利用科学史发展学生生物学科核心素养的探索——以“分离定律”的教学为例

□骆霞琴 田 华

（德清县教育研训中心，浙江德清 313200；德清县第一中学，浙江德清 313200）

科学是一个发展的过程。学习生物科学史能使学生沿着科学家探索生物世界的道路，理解科学的本质和科学研究的思路和方法，学习科学家献身科学的精神，这对发展学生的生物学学科核心素养是很有意义的。

笔者在利用科学史发展学生生物学科的核心素养方面进行了积极的探索，下面仅以“分离定律”的教学为例进行阐述。

一、还原历史 渗透生命观念

视频播放：孟德尔的生平以及他为遗传学所作贡献的介绍。

教师：孟德尔的成功给了我们哪些启示？

启示1：正确地选用豌豆作实验材料是成功的首要条件。

学生交流、讨论：豌豆作为遗传实验材料的优点。

归纳：豌豆是严格自花授粉、闭花授粉植物，在自然状态下获得的豌豆是纯种；豌豆品系多，具有多个稳定的易于区分的性状；豌豆花较大，易于做人工杂交实验；豌豆生长周期短，易于栽培；豌豆籽粒较多，且成熟后的籽粒留在豆荚中，数学统计分析结果更可靠等。

启示2：选择科学的研究方法是成功的关键。

教师：孟德尔自幼酷爱自然科学，通过对自然科学和数学的学习，他具有了杂交可使生物产生变异的进化思想，以及应用数学方法分析遗传学问题的意识。与孟德尔同时代进行遗传规律研究的科学家很多，但都是看杂交后的整体特征，结果眼花缭乱，发现不了规律。

引导学生回答：研究从简单到复杂，孟德尔首先针对一对相对性状进行研究，再对两对或多对相对性状进行研究，并对实验结果进行数理统计学分析。

启示3：严谨求实的科学态度是成功的保证。

教师：孟德尔利用教堂的一小块菜园，种植了许多种植物，经过8年的杂交实验发现遗传的基本规律，为现代遗传学奠定了基础。

学生体会：孟德尔热爱科学、锲而不舍、敢于质疑、勇于创新、勤于实践以及持之以恒的科学态度和科学精神。

教师引导学生进一步思考：遗传物质肉眼看不到，孟德尔怎样研究遗传物质的变化规律呢？

学生充分讨论、交流，由于有必修一的学习基础，不难得出：生物的性状是由基因（孟德尔当时称为遗传因子）决定的，微观的基因传递规律可用宏观的性状变化来推知。

这是一种创造性的思维方式，学生在此过程中也感受到了孟德尔的智慧。

“生命观念”是能够理解或解释生物学相关事件和现象的意识、观念和思想方法。利用这段科学史教学，不仅渗透了“结构与功能观”“遗传的物质观”，而且能促进学生用生命观点认识生物的多样性和独特性，形成科学的自然观和世界观，并以此指导探究生命活动规律，解决实际问题[1]。

二、再现过程 体验科学探究

孟德尔揭示遗传规律的科学历史，完整地反映了科学探究的基本过程，是学生体验科学探究过程的好素材。

（一）观察实验，提出问题

学生：观察如图1所示的“豌豆杂交过程示意图”，并描述实验过程。

图1 豌豆杂交过程示意图

教师引导学生分析：①在对豌豆的人工异花传粉过程中，亲本是否都进行了去雄处理？②去雄应选择什么时间？去雄后及传粉后要将母本的花进行套袋处理，其目的是什么？③F1是否总反映母本的信息？④白花性状是永远消失了还是暂时隐藏起来了？

学生观察、分析后，认识到只对母本进行去雄处理，去雄要在花成熟前进行，套袋处理的目的是避免外来花粉的影响，在紫花和白花这对相对性状上，F1显示显性性状——紫色，与谁作母本没有关系。

边讲解边板书杂交实验过程，如图2所示。在引出正交、反交、杂交、自交、相对性状、显性性状、隐性性状、性状分离等概念的同时学生提出了新的问题：为什么F1中只表现一个亲本的性状？F2中的3∶1现象会不会是种巧合？

图2 单因子杂交实验过程

（二）分析问题，提出假设

出示孟德尔所做7对相对性状的结果，讲述孟德尔并没停留在对实验现象的描述和观察上，而是对子二代中显性性状个体和隐性性状个体分别进行了统计，做了定量的分析，发现每对相对性状都会出现这种结果。

知识铺垫：当时物理学家把各种复杂的物理性质归结为原子的性质，化学家把千变万化的化学性质归结为化学元素的分离和结合。孟德尔大胆地用了类比和数学模型的方法，提出基因及基因具有独立性的假设：性状是由基因控制的，显性基因控制显性性状，用大写字母表示，如C。隐性性状由隐性基因控制，用小写字母表示,如c。C和c同时存在时，只显示C控制的性状。

