資源簡介

“假說—演繹法”在建構生物學概念中的運用
——以人教版高中“基因在染色體上”為例
一、教材分析
“基因在染色體上”位于人教版 2019年版《必修 2·遺傳與進化》第二章第二節,教材的第 1章已經詳細闡述了基因的分離和自由組合定律，又在第 2章的“減數分裂和受精作用”一節中清楚地呈現了同源染色體分離以及非同源染色體自由組合的過程。而以上知識恰好可以作為本節課的學習支架，得出基因和染色體之間的平行關系這一論斷，進而引出薩頓“基因在染色體上”的假說。在科學史上,研究減數分裂的薩頓為提出者,摩爾根團隊在研究過程中以果蠅為實驗材料,運用假說-演繹法,“誤打誤撞”地成為證明者,這個過程正好落實了課程標準“概述性染色體上的基因傳遞和性別相關聯”的要求，為下一節揭示伴性遺傳的規律做了很好的鋪墊。本節課利用了假說演繹法研究方法，幫助學生通過科學思維以及團隊合作體驗了科學規律探究過程，進一步揭示了生命現象的本質，強化了生命觀念。
二、學情分析
通過第1章的學習，學生已經掌握了基因的分離和自由組合遺傳規律，清楚了等位基因發生分離，非等位基因發生自由組合的事實。在第 2章的“減數分裂和受精作用”中，學生又了解了有性生殖過程中染色體的行為變化，明白了在形成配子的過程中同源染色體要發生分離，而非同源染色體則要進行自由組合。本節課的要旨則是利用學生已獲得的知識和已生成的能力，尋找學習的最近發展區。讓學生通過親自動手模擬非等位基因和非同源染色體的分離及自由組合，幫助學生體驗基因和染色體之間的平行關系，進而深刻理解孟德爾遺傳規律的實質。
三、教學目標
本節課對應的課標要求是“有性生殖中基因的分離和重組導致雙親后代的基因組合有多種可能。概述性染色體上的基因傳遞和性別相關聯”。結合教材內容和學生實際情況，將本節課的教學目標設定如下：
1. 通過構建減數分裂過程中染色體的變化和孟德爾遺傳規律中基因的變化模型，運用歸納概括演繹推理等科學思維，闡明基因在染色體上。
2. 通過分析摩爾根團隊的科學史材料,推理“基因在色體上”的實驗證據,并運用“假說演繹法”體驗摩爾根證實基因在染色體上的實驗過程，認同科學研究需要團隊合作，大膽質疑及勤奮實踐。
3.運用有關“基因在染色體上”的觀點闡明孟德爾遺傳定律的實質,構建相關生物學概念。
教學重難點：
注重科學規律探究過程，如何揭示生命現象的本質及生命觀念。
四、教學設計思路
本節課以任務驅動的形式，用 3個任務單把本節課的內容聯系起來。在教學中采用構型構建，科學實驗數據的分析，科學探究方法指導、學生體驗式活動、學生展示、知識與能力生成。最后揭示遺傳規律本質的基本思路。
1.教學應用創新點
（1）將教學內容設計成三個體驗式學習活動，讓學生在活動中體驗知識，認識知識，理解知識，并在獲取知識的過程中提升能力，注重了知識和能力的生成性。
（2）利用學生活動，自主生成教學掛圖，該教具生動形象的展示出性狀的呈現規律，很好的幫助學生理解基因在染色體上的科學本質。
（3）整個教學過程充分以體驗和模擬的方式體現了生物學科科學探究、科學思維等學科素養的落實，師生配合默契。
（4）突出學生主體地位，重視學生核心素養的提升，通過學生活動，達成學生科學思維和科學探究素養的養成與提高。
五、教學過程
