都含有胚芽,亲代的相对性状在杂种后代中融合,成为新的性状而出现,是类似液体的胚芽融合的结果,且以这种方式传递的后代中遗传性状不分离。
  孟德尔通过豌豆杂交实验,发现无论是哪一对相对性状,F1只表现出显性性状,F2中显性与隐性的比为3:1,从而否定了融合遗传,并感悟到“遗传中有某些特征可看作是不可分割和显然不变的单元”,提出遗传因子的概念,并认为遗传因子互不融合,互不干扰,独立分离,自由组合,具有颗粒性,因此称为颗粒遗传。1909年丹麦遗传学家约翰逊将孟德尔提出的遗传因子命名为“基因”。
  如何提出遗传因子来解释3:1的性状分离比这一现象,许多课堂缺少理想的过渡环节,而是教师直接告知孟德尔的假说。教师可以进行一个演示实验,将一杯红墨水和一杯蓝墨水混合,混合液是另一种颜色,却再也无法分离出红墨水和蓝墨水。这个演示实验其实是建构了一种融合遗传的模型,当融合遗传的假说不成立时,需要建立一个新假说或者模型来解释性状分离现象,从而激发学生探究的欲望,通过学生大胆的想像,分组讨论,遗传因子的思想模型逐渐在学生头脑中形成,并学会用大小写的英文字母来表示决定显性和隐性性状的遗传因子,实现对原型的简化和理想化。
  3 遗传因子成对存在的原因
  当年,孟德尔提出遗传因子的假说时,生物学界还没有认识到配子形成和受精作用过程中染色体有规律性的变化,孟德尔根据实验现象提出遗传因子在体细胞中成对存在,在配子中单个出现,这一创造性的假说是超越时代的非凡设想。
  人教版《普通高中课程标准实验教科书·必修2》中,教学内容的编排顺序基本上按照科学发展的历史进程来设计的,体现从个体水平、细胞水平到分子水平的遗传学知识的内在逻辑联系。当学生缺少减数分裂知识作为基础时,推理出遗传因子成对存在是教学的难点。
  突破这个难点教师需要借助于遗传图解(图1、图2),遗传图解将复杂的遗传过程简单化,既可用来反映和解释遗传的过程和结果,又可用来进行相应的判断和推理。
  教师先在黑板上绘出图1所示的遗传图解,请学生分析每种表现型的个体所含有的遗传因子,写在相应的括号中,其中F1从双亲获得D和d两种遗传因子。接着引导学生进行推理,双亲不可能将所有的遗传因子传给子代,否则子代细胞中遗传因子将越来越多;F1产生生殖细胞时,D和d这两种遗传因子只有彼此分离,分别进入不同的配子中,后代才能出现矮茎性状;如果F1产生雌雄配子中,含有D与d遗传因子的概率相等,雌雄配子随机结合,则后代高茎与矮茎的比为3:1,如图2所示;当F1细胞中只有D和d两个遗传因子时,雌雄配子中含有D与d遗传因子的概率才能相等。
  
  以上是通过遗传图解进行推理,猜想细胞中遗传因子成对存在,教师还可以进行性状分离比的模拟实验,进一步认识和理解遗传因子的分离与配子的随机结合与性状之间的关系,体验孟德尔的假说。
  4 测交实验设计的过程
  孟德尔通过提出假说,对性状分离现象的解释在逻辑上是十分严谨的,他根据假说进行演绎推理,巧妙地设计了测交实验(即将F1与隐性纯合子杂交),再通过实验检验演绎推理的结论。孟德尔的测交实验结果完全符合他的理论假设,证明了他的假说是正确的。
  在教学过程中,如何让学生去设计测交实验?想突破这个难点其实很简单,首先教师需要告诉学生:一种正确的假说或者模型,不仅能够解释已有的实验结果,而且还能预测其他的实验结果,请学生自己去设计一种实验方案,并运用遗传图解,预测实验结果。这个任务对所有的学生都是一次挑战,他们会逐步梳理出孟德尔已经做过的实验,有纯合的高茎豌豆自交、纯合的矮茎豌豆自交、纯合的高茎与矮茎豌豆杂交、杂合的高茎豌豆自交,还没有进行的实验是纯合的高茎与杂合的高茎豌豆杂交、杂合的高茎与纯合的矮茎豌豆杂交。如果用纯合的高茎与杂合的高茎豌豆杂交,理论上后代全是高茎豌豆;如果杂合的高茎与纯合的矮茎豌豆杂交,理论上后代高茎和矮茎豌豆的比是1:1,反过来说明F1产生的生殖细胞之类型及其比例,令人信服地证明遗传因子分离假设的正确性。测交实验是遗传学分析的经典方法,学生通过分析、推理的体验过程,才能真正感悟到测交实验的完美和巧妙。
  学习遗传知识的过程就是探索遗传奥秘的过程。运用探究性学习的方法,通过问题的提出和解决,让学生受到科学方法、科学态度和科学精神等多方面的启迪,激发学生的学习兴趣,转变学习方式,这是本节教材的教育价值所在。
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