基因在染色體上」基於科學史的教學設計

1.教材分析

本節課是高中生物（人教版）必修2《遺傳與進化》第2章的第2節：基因在染色體上。之前，已經學習了孟德爾的兩個遺傳定律和減數分裂的過程。但此時學生對孟德爾定律和減數分裂過程的理解是相互孤立的，不能把減數分裂和生物的遺傳現象整合起來，這就很難理解基因分離和自由組合定律的實質。而本節課正是二者之間的橋樑，學生能夠通過基因和染色體的關係，把抽象的遺傳因子具體化，從減數分裂的角度理解基因的分離和自由組合定律的實質。也就是說，遺傳定律的發現是從性狀的遺傳規律來推測遺傳物質的傳遞規律；確定遺傳物質在細胞中的位置是從細胞學觀察的角度來直觀地認識遺傳物質的傳遞規律。本節課中薩頓的假說、摩爾根的果蠅遺傳實驗恰好從邏輯思維和實驗證據兩方面為兩者找到了結合點，即遺傳因子（基因）在染色體上。本節課還是後續內容如伴性遺傳、基因突變和基因重組、染色體變異、人類遺傳病等內容的基礎。

教材按照科學發現史的順序安排教學內容，有助於學生體驗科學的過程與方法，同時展示了科學結論的發展性和可修正性，對於學生質疑能力和批判性思維能力的培養起到了較好的作用。本節課科學史資料所蘊含的學生探究素材非常豐富，薩頓通過類比邏輯推理提出假說、摩爾根通過果蠅實驗驗證假說，體現了科學方法在科學發現中的重要作用。這些素材運用得當可較好地培養學生的探究能力與科學推理能力。

2.教學流程圖（複製不了，呵呵！）

3.教學過程

3.1什麼是類比推理？

用盡量生動的語言給學生講述阿基米德發現浮力原理的故事，並且提出問題：阿基米德是通過怎樣的推理方法把「人體進入浴池」和「皇冠體積測量」聯繫起來的？讓學生體會這種類比推理的方法後再告訴學生，日常生活中這種推理也很常見，比如現在的公務員考試就有許多相關題目，如：

82.（08年國家公務員行政能力測試，82）爭議：仲裁：聽證

A．訴訟：審判：旁聽 B．通貨膨脹：宏觀調控：貨幣政策

C．突發事故：現場搶救：善後處理 D．交通安全：交通法規：交通警察

讓學生嘗試選擇正確答案，然後請一位學生談談選擇的依據是什麼？該題需要比較三個詞之間的邏輯關係。「爭議：仲裁：聽證」之間的邏輯關係是：爭議可以通過仲裁這樣一個方式來解決，這個過程中可能存在聽證。最為匹配的是A：訴訟可以通過審判來解決，這個過程中可能存在旁聽。通過比較，找出相同點，是解決這個問題的關鍵。

以講故事的形式引入「類比推理」這種科學思維方法，再通過一個問題的分析讓學生體驗這種方法的應用，學生當然會對此感興趣，為下一步教學過程中類比推理方法的運用做好鋪墊。

3.2薩頓的假說—引導學生嘗試類比推理

薩頓將看不見的基因與看得見的染色體的行為進行類比，根據其驚人的一致性，提出基因位於染色體上的假說。該內容適合進行基於資料的課堂探究