（一）創設情境，引入課題播放有關人類基因組計劃的視頻，思考：人的體細胞中有 46條染色體，但是揭示人類基因組遺傳信息的人類基因組計劃卻只測定人的 24條染色體的 DNA序列。為什么不測定全部46條染色體 為什么要對染色體進行測序呢 這說明基因和染色體之間存在怎樣的關系 學生：根據事實，思考和討論聯想到基因和染色體的行為存在某種關系，推測基因可能在染色體上，一條染色體上有許多個基因。
【設計意圖】從科學實驗的事實出發，創設問題情境，有目的地引導學生思考基因和染色體的關系，激發探究的興趣。（二）薩頓的假說教師引導：在第 1章我們已經學習了孟德爾遺傳規律，掌握了基因的分離和自由組合定律。在第 2章的“減數分裂和受精作用”中，我們又學習了細胞水平有性生殖過程中染色體的行為變化。現在請大家分組對減數第一次分裂后期染色體行為和配子形成中基因的分離和自由組合行為分別進行模擬，并對染色體和基因的行為進行比較分析。學生活動 1：體驗薩頓提出假說的過程活動要求：
①1、3、5、7組利用白色卡紙做載體，使用彩筆染色體的分離與自由組合結果。
②2、4、6、8組利用透明塑料紙模擬基因的分離與自由組合現象。
③將奇數組和偶數組的作品進行比較，分析染色體和基因之間的關系？學生展示，如圖所示，
將奇數組和偶數組的作品重疊后進行比較，偶數組（利用透明塑料紙做載體）作品在上，效果如圖
學生總結：染色體和基因的行為變化具有平行關系，經過類比推理，我們猜測基因極有可能就在染色體上。
教師：薩頓也是利用了同樣的方法，得到了同樣的假說。
【設計意圖】讓學生通過模擬活動，學生親身體驗薩頓提出假說的過程，比較分析、歸納總結，領悟內化思維方法。讓學生了解科學推理的邏輯性和嚴謹性，引出摩爾根的果蠅雜交實驗。
（三）基因位于染色體上的實驗證據
1. 觀察實驗、提出問題
①介紹果蠅并小組代表說說摩爾根為什么選用果蠅作為實驗材料？
②果蠅的紅眼和白眼性狀，哪種是顯性？為什么？
③F2中紅眼果蠅和白眼果蠅的性狀分離比是多少？是否符合分離定律？
④果蠅白眼性狀的遺傳有什么特點？如何解釋？要解釋這個現象，先了解果蠅體細胞染色體的組成。
介紹雌雄果蠅體細胞染色體的組成，并明確性染色體和常染色體的概念
2. 推理想象、提出假說如何解釋白眼性狀的遺傳總是與性別有關，對此摩爾根作出了什么假設？
假設一：控制白眼、紅眼的基因僅在 Y染色體上（即 X染色體上沒有它的等位基因）。用遺傳圖解對現象解釋假設二：控制白眼的基因僅在 X染色體上（即 Y上不含有它的等位基因）。
遺傳圖解對現象解釋假設三：控制白眼、紅眼的基因即在 X染色體上，又在 Y染色體上。用遺傳圖解對現象解釋通過經過討論認為假說一不能成立，因為如果假說一成立，即控制眼色的基因僅位于 Y染色體上,則紅眼和白眼性狀只在雄果蠅中出現,雌果蠅沒有該性狀,顯然不符合實驗現象。
學生活動 2：體驗果蠅雜交實驗分析過程教師提問：通過 F2中白眼果蠅全是雄性這一事實可以說明果蠅的眼色遺傳與性別相關聯，而果蠅的性別是由性染色體決定的，為 XY型，那么這是否意味著決定眼色的基因就在性染色體上呢？活動要求：
①繪制以 XY染色體表示的果蠅雜交實驗圖解。
②分組按照“假設二”“假設三”利用 W和 w基因貼紙，在繪制好的以 XY染色體表示的果蠅雜交實驗圖解上模擬摩爾根對果蠅雜交實驗的分析過程。
③統計后代表現型比例，對模擬結果中 F2的性狀及比例進行統計和分析。學生活動結果展示，如圖 5和圖 6
