【论文】基因自由组合定律模型的运用
2017-12-06 13:09阅读：
基因自由组合定律模型的运用
闫 锋 （陕西西安高新第一中学
710075）
单位地址：西安市高新区唐延路23号
项目资助：陕西省教育科学“十三五”规划2016年课题“基于拔尖学生培养的生物课程建设与实践研究”（课题编号：SGH16B109）阶段性研究成果之一。
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设计背景
《普通高中生物课程标准（实验）》要求“生物2：遗传与进化”模块在高中生物课程中的价值有“领悟假说演绎、建立模型等科学方法及其在科学研究中的应用”
[1]，美国《国家科学教育标准》把模型和科学事实、概念、原理、定理及理论并列为科学知识的重点，并将构建、修改、分析、评价模型作为高中学生的基本科学探究能力[2]。“模型教学”有助于学生理解抽象、微观的科学事实。在《孟德尔的豌豆杂交实验（二）》教学中，根据“成对遗传因子彼此分离，不同对的遗传因子自由组合”的假说演绎双杂合F1（YyRr）个体产生配子时，通常进行板图说明推测，部分学生会产生错误的结果（产生的四种配子是Y、y、
R
、r），大部分学生对“不同对遗传因子的自由组合”体验不深，不能深刻理解自由组合定律的实质，对后续学习造成障碍。笔者受人教版教材《必修2
遗传与进化》P6《性状分离比的模拟》实验启示[3]，设计开发“基因自由组合定律模型”，通过课堂实践操作，学生对“成对遗传因子彼此分离，不同对的遗传因子自由组合”微观事实得到深刻体验，更重要的是为学习减数分裂打下基础，理解“一个细胞与一个个体产生配子种类数的区别”变得非常容易，还可以演示更多对非等位基因的自由组合，为理解孟德尔成功原因之一“采用单因子到多因子研究方法”提供实践依据。
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模型介绍及特点
2.1 模型操作及设计意图
（1）取小桶1只
，装入2只较大的相同小球（可用乒乓球），分别用记号笔标记Y、y，再装入2只较小的相同小球（可用制作化学分子模型的小球），分别用记号笔标记R、r（图1）。
设计意图：用1只小桶模拟1个性原细胞。基因分离定律已经证明细胞内遗传因子成对存在，故4只小球代表非同源染色体上的两对等位基因。
（2）摇动小桶，使4个小球混匀。随机抓取一大一小两只小球，分别记录抓出两小球的字母组合、桶中两小球的字母组合（图1）。
设计意图：每次抓出一个大球（或一个小球）表示分离定律，随机抓一大一小表示非同源染色体上非等位基因自由组合，分别记录的两种字母组合表示该“细胞”产生的两种“配子”。
图1
（3）将抓取的小球放回原来的小桶中，按步骤（2）重复做20-50次。
设计意图：模拟同一生物个体生殖器官中另一些性原细胞产生配子的过程。
（4）列表统计“配子”的种类以及出现的次数，用Microsoft
Excel工作表实时统计全班实验数据。
设计意图：模拟一个个体产生配子的过程，从全班统计的数据结果得出F1个体可产生比例相等的4种配子。用Microsoft
Excel工作表实时统计得到实验数据，分析及时、可靠，有说服力，体现“样本数量足够大”是统计类实验的前提。
2.2 模型特点
（1）直观性
“模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所做的一种简化的概括性的描述
[4]”。模型包括物理模型、数学模型和概念模型等。物理模型是指以实物或图画形式直观地表达认识对象特征的模型[4]，从结构功能上包括静态的结构模型和动态的过程模型。
“自由组合定律模型”就属于动态的过程模型，每次同时随机抓取1个大球和1个小球，两个大球（小球）中随机抓取1个代表发生分离定律，“同时随机抓取1大1小球”代表非等位基因的自由组合，完成一次抓取，记录手中、桶内的“组合”代表“一个性原细胞产生两种配子”，统计全班数据代表“个体产生的配子种类数及其比例”，直观性强。减数分裂学完后，再来分析这个模型：其一，可以直观理解“一个细胞与一个个体产生配子种类数的区别”；其二，可以理解自由组合定律发生的条件“位于非同源染色体上的非等位基因发生自由组合”（小球代表染色体，字母代表染色体上的基因）。
