例谈高中生物学模拟实验中的探究性学习

张红敏

[摘 要]文章以“性状分离比的模拟实验”为例，阐述如何在模拟实验中选择切入点、设置问题以及进行实验创新，实现学生的探究性学习，以期为实验教学中如何有效落实“科学探究”核心素养培养提供参考。

[关键词]高中生物学;模拟实验; 探究性学习;探究切入;问题设置;实验创新

[中图分类号]    G633.91        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2021）35-0094-03

《普通高中生物课程标准（实验）》明确提出，高中生物学课程的核心任务是在义务教育的基础上进一步提高学生的生物学素养，将“倡导探究性学习”作为课程理念，建议教师运用以探究为核心的多样化教学方式，推进学生在动手和动脑的过程中全面实现课程目标[1]。当今，“科学探究”已作为生物学学科核心素养之一，在生物学教学中占据核心地位。生物学是一门实验性学科，所以探究性实验教学应成为高中生物学课堂教学的主要方式。本文尝试以“性状分离比的模拟实验”为例，以“在体验子二代性状分离的基础上，改变雌雄配子比例”为切入点，通过设置合理的问题，层层深入地激发学生的思维，引导学生进行实验创新，打开学生的思维，以达到探究性学习的目的，进而完成探究性实验教学，将“科学探究”核心素养落到实处。

一、探究切入

根据不同实验的特点，选择合适的切入点是探究性实验教学顺利进行的基本前提。因为豌豆种植周期长，不适合学生实际做实验，所以教材设置了“性状分离比的模拟实验”，此实验属于验证性实验。如果学生仅仅通过模拟操作，体验孟德尔的假说，验证F1自交产生的F2会出现性状分离，且比例接近3∶1，显然不能达到探究性学习的目的。因此，寻找一个合适的切入点，引导学生进行探究性学习成为本节课教学设计的关键。那么，如何才能找到一个合适的切入点呢？可以尝试以下的实验分析。

1.模拟实验，体验假说

（1）在甲、乙两个小桶中放入两种彩球各10个。

（2）摇动两个小桶，使小桶内的两种彩球充分混合。

（3）分别从两个桶内随机抓取一个彩球，组合在一起，记下两个彩球的字母组合。

（4）将抓取的彩球放回原来的小桶内，摇动，按步骤（3）重复做50次。

2.思考实验步骤中的关键词

（1）两个小桶中两种彩球各10个;

（2）充分混合;

（3）随机抓取;

（4）放回、重复。

3.从关键词中寻找合适的切入点

上述关键词强调了模拟实验要注意的两个方面：（1）两种雌配子、两种雄配子比例要分别相同;（2）抓取过程要做到随机。学生不太容易理解第一个方面，那么就从第一个方面入手，科学设置问题，激活学生的思维，继而实现探究性学习。

二、问题设置

探究性学习的本质是学生不断发现问题、解决问题[2]。探究性实验教学同样离不开合理的问题设置。下面继续以“性状分离比的模拟实验”为例，说明如何设置问题才能达到探究性学习的目的。

1.必备的已有知识是问题设置的前提

学生要回答教师提出的问题，必须先掌握相关的知识。在“性状分离比的模拟实验”中，是否掌握模拟实验装置和模拟实验操作过程所代表的含义是学生能否进一步思考回答后续问题的关键，所以学生应首先明确以下几点。

（1）甲、乙两个小桶分别代表雌、雄生殖器官或雌、雄配子库。

（2）甲、乙两个小桶内的彩球分别代表雌、雄配子。

（3）不同彩球的随机组合，模拟生物在生殖过程中雌雄配子的随机结合。

2.问题设置要紧扣主题且层层递进

在该实验中，教师的教学目的是让学生围绕“两种雌配子、两种雄配子比例要分别相同”展开思考，教师可以围绕这一主题设计两个大问题，如果学生不能直接回答大问题，应将大问题拆分成若干具有内在逻辑关系的小问题。

（1 ）测交实验的原理

问题1：若两种雌配子和两种雄配子的比例都不是1∶1，结果会怎样？

（学生不能直接回答，这时把桶内的彩球拿出一部分，把两种雌配子、两种雄配子比例都改为2∶1，让学生继续模拟操作，看一下具体结果，如图1和图2。）

[学生写出两次模拟实验的遗传图解（如图3），分析得出结论：亲代产生配子的种类和比例决定子代的性状及比例。]

问题2：根据上述结论，为什么测交后代可以反映F1产生的配子种类和比例？（学生很容易理解，他们认为既然亲代决定子代，那么子代也可以反映亲代。）

（2）出现性状分离比3∶1需要满足的条件

问题1：既然子代能反映亲代，F1自交得到的F2出现了性状分离，就说明决定性状的基因出现了分离，性状分离比3∶1也可以反映F1產生了两种雌配子、两种雄配子，比例皆为1∶1。也就是说3∶1能反映基因的分离定律，那么基因分离了是否就一定能出现3∶1呢？（学生一时回答不上来）