圖 6 模擬后以基因和染色體共同表示的遺傳圖解學生歸納：從上述遺傳圖解分析可知假說二和假說三都能解釋摩爾根的實驗結果，但是正確答案只能有一個，請同學們按照孟德爾的實驗設計思路，思考并設計實驗加以驗證。3. 演繹推理、預期結果啟發學生根據孟德爾豌豆雜交實驗中的方法，采用測交實驗來檢驗上述假說。學生分組依據假說二和假說三書寫測交遺傳圖解得到預期結果，并投影展示。測交實驗 1：利用 F1中的紅眼雌果蠅和白眼雄果蠅測交，預測結果如下：
測交實驗 2：利用白眼雌果蠅和紅眼雄果蠅測交，預測結果如下：
4. 測交實驗、驗證結果展示摩爾根的研究團隊進行了相關測交實驗結果：測交實驗 1用 F1中的紅眼雌果蠅和白眼雄果蠅測交得到的數據是紅眼雌果蠅、白眼雌果蠅、紅眼雄果蠅、白眼雄果蠅的數量分別為 129只、88只、132只、86只；測交實驗 2用白眼雌果蠅和紅眼雄果蠅測交得到的數據是紅眼雌和白眼雄果蠅的數量分別為 10635只和 9849只。學生分組討論上述實驗數據說明哪個假說是正確的？你能得出什么樣的結論呢？
實驗結論:控制白眼性狀的基因(w)在 X染色體上。
【設計意圖】
教學中創設問題情境，創設“爭相提問、爭相回答”的探究氛圍，培養學生的觀察能力和問題意識，讓學生自主的探究并展示書寫的遺傳圖解養學生實驗分析能力，規范的寫出遺傳圖解，來解決遺傳問題。感受科學家嚴謹治學的態度，在潛移默化中提升學生的生物科學素養。
(五)孟德爾遺傳規律的現代解釋學生活動 3：分組運用染色體的物理模型和帶有粘貼條的基因實物模型，把基因定位在染色體上并在黑板上模擬減數分裂的全過程。小組談論，分析和歸納基因的分離定律與自由組合定律的實質。培養學生動手動腦的能力。
【設計意圖】
讓學生動手操作，利用基因在染色體上的理論來解釋孟德爾遺傳規律，并分小組討論歸納兩大遺傳規律的實質。讓學生動手模擬減數分裂過程中基因和染色體行為的變化，思考：人類基因組計劃，為什么要測定 24條染色體上的 DNA序列,而不測定全部 46條染色體 學生：人有 22對常染色體和 1對性染色體。在常染色體中，每對同源染色體的形態、大小相同。結構相似，上面分布的基因是相同的或者是等位基因，所以只對其中 1條進行測序就可以了;而性染色體 X和 Y的差別很大，基因也大為不同，所以兩條性染色體都需要測序，因此人類基因組計劃測定了 22條常染色體和兩條性染色體 X和 Y,共 24條。如果測定 46條染色體，耗資巨大，工作量會增加一倍，但得到的絕大多數基因序列都是重復的。六、教學反思體驗式探究活動是一種發揮學生主觀能動性，通過學生自己的操作，使用成熟的科學探究方法，主動感知理解知識的內涵、外延以及與相近知識的邏輯關系，并在體驗中主動提升能力的教學活動。教師要在備課中做足功夫，準確找出學生學習的最近發展區、興趣點以及探究活動中的障礙。在活動設計時有的放矢，利用已有知識和方法建立探究框架，采用學生樂于接受和喜愛的方式開展活動，必要時要及時對難點進行點撥。本節課采用學習過的孟德爾遺傳規律和減數分裂知識建構探究框架，利用之前已掌握的假說演繹法和新學習的類比推理法作為方法指導，通過學生喜愛的繪圖和貼紙方式開展活動，幫助學生理解并建構本節課知識，通過探究在生成能力的同時得出實驗結論，達到對真理的認知。在教師主導的前提下，充分發揮和尊重學生的主體地位，利用學生的主動性落實科學思維、科學探究等生物學核心素養。

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