（2）实践性。国家《普通高中生物课程标准》确定的能力包括3个方面，即操作技能、信息能力和科学探究能力[5]。2017年版《普通高中生物学课程标准（修改稿）》基本理念强调“教学过程重实践”。常规教学中“基因自由组合定律”多采用多媒体动画演示，虽有直观性，但学生失去操作、体验的机会。而学生共同参与，“抓球”体验分离定律与自由组合定律的发生过程，动手动脑，实践操作，兴趣浓，印象深，符合课标理念。
（3）拓展性。若要进一步模拟3对等位基因的自由组合，再向小桶中投入两个小球（与前4只小球大小不同，标记相关基因）代表第3对等位基因即可（3对以上以此类推）。通过课后模拟操作，统计可产生8种配子；4对等位基因可产生16种配子；n对等位基因（位于非同源染色体上）将产生2n种配子，这是一个开放的模型。对比1对等位基因与n对等位基因结果的复杂程度，学生可以体会由“单因子到多因子研究方法”的优势，理解孟德尔取得成功的原因。
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注意事项
3.1
小球的选择
所选取的相同大小小球之间应具有相同的手感，以保证模拟遗传定律的科学性。小桶代表性原细胞，细胞内基因成对存在，若考虑两对等位基因，只能装入4只小球（两大两小）。注意区别于“性状分离比的模拟”实验中的两只小桶分别代表雌雄生殖器官，精巢（卵巢）中自然含有很多的生殖细胞，当然每个小桶中应装入较多数量相等的两种小球。
3.2
数据纪录与统计
由于一个性原细胞一次减数分裂能产生两种（4个）子细胞，抓取一次请记录手中、桶中的“组合类型”。
统计“配子”种类及出现次数的过程中，Microsoft
Excel工作表能对部分学生统计数据的失误做出及时反映，这可以帮助学生体验孟德尔实验中准确、细致计数的优秀品质。
3.3
复制问题
该模型未考虑DNA复制（基因复制）。若将每个小球设计成能分开的两部分，分别写上相同的相关基因，演示减数分裂更准确，但增加了复杂性，不能突现基因的遗传定律，建议暂不考虑复制情况，给学生说明即可。
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教学效果
4.1
激发学生学习的兴趣
在高中生物课堂教学中，
教师常利用多媒体课件向学生展示一些难以理解的知识，而忽略了游戏的巨大作用，剥夺了学生参与的机会（有些学校连教材实验“性状分离比的模拟”也不进行）。有些教师认为游戏教学手段对小学生比较适用，对于高中学生显得有点“幼稚”，其实不论是哪个年龄阶段的人群，都有喜欢游戏的天性。
4.2
促进学生认知水平的发展
根据皮亚杰的儿童智力理论，儿童在活动的基础上，建立了认识的“图式”，即脑内的模型，人们总是用自己已经在脑内具有的图式去认识事物。如果一个事物能纳入已有的“图式”，这就是“同化”。反之，如果一个事物不能纳入已有的图式，就要调整改造，重建已有的“图式”，这就是“顺应”。主体的“图式”能再现客体，客体符合主体的“图式”，这种状态即同化与顺应的平衡。人类的认识就是在图式的同化-顺应-平衡过程中发生、发展的。学生参与了“性状分离比的模拟”，建立了自己的“图式”，“自由组合定律模型”是发生了“顺应”，体现了基因分离定律是自由组合定律的基础，学生深刻体会到两者的关系，实现了“平衡”，迁移能力得到发展，促进了认知水平的发展。
4.3
突破难点知识，体验模型建构是一种科学研究的方法
模型、标本等是通过人工设计、仿造的事物，都与真实事物的大小和复杂程度有所不同，但在教学上的应用比真实事物更易于领会，模型的直观性、参与性、概括性巧妙的突破教学难点，加深对生物规律的理解。
建构模型是以研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法，是以简化和直观的形式来显示复杂事物或过程的手段。在生物教学中，创造性的改造教材已有的模型，引导学生理性思维、科学探究，体会模型建构是一种科学研究的方法，培养学生的科学精神和价值观。
参考文献
[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物课程标准:实验[M].北京:人民教育出版社,2003.
[2]国家研究理事会.美国国家科学教育标准[M].戢守志，等，译北京:科学技术文献出版社，1999:128-215.
[3]朱正威,赵占良.必修2遗传与进化[M].北京:人民教育出版社,2007:6.
[4]朱正威,赵占良.必修1分子与细胞[M].北京:人民教育出版社,2007:54.
[5]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,2003,38(5),28-30.