问题2：F1在产生配子时含有d的雄配子成活率只有50%，那么F2能否出现性状分离比3∶1？（根据模拟实验结果，学生直接回答“不能”。）

问题3：那么F2出现3∶1要满足哪些条件呢？（学生能想到一部分，但不知道从哪些方面去思考，教师提示学生从F1到F2的每一步去分析）

问题4：F1在产生配子时，D和d要不要分离？（学生回答“要”;理解基因分离出现性状分离比3∶1要满足的首要条件。）

问题5：雌配子D和d，雄配子D和d的成活率要不要相同？（学生回答“要”;理解不能有配子致死。）

问题6：雌雄配子要不要随机结合？（学生回答“要”，并进一步理解抓取过程为什么要做到随机。）

问题7：结合以后的合子成活率要不要相同？（学生回答“要”;理解不能存在合子致死。）

问题8：D对d要不要完全显性？（学生回答“要”）

问题9：基因型要不要完全决定表现型？（学生回答“要”）

问题10：F2的数量要不要足够多？（学生回答“要”;理解抓取要有一定的次数，即样本数量越大，数据出现误差的概率就越小。）

至此，学生深刻理解了基因的分离和性状分离比3∶1的关系：控制一对相对性状的等位基因自交产生子代，出现性状分离比3∶1可以反映基因分离，但基因分离不一定会出现性状分离比3∶1。

三、实验创新

学生在学习“孟德尔的豌豆杂交实验（二）”时，容易混淆“基因的自由组合”和“配子的随机结合”，为了让学生辨明概念，教師可对“性状分离比的模拟实验”进行拓展创新，进一步模拟“基因的自由组合”，因为有了“性状分离比的模拟实验”做基础，“基因的自由组合模拟实验”可以交给学生去自主探究。

“基因的自由组合模拟实验”，难点不在实验操作上，而是在实验装置的选择上。学生前后设计了两种方案。方案一：取4个相同的小桶编号为甲、乙、丙、丁;每个桶内放入20个大小相同的彩球（10个蓝色球和10个黄色球）。甲和乙桶内，10个蓝色球标记Y，代表决定黄色的基因，10个黄色球标记y，代表决定绿色的基因;丙和丁桶内，10个蓝色球标记R，代表决定圆形的基因，10个黄色球标记r，代表决定皱形的基因;甲桶和丙桶组合在一起，代表雌配子库，乙桶和丁桶组合在一起，代表雄配子库。（如图4）

方案二：取2个相同的小桶，编号为甲、乙，甲、乙桶内各放入两种颜色的彩球，2大2小共4个，用蓝球和黄球（大球）代表决定粒色的Y和y基因，用蓝球和黄球（小球）代表决定粒形的R和r基因，甲代表雌配子库，乙代表雄配子库。（如图5）

在以方案一开展模拟实验操作时，要从甲桶、丙桶随机各取一个彩球，代表自由组合的一个雌配子，从乙桶、丁桶随机各取一个彩球，代表自由组合的一个雄配子，然后把甲和丙、乙和丁四个桶内取出来的彩球组合在一起，代表雌雄配子随机结合。此操作过程烦琐，每一步操作代表的含义也容易使学生混淆，于是学生舍弃了方案一，选择了方案二。利用方案二的装置进行模拟实验，只需要从甲桶内随机取一大一小两个彩球，即可代表自由组合的雌配子，再从乙桶内随机取一大一小两个彩球，就能代表自由组合的雄配子，然后两个桶内抓取的彩球组合在一起，代表雌雄配子随机结合。学生在模拟操作中体验到只要模拟产生四种雌配子或者四种雄配子及其比例，就能区分“基因的自由组合”和“配子的随机结合”。学生最后又把模拟实验装置精简到只保留了方案二中的一个小桶。（如图6甲或乙）

通过对“基因的自由组合”实验装置的优化，学生进一步体会到模拟实验是科学研究的一种方法，加深了对概念的理解，突破了学习难点，同时培养了探究能力、创新能力和合作学习能力。

探究性学习没有固定的模式。在教学实践中，动手、动脑相结合，通过问题解决促进生物学概念形成是课堂探究性学习的关键[3]。教师要不嫌麻烦，尽量让学生有动手实验的机会，对于不具有探究性的实验，教师要寻找合适的切入点，并辅以精心设计的问题，引导学生动脑，引发学生深度思考，有效进行探究性学习。教师应鼓励学生对实验进行拓展、改进、创新，让学生亲历创新设计过程。这种通过实验与思维紧密结合的创新教学设计，将学习的舞台和主动权在教师控制有度的情况下最大限度地交给学生，极大地激发了学生的探究热情和创造力。

[   参   考   文   献   ]

[1]  刘恩山.《普通高中生物课程标准》的设计思路和主要特点[J].生物学通报，2003（5）：28-30.

[2]  张颖.浅谈生物学探究性实验教学的两个重要因素[J].中学生物教学，2017（4）：56-57.

[3]  刘恩山，曹保义.普通高中生物学课程标准（2017年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2017：49.

（责任编辑 黄春香）