Scratch编程软件助力生物实验教学

魏波 曾利华

“孟德尔的豌豆杂交实验”是人教版生物八年级教材的内容。由于教学时间和条件的限制，学生往往在无实验过程体验和实验数据支持的情况下，仅通过分析教材图片，被动接受基因的显性和隐性的相关知识。为改进教学，笔者用图形化编程软件Scratch3.0虚拟再现豌豆杂交实验的探究过程和结果，引导学生用实验数据验证遗传定律，促进学生深度学习。

一、结合疑难问题，设计虚拟实验探究路径

学习本课，学生往往会产生一系列疑问：隐性性状在什么情况下会表现出来？显性性状是否含有隐性基因？显性性状稳定遗传的概率是多少？怎样借助杂交实验数据的统计结果，判断性状的显性和隐性？

为解开这些疑惑，笔者这样设计教学：先根据杂交实验中豌豆的某种相对性状是否会“凭空消失”或“无中生有”地出现，抑或是杂交后代的性状分离比例是否为3∶1，设计虚拟实验程序，引导学生理解“只要出现上述现象中的任意一个（也可能同时满足多个），就可以从宏观上判定相对性状的显性和隐性”，再通过进一步分析，理解“性状相同其基因组成不一定相同，同一性状可以有多种基因组合形式”，进而得出显性基因和隐性基因在亲子间传递的过程中所表现的性状变化规律。

为辅助学生学习，笔者对上述三种判定方式逐一进行编程，将编译的可执行文件推送给学生，让学生用平板电脑运行程序，动态演示实验过程，并依据统计数据得出与孟德尔实验一致的结论。

二、借助编程演示，分析相对性状的显性和隐性

1.“凭空消失”的性状是隐性性状

课前，笔者选取圆粒和皱粒的豌豆种子作为亲本，启动Scratch3.0软件，设计用“豌豆射手”投射豌豆的指令，对角色“铅笔”进行编程，以连线等方式绘制亲代与子一代的性状和基因图谱（如图1）。

课堂上，学生用平板电脑打开可执行文件，按下数字键“1”，可看到“豌豆射手”投射亲代和子代豌豆的过程，并发现圆粒和皱粒的亲代杂交的子一代全为圆粒。随后，笔者引导学生思考如下问题：子一代中为什么没有皱粒？皱粒的性状消失后，控制皱粒性状的基因是否也一同消失了？子一代的圆粒与亲代的圆粒基因组成相同吗？带着这些疑问，学生按下数字键“2”，电脑显示圆粒和皱粒亲代的基因组成都是纯合子（分别用“AA”和“aa”表示）。学生联系有性生殖相关知识，明确形成受精卵的过程中，子代的基因组成只有一种，即杂合子“Aa”。笔者让学生按下数字键“3”，程序加速运行，模拟多次重复实验，结果显示：子一代都是圆粒且基因组成都是“Aa”。学生在导学案上记录模拟实验现象并总结：亲代性状不同而子代性状相同，消失的一种性状是隐性性状。

2.“无中生有”的性状是隐性性状

笔者课前选取圆粒的豌豆种子作为亲本，对角色“铅笔”进行编程，得出如图2所示的基因图谱。

同样地，学生按下数字键“1”运行程序，发现亲代都是圆粒，子一代却出现了皱粒。由此，学生产生很多疑问：子一代的皱粒性状是如何显现的？子一代出现皱粒的概率有多大？子一代中的圆粒基因组成相同吗？笔者让学生按下数字键“2”，电脑显示亲代的圆粒豌豆都是杂合子“Aa”。学生进一步讨论发现，子一代的基因组合有“AA、Aa、aa”三种，但性状只有圆粒和皱粒两种。至此，学生从基因层面形成了“隐性性状要得以显现，其基因组成必须是aa”的关键认知。程序运行过程中，有少数学生的屏幕上没有出现隐性性状，笔者就此引导学生继续探究。学生按下数字键“3”，程序加速運行，最终呈现出与图2一致的结果。经过笔者点拨，学生认识到豌豆种子数量少，实验具有偶然性，实验次数少，其结果会产生统计学误差。最后，学生记录“豌豆父本和母本均为圆粒，子一代中有圆粒和皱粒，则圆粒为显性性状，皱粒为隐性性状”的实验现象，并自主归纳出“亲代性状相同而子代性状不同，与亲代相同的性状是显性性状，‘凭空出现的另一个性状是隐性性状”的结论。

3.根据性状分离比判断基因性状

前两个实验都指向豌豆的单一性状。双性状的豌豆杂交后，子代的性状表现如何呢？笔者课前选取纯种黄色圆粒和绿色皱粒的豌豆作为亲本，对“豌豆射手”和各种性状的子一代豌豆逐一进行编程，达到如下效果：①按下数字键“1”，“豌豆射手”快速连续投射的诸多子一代豌豆全为黄色圆粒；②按下数字键“2”，对“豌豆射手”投射的各种性状的子二代豌豆进行计数（时间越长，投射速度越快，投射的数量越多）；③按下数字键“0”，结束投射，统计各种性状的子二代豌豆数量之比。

学生在平板电脑上运行程序，得到如图3（简化性状标记，如“黄圆”表示“黄色圆粒”）所示的统计结果。

笔者让学生用表格整理实验数据，并小组讨论数字呈现的规律。学生发现下表中各种性状子粒数的比大致为9∶3∶3∶1。

随后，一名小组代表汇报：黄色圆粒：绿色圆粒=3∶1，则黄色圆粒为显性性状、绿色圆粒为隐性性状；黄色圆粒：黄色皱粒=3∶1，则黄色圆粒为显性性状、黄色皱粒为隐性性状；绿色圆粒：绿色皱粒=3∶1，则绿色圆粒为显性性状、绿色皱粒为隐性性状；黄色皱粒：绿色皱粒=3∶1，则黄色皱粒为显性性状、绿色皱粒为隐性性状。另一名小组代表总结：亲代性状相同，子代性状分离且分离比是3∶1，则占3份的是显性性状，占1份的是隐性性状。

以上教学，学生通过模拟不同种子形状、种皮颜色的豌豆杂交实验，深入理解了判断基因的显性和隐性的方法。后续，学生讨论得出：豌豆的其他性状表现也可以通过“无中生有”“凭空消失”“子代性状分离比为3∶1”，确定其基因的显性和隐性。

三、联系实际拓展，深化理解生物遗传规律

拓展环节，笔者设置作业，让学生结合“南橘北枳”现象，讨论“生物的性状是否只受基因控制，环境因素对生物的性状是否有影响”。经过互评和师评，优秀作业“生物的性状由基因控制，也受环境影响。‘橘生淮南为橘，橘生淮北为枳是由两地的气候差异所决定的。如果把淮南的橘子树移栽到淮北，所结果实为枳；如果把淮南橘子树的枝条嫁接到淮北的枳树上，并且受枳树的花粉，所结果实也是枳，且果皮和种子胚的基因组成相同。这一实例证明，性状改变可以由环境变化引起，但其遗传基因并没有改变，也不会遗传给子一代”被发布到班级中群展示。

（作者单位：魏波，天门市万林实验小学；曾利华，天门市天宜学校）