李能國

新課程倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)遺傳的基本規(guī)律時，許多教師選擇的教學(xué)方法是讓學(xué)生從140多年前孟德爾的植物雜交實(shí)驗(yàn)開始，循著科學(xué)家的足跡，探索遺傳的奧秘。

1865年，孟德爾在布隆自然研究協(xié)會上報(bào)告了他的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，第二年發(fā)表了《植物雜交實(shí)驗(yàn)》一文。1868年，孟德爾被選為修道院院長。1884年，孟德爾去世，他的后繼者燒毀了他的私人文件。今天，我們幾乎沒有關(guān)于孟德爾的原始資料或靈感來源的直接信息。在教學(xué)的過程中，存在幾個難點(diǎn)需要突破：為什么性狀分離比是3：1?為什么提出遺傳因子的假說?遺傳因子為什么成對存在?測交實(shí)驗(yàn)是如何設(shè)計(jì)的?如果教師不能突破這幾個難點(diǎn)，教學(xué)將回歸到傳統(tǒng)的講授法，學(xué)生無法體驗(yàn)和感悟科學(xué)的思想和方法。

1性狀分離比是3：1的原因

18世紀(jì)以來，許多學(xué)者開展了大量的植物雜交的實(shí)驗(yàn)，但這些遺傳學(xué)研究的先驅(qū)過于注重對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的描述，而很少對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，更沒有把性狀分離看成是最關(guān)鍵的變化。德國植物學(xué)家格特納先后分析了近一萬個雜交實(shí)驗(yàn)，在玉米雜交實(shí)驗(yàn)中，他觀察到黃色子粒與其他顏色子粒的分離比例為3.18：1，然而他無法對此進(jìn)行解釋。

與前人不同的是，孟德爾分類處理了F2中被他們認(rèn)為是無規(guī)律的變異，統(tǒng)計(jì)分析F2中數(shù)以萬計(jì)的種子和植株，發(fā)現(xiàn)F2中的顯性與隱性個體數(shù)之比總是接近3：1，孟德爾敏銳地覺察到雜種后代表現(xiàn)出的這種3：1的性狀分離比，必然反映著某種遺傳的規(guī)律性，從而建構(gòu)了3：1的數(shù)學(xué)模型。這一數(shù)學(xué)模型可以排除環(huán)境因素、子代數(shù)量多少等無關(guān)變量的干擾，尋找出雜交實(shí)驗(yàn)過程中相關(guān)變量之間的本質(zhì)關(guān)系，使遺傳學(xué)的研究從定性描述向定量分析的方向轉(zhuǎn)變。

在教學(xué)過程中，教師先呈現(xiàn)孟德爾的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，請學(xué)生比較F2中顯性與隱性個體的數(shù)量，然后計(jì)算顯性與隱性個體的數(shù)量比，分析這七個數(shù)據(jù)的大小，并探究其與F2的數(shù)量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)F2的數(shù)量越多，顯性與隱性個體的比越接近3：1，從而得出F2中出現(xiàn)3：1的性狀分離比不是偶然的。這是一個體驗(yàn)的過程，由學(xué)生通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)3：1的遺傳規(guī)律，而不是簡單的告知，為進(jìn)一步探究作好鋪墊。

2提出遺傳因子假說的原因

孟德爾所處的時代，許多學(xué)者認(rèn)為生物的遺傳是融合遺傳。達(dá)爾文提出“泛生子”假說，認(rèn)為身體里的每個細(xì)胞都含有胚芽，親代的相對性狀在雜種后代中融合，成為新的性狀而出現(xiàn)，是類似液體的胚芽融合的結(jié)果，且以這種方式傳遞的后代中遺傳性狀不分離。

孟德爾通過豌豆雜交實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)無論是哪一對相對性狀，F(xiàn)1只表現(xiàn)出顯性性狀，F(xiàn)2中顯性與隱性的比為3：1，從而否定了融合遺傳，并感悟到“遺傳中有某些特征可看作是不可分割和顯然不變的單元”，提出遺傳因子的概念，并認(rèn)為遺傳因子互不融合，互不干擾，獨(dú)立分離，自由組合，具有顆粒性，因此稱為顆粒遺傳。1909年丹麥遺傳學(xué)家約翰遜將孟德爾提出的遺傳因子命名為“基因”。

如何提出遺傳因子來解釋3：1的性狀分離比這一現(xiàn)象，許多課堂缺少理想的過渡環(huán)節(jié)，而是教師直接告知孟德爾的假說。教師可以進(jìn)行一個演示實(shí)驗(yàn)，將一杯紅墨水和一杯藍(lán)墨水混合，混合液是另一種顏色，卻再也無法分離出紅墨水和藍(lán)墨水。這個演示實(shí)驗(yàn)其實(shí)是建構(gòu)了一種融合遺傳的模型，當(dāng)融合遺傳的假說不成立時，需要建立一個新假說或者模型來解釋性狀分離現(xiàn)象，從而激發(fā)學(xué)生探究的欲望，通過學(xué)生大膽的想像，分組討論，遺傳因子的思想模型逐漸在學(xué)生頭腦中形成，并學(xué)會用大小寫的英文字母來表示決定顯性和隱性性狀的遺傳因子，實(shí)現(xiàn)對原型的簡化和理想化。

