基于科学思维能力培养的“伴性遗传”概念教学

翁希凝

[摘要] 科学思维是生物学学科核心素养的组成部分，作为学生在生物学课程中重要的、终身受益的学习成果。本文通过设计“伴性遗传”概念教学，训练学生运用“假说—演绎”法推理实验现象，让学生主动参与科学推理过程，培养学生的科学思维能力。

[关键词] “假说—演绎”法;科学思维;伴性遗传

一、科学思维能力的内容

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》中将科学思维与生命观念、科学探究和社会责任一同列为高中生物学四大核心素养。科学思维是生物学学科核心素养的组成部分，作为学生在生物学课程中重要的、终身受益的学习成果。因此，教师在教授知识的同时应加强对学生科学思维的训练，适时创设教学情境，引导学生思考，培养学生的科学思维能力。

高中生在生物学课程和其他的学习活动中，应培养的科学思维能力主要包括归纳与概括、演绎与推理、模型与建模，以及批判性思维能力等。其中，“演绎与推理”是指从一般性的前提出发，通过推导，得出具体陈述或个别结论的过程。在生物学学习过程中，演绎与推理思维要求学生能运用已知的生物学规律，预测或探讨相关生命现象的机制。下面，笔者以构建“伴性遗传”概念为例，简要介绍如何通过“假说—演绎”法训练，培养高中生演绎与推理的科学思维能力。

二、通过“伴性遗传”概念教学培养学生的科学思维能力

1.学情背景

笔者在教学实践中发现，虽然学生在学习基因分离定律的内容时，已经对“假说—演绎”法有所认识，但由于当时学生是初次接触这种科学思维方法，加之高中生的认知能力有限，所以，在学习这一部分内容时，很少有学生能够真正像孟德尔那样，运用“假说—演绎”法对性状分离现象做出合理的解释并加以科学验证。正因为还没有真正掌握“假说—演绎”法，所以很多学生不理解孟德尔在成功解释了性状分离现象（假说）之后，为什么还要设计测交实验，预测实验结果（演绎），并进行实验验证。

2.展示果蝇杂交实验，激发学生兴趣

教师展示摩尔根的果蝇眼色杂交实验（如图1），引导学生观察并思考可以得出什么结论。有了基因分离定律的基础，学生可以总结出果蝇的红眼和白眼是一对相对性状，红眼对白眼为显性，由一对等位基因控制，符合基因分离定律。

3.引起认知冲突

教师进一步引导学生观察并思考：果蝇眼色杂交实验F2中红眼与白眼的性状分离比也是3：1，但与孟德尔所做的一对相对性状的杂交实验结果有何不同？学生发现F2只有雄蝇出现白眼，即眼色性状的遗传与性别有关，但是，此时学生还不可能立即把控制眼色的基因与性染色体联系起来。所以，接下来教师着力要解决的就是让学生沿着当年摩尔根的思路，自己运用“假说—演绎”法，尝试分析果蝇眼色杂交实验，培养演绎与推理的科学思维能力。

4.“假说—演绎”法推理果蝇眼色杂交实验

教师展示雌雄果蝇的性染色体组成以及X和Y染色体的结构对比示意图（图略），使学生认识到基因可以位于X染色体的非同源区段（以下称为Ⅰ区段，即Y染色体上没有对应的等位基因），也可以位于Y染色体的非同源区段（以下称为Ⅲ区段，即X染色体上没有对应的等位基因），还可以位于X和Y染色体的同源区段（以下称为Ⅱ区段，即X和Y染色体上有对应的等位基因）。教师引导学生思考：控制果蝇眼色的基因应该位于常染色体上还是性染色体上？（由于眼色性状的遗传与性别有关，学生很容易想到控制果蝇眼色的基因应该位于性染色体上）控制果蝇眼色的基因应该位于Ⅰ区段、Ⅱ区段还是Ⅲ区段？（如果控制红眼与白眼这一相对性状的基因位于Y染色体上的Ⅲ区段，雌蝇是没有Y染色体的，也就不应该出现红眼，这与事实不符，因此学生很快否定了控制果蝇眼色的基因位于Ⅲ区段）