教师引导学生猜想：豌豆体细胞中至少有几个与花色有关的基因？

学生推导：至少有两个。因为F1紫花植株自交后，F2出现了白花植株，说明F1中至少有一个控制白花的基因，而F1表现为紫花，说明F1至少有一个控制紫花的基因。

教师指出这就是孟德尔的假设2：基因在体细胞中是成对的，其中一个来自母方，另一个来自父方。

模拟实验（课前准备一元硬币和五角硬币若干）：一元硬币代替控制紫花的显性基因C，五角硬币代替控制白花的隐性基因c，请用硬币模拟单因子杂交实验过程中植株内在基因的变化过程。

边模拟边分析边板书：①为什么亲本紫花与F1紫花基因型不同？②F1紫花植株的基因型是怎样形成的？③F1产生配子时内在的基因怎样变化？会产生哪些配子？数量上有什么关系？④F1的雌、雄配子结合产生F2过程中有什么特点？为什么F2性状分离比为3∶1？

在讨论、交流的基础上，教师归纳指出孟德尔的另3点假说：配子形成时，成双的基因彼此分离，分别进入到不同的配子中，所以每个配子只含有成对基因中的一个；在F1的体细胞内有2个不同的基因，但各自独立、互不混杂；F1可产生2种不同类型的配子，一种带有基因C，另一种带有基因c，并且数目相等，其比例为1∶1，受精时雌、雄配子的结合是随机的，机会均等，所以F2出现3种基因型，比例为1∶2∶1，由于C和c同时存在时，只显示C控制的性状，所以F2性状分离比为 3∶1[2]。

最后出现在板书上的分析过程如图3所示。

图3 单因子杂交实验过程分析

（三）设计实验，验证假说

教师精心设计问题，引导学生思考：①孟德尔假设中的核心内容是什么？为什么？②如何让看不见的配子类型及比例成为看得见的性状？

学生活动：现有纯种的紫花豌豆植株、白花豌豆植株、F1代紫花豌豆植株，请尝试设计杂交实验对孟德尔提出的假说进行验证。

实验思路：用F1代紫花豌豆植株和白花豌豆植株进行交配，根据交配后代的表现型及比例可推出F1代紫花豌豆植株产生配子的类型及比例。

实验过程和结果：F1代紫花豌豆植株和白花豌豆植株杂交子一代的表现型及比例为紫花∶白花=1∶1。

实验结论：证明F1代紫花豌豆植株能产生两种比例相等的配子。

师生互动：用遗传图解展示推理过程，如图4所示（序号为推理先后次序），使学生深刻领会测交实验的原理。

图4 单因子测交实验过程分析

通过问题串的递进引导学生分析出杂交实验设计的关键点，通过杂交实验设计，使学生体验科学的过程和方法。

（四）归纳总结，揭示规律

1.规律总结

基因分离定律：在生物的体细胞中，控制同一性状的基因成对存在，不相融合；在形成配子时，成对的基因发生分离，分离后的基因分别进入不同的配子中，随配子遗传给后代。

规律揭示了杂合子内等位基因的独立性、分离性和随机结合性等一系列连续的遗传行为。

2.方法总结

学生回顾分离定律的发现过程，并由此归纳出假说—演绎法：发现问题→提出假说→演绎推理→实验验证→揭示规律。引导学生领悟这一科学研究方法及其在科学研究中的应用。

3.概念梳理

杂交实验过程中，涉及的概念较多，且概念间存在着密切的关系，引导学生构建概念图，如图5所示，可促进学生更好地领会探究过程。

图5 概念图

通过学习一对性状的杂交实验，引导学生不断提出问题，分析和解决问题，尝试像科学家那样进行解释和推理，不仅体验了科学研究的一般过程，而且学生分析问题、解决向题的能力进一步提高。

三、刨根问底 发展科学思维

教师通过设置问题链，驱动学生深层次思考。

问题1：隐性性状就是表现不出来的性状吗？

问题2：F2紫花豌豆中，杂合子占多大比例？

问题3：如果子代个体数量过少，F2中的性状分离比还一定是3∶1吗？

问题4：如果含有控制紫花基因的精子和卵细胞相结合的概率大于含有控制白花基因的精子和卵细胞相结合的概率，则F2中的性状分离比会怎样变化？

问题5：某个体与隐性个体测交后，子代只表现一种性状，则说明什么？……

在基于问题的学习中，教师的任务是以问题引导学生思考和交流。最重要的是，一个个的问题为学生提供了学习的“脚手架”——支持他们进行研究的框架，这能增强学生的探究能力，促进学生思维的发展[3]。

遗传定律与现实生活联系紧密，有着丰富的强化学生社会责任的素材[4]。要求学生应用分离定律解释遗传现象、指导农作物的育种实践，运用统计与概率方面的相关知识，分析、推理并解决一些遗传学问题。比如：理解禁止近亲结婚的原因；根据遗传系谱图，推断子代或亲代个体的基因型和表现型，并预测遗传病的发病概率等。

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》在“教学建议”部分明确提出，要“注重生物科学史和科学本质的学习”。本内容的教学以“科学史的学习”为线索，在学生体验“科学家的探究历程”的过程中，对“发展学生的生物学科的核心素养”进行了有效的探索。