巧用扑克牌设计自由组合定律的模拟实验

韦胜秀

摘 要：利用扑克牌设计模拟实验，以期强化学生对自由组合定律的理解，同时培养学生科学探究能力和科学态度与价值观。所设计的实验方法既符合科学方法规律，同时增加了生物学习的趣味性，直观性强，简易可行，易于拓展。

关键词：扑克牌；自由组合定律；模拟实验

在中学生物学的探究过程中，有些研究对象由于受到时间和空间以及物质条件等因素制约，是难以直接通过真实的实验得出结论的。此时，用模拟实验来替代真实实验，即模仿实验对象制作模型，或模仿实验中的某些条件来进行实验，使得抽象的生物学概念更为形象化、直观化，不仅能够使学生在探究中主动理解生物学概念的实质，更为重要的是使学生能够体验科学过程，形成一定的科学探究能力和科学态度与价值观，培养创新精神，从而提高学生的生物学素养。本文就以扑克牌为材料，通过设计模拟实验来强化自由组合定律的理解。

一、孟德尔两对相对性状的杂交实验的模拟实验

1.模拟F1（YyRr）产生配子的情况

取扑克牌一副，去掉其中的大小王，用一种花色代表一种基因，即所有的方块代表Y基因，所有的红桃代表y基因，所有的梅花代表R基因，所有的黑桃代表r基因。将该副牌中所有的方块、红桃组合为一叠，充分洗牌；所有的梅花、黑桃組合为另一叠，充分洗牌，然后两叠牌同时操作，在每一叠牌中抽出一张亮牌，一次操作所亮的两张牌即为该亲本所产生的配子。重复操作多次，并用画“正”字来记录配子类型数目，统计各种配子比例，完成模拟F1（YyRr）产生配子的情况。值得注意的是，每一次亮牌后需放回重新洗牌，且两叠扑克牌之间始终不能相混。

2.模拟F1（YyRr）自交产生F2的情况

取两副牌，去掉其中大小王，一副牌代表雄性亲本，另一副牌代表雌性亲本。用上述方法同时操作两副牌，每副牌每一次所亮的两张牌就代表该亲本所产生的一种配子。由于每一次亮牌前均充分洗牌，因此，每一次同时亮出的4张牌的两两结合即可模拟出雌雄配子的随机结合。然后，重复多次操作，用画“正”字来记录所得到的F2基因型、表现型数目，统计出相应比例，这样就完成了F1（YyRr）自交产生的F2代的模拟实验。值得注意的是，每一次亮牌后需放回，重新洗牌，再进行第二次操作，且每副牌的两叠始终不能相混，两副牌之间也始终不能相混。

3.分析与体会

（1）通过模拟实验，学生能够体会到F2得到多种基因型和表现型的主要原因：F1形成配子时非同源染色体上非等位基因的自由组合形成了多种配子，于是，配子间的随机结合导致了后代出现了性状的自由组合现象。

（2）本模拟实验设计需要小组合作完成，一般建议4人小组，分工要明确，一人为组长，一人记录，两人操作扑克牌。实验统计结果与理论值存在差异，可引导学生分析出主要原因：重复操作次数不够多，样本较少。因此，建议小组实验结束后将全班各组所得的数据进行汇总统计。

（3）浙科版教材中的模拟孟德尔杂交实验是用信封和自制卡片作材料进行模拟的，教师前期准备工作较大，且要求在信封中将卡片取出，操作不方便，并难以做到随机性，因此，改用扑克牌作为材料进行模拟，不仅使学生兴趣浓厚，而且取材容易，操作方便，随机性更容易做到。

二、减数分裂过程的模拟实验——拓展自由组合的实质

1.精原细胞中染色体的模拟

取扑克牌中的方块A、黑桃A、方块K、黑桃K，共4张牌，纵向竖直对半剪开，得到8张对半分开的扑克牌，每一张牌代表一条染色体，强磁片代表着丝粒。

取两张重叠方块A和两张重叠的黑桃A代表一对同源染色体，两张重叠方块K和两张重叠黑桃K代表另一对同源染色体，分别用强磁片把牌中央固定在黑板上预先画好的代表细胞核的圆圈中。这样可模拟精原细胞中的4条未复制过的染色体。

2.减数第一次分裂过程的模拟

将重叠的两张牌旋转一定角度露出相应数字，即可表示一条染色体复制后产生的两条姐妹染色单体。通过摆放扑克牌在圆圈中的位置可模拟出同源染色体配对，四分体，同源染色体成对排列在赤道面上等减数分裂的现象。

通过方块A与黑桃A的分离、方块K与黑桃K的分离，方块A既能与方块K组合，也能与黑桃K组合，即可模拟出同源染色体分离和非同源染色体自由组合的现象。从而得到由含有姐妹染色单体的两条非同源染色体组成的两个次级精母细胞的模型。

3.减数第二次分裂过程的模拟

选取一种组合方式产生的两个次级精母细胞，再通过摆放扑克牌可以模拟减数第二次分裂各时期的染色体分布图。值得注意的是，将交叉的两张相同A分开，再分别用强磁片固定，可模拟减数第二次分裂后期着丝粒分裂，姐妹染色单体分开现象，从而得到染色体组成两两相同的4个精细胞。

4.将基因定位在染色体上体验自由组合定律

在上述减数分裂过程中，如将扑克牌中的字母表示基因，即方块A和黑桃A代表一对等位基因，方块K与黑桃K代表位于另一对同源染色体上的等位基因。那么，在同源染色体上的等位基因分离的同时，非同源染色体上的非等位基因自由组合现象就一目了然了。

5.分析与体会

（1）通过上述模拟实验，学生能自主体验到自由组合发生的 时间是有性生殖产生配子的过程中，即减数第一次分裂后期。学生亲身体验后，也能明确自由组合的本质是指同源染色体上的等位基因分离的同时，非同源染色体上的非等位基因自由组合。

（2）学生通过扑克牌的摆放能主动体会同源染色体、四分体、自由组合等减数分裂过程中的重要特征，同时也可以拓展模拟减数第一次分裂过程中一对同源染色体未分离或减数第二次分裂中着丝粒分开而姐妹染色单体未分离等异常现象，有利于学生思维的拓展。

三、总结与思考

1.通过上述两个模拟实验，学生不仅能够直观地体会孟德尔的杂交试验，体验自由组合的现象，体验非同源染色体上的非等位基因自由组合及配子的随机结合引起了后代性状的自由组合的现象，而且也能够进一步理解自由组合定律的细胞学基础——减数分裂，从而加深对自由组合的实质理解。

2.扑克牌作为模拟实验的材料，能够有效地发挥学生的想象力和创造力，不受现实实验物质条件的限制。这也体现了模拟试验的优点：简单，易于操作，直观形象。当然，模拟实验也有缺点，如，准确度不是很高，容易发生主观原因导致的错误等。因此，教师在指导学生进行模拟实验时要注意培养学生科学的思维方法，注重实验原理的分析与讨论，正确理解模拟实验与实验原型的科学类比关系。

（3）模拟实验一般是通过学生小组合作探究完成的，这就要求教师在指导学生进行模拟实验时首先要注重学习小组的建设，明确分工。其次，教师要给予学生适当的思维拓展空间，避免学生局限于教材或教师的设计思路，机械地进行模仿。另外，实验结束后还需要组织学生进行讨论分析、总结归纳。

编辑 武慧慧