接下来，教师让学生自己尝试运用“假说—演绎”法，推理控制果蝇眼色的基因究竟位于Ⅰ区段还是Ⅱ区段。实际教学中，如果大多数学生认为基因位于Ⅰ区段，教师可让学生先推理此种假说是否合理，再推理“基因位于Ⅱ区段”的假说是否合理;如果认为基因位于Ⅰ区段和基因位于Ⅱ区段的学生人数差不多，教师可让持不同假说的学生分组同时进行推理，这样更具竞争性并且节约时间。

假设控制果蝇眼色的基因只位于X染色体的非同源区段（Ⅰ区段），教师引导学生借鉴孟德尔解释性状分离现象的思维方法，依据自己的假说，尝试用遗传图解推理果蝇眼色杂交实验。学生通过遗传图解推理后发现，基因位于Ⅰ区段可以解释上述实验现象（如图2）。教师帮助学生回忆，孟德尔为了验证对性状分离现象的解释是否正确，还设计了测交实验，接着组织学生讨论应该如何设计测交实验（演绎）。学生讨论后认为，只有选用F1的红眼雌蝇与亲本的白眼雄蝇杂交才符合测交要求。教师让学生继续通过遗传图解推理测交实验（如图3），并展示当年摩尔根的测交实验结果，学生发现自己的假说经过演绎得到的测交实验预期结果与实际结果一致。

假设控制果蝇眼色的基因位于X和Y染色体的同源区段（Ⅱ区段），提出该假说的学生也尝试用遗传图解推理果蝇眼色杂交实验。学生发现，基因位于Ⅱ区段同样可以解释上述实验现象（如图4），而且依据此假说选用F1红眼雌蝇与亲本白眼雄蝇演绎得到的测交实验预期结果，依然与当年摩尔根的测交实验实际结果一致（如图5）。

5.补充反交实验，揭示本质规律

通过上述演绎与推理，学生发现两种假说都能解释果蝇眼色杂交实验。那么，究竟哪一种假说是正确的呢？教师启发学生：孟德尔做豌豆杂交实验时，分别进行了正交和反交实验，由此组织学生讨论：如果把亲本野生型红眼雌蝇与白眼雄蝇的杂交看作正交，反交应该选用何种果蝇进行杂交？（学生不难想到应该选用野生型红眼雄蝇与白眼雌蝇杂交）与红眼雄蝇杂交的白眼雌蝇从何而来？（学生经过之前的演绎，发现F1红眼雌蝇与亲本白眼雄蝇的测交后代中有白眼雌蝇）

解决上述问题后，学生通过遗传图解进一步演绎与推理，控制果蝇眼色的基因分别位于Ⅰ区段和Ⅱ区段时，用野生型红眼雄蝇（看作纯合子）与白眼雌蝇杂交的预期结果（如图6和图7所示）。学生发现依据两种假说，演绎得到的反交实验预期结果不同，而教师展示的当年摩尔根所做的反交实验结果与图6所示的相符，至此终于证明，控制果蝇眼色的基因位于X染色体的非同源区段（Ⅰ区段）。

在完成上述“假说—演绎”的基础上，学生自主构建“伴性遗传”的概念已然水到渠成：像果蝇眼色遗传这样，基因位于性染色体上，其决定的性状在遗传上总是和性别相关联，这种现象叫作伴性遗传。

科学不仅仅是对科学概念的记忆和应用，传统课堂教学中学生记忆的科学知识很容易被遗忘，而参与科学推理的过程会让学生的科学思维得到发展，同时促进对科学知识的理解。概念教学过程中，科学思维方法的训练和科学思维能力的培养是相辅相成、有机融合的。笔者设计的“伴性遗传”概念教学，以学生已有的认知为基础，设计学生的科学思维过程，在科学思维过程中滲透科学思维方法训练，鼓励学生大胆运用“假说—演绎”法解决问题，并通过遗传图解对实验现象进行演绎与推理。实际教学中学生表现出极大的参与热情和探究兴趣，积极思考、热烈讨论。整个教学过程中，科学思维方法的训练自然流畅、代入感强，使学生对“假说—演绎”法的理解得以升华，有效培养了学生演绎与推理的科学思维能力。