3遺傳因子成對存在的原因

當(dāng)年，孟德爾提出遺傳因子的假說時，生物學(xué)界還沒有認(rèn)識到配子形成和受精作用過程中染色體有規(guī)律性的變化，孟德爾根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出遺傳因子在體細(xì)胞中成對存在，在配子中單個出現(xiàn)，這一創(chuàng)造性的假說是超越時代的非凡設(shè)想。

人教版《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·必修2》中，教學(xué)內(nèi)容的編排順序基本上按照科學(xué)發(fā)展的歷史進(jìn)程來設(shè)計(jì)的，體現(xiàn)從個體水平、細(xì)胞水平到分子水平的遺傳學(xué)知識的內(nèi)在邏輯聯(lián)系。當(dāng)學(xué)生缺少減數(shù)分裂知識作為基礎(chǔ)時，推理出遺傳因子成對存在是教學(xué)的難點(diǎn)。

突破這個難點(diǎn)教師需要借助于遺傳圖解(圖1、圖2)，遺傳圖解將復(fù)雜的遺傳過程簡單化，既可用來反映和解釋遺傳的過程和結(jié)果，又可用來進(jìn)行相應(yīng)的判斷和推理。

教師先在黑板上繪出圖1所示的遺傳圖解，請學(xué)生分析每種表現(xiàn)型的個體所含有的遺傳因子，寫在相應(yīng)的括號中，其中F1從雙親獲得D和d兩種遺傳因子。接著引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行推理，雙親不可能將所有的遺傳因子傳給子代，否則子代細(xì)胞中遺傳因子將越來越多；F1產(chǎn)生生殖細(xì)胞時，D和d這兩種遺傳因子只有彼此分離，分別進(jìn)入不同的配子中，后代才能出現(xiàn)矮莖性狀；如果F1產(chǎn)生雌雄配子中，含有D與d遺傳因子的概率相等，雌雄配子隨機(jī)結(jié)合，則后代高莖與矮莖的比為3：1，如圖2所示；當(dāng)F1細(xì)胞中只有D和d兩個遺傳因子時，雌雄配子中含有D與d遺傳因子的概率才能相等。

以上是通過遺傳圖解進(jìn)行推理，猜想細(xì)胞中遺傳因子成對存在，教師還可以進(jìn)行性狀分離比的模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步認(rèn)識和理解遺傳因子的分離與配子的隨機(jī)結(jié)合與性狀之間的關(guān)系，體驗(yàn)孟德爾的假說。

4測交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過程

孟德爾通過提出假說，對性狀分離現(xiàn)象的解釋在邏輯上是十分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，他根?jù)假說進(jìn)行演繹推理，巧妙地設(shè)計(jì)了測交實(shí)驗(yàn)(即將F1與隱性純合子雜交)，再通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)演繹推理的結(jié)論。孟德爾的測交實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合他的理論假設(shè)，證明了他的假說是正確的。

在教學(xué)過程中，如何讓學(xué)生去設(shè)計(jì)測交實(shí)驗(yàn)?想突破這個難點(diǎn)其實(shí)很簡單，首先教師需要告訴學(xué)生：一種正確的假說或者模型，不僅能夠解釋已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而且還能預(yù)測其他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，請學(xué)生自己去設(shè)計(jì)一種實(shí)驗(yàn)方案，并運(yùn)用遺傳圖解，預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這個任務(wù)對所有的學(xué)生都是一次挑戰(zhàn)，他們會逐步梳理出孟德爾已經(jīng)做過的實(shí)驗(yàn)，有純合的高莖豌豆自交、純合的矮莖豌豆自交、純合的高莖與矮莖豌豆雜交、雜合的高莖豌豆自交，還沒有進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)是純合的高莖與雜合的高莖豌豆雜交、雜合的高莖與純合的矮莖豌豆雜交。如果用純合的高莖與雜合的高莖豌豆雜交，理論上后代全是高莖豌豆；如果雜合的高莖與純合的矮莖豌豆雜交，理論上后代高莖和矮莖豌豆的比是1：1，反過來說明F1產(chǎn)生的生殖細(xì)胞之類型及其比例，令人信服地證明遺傳因子分離假設(shè)的正確性。測交實(shí)驗(yàn)是遺傳學(xué)分析的經(jīng)典方法，學(xué)生通過分析、推理的體驗(yàn)過程，才能真正感悟到測交實(shí)驗(yàn)的完美和巧妙。

學(xué)習(xí)遺傳知識的過程就是探索遺傳奧秘的過程。運(yùn)用探究性學(xué)習(xí)的方法，通過問題的提出和解決，讓學(xué)生受到科學(xué)方法、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神等多方面的啟迪，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式，這是本節(jié)教材的教育價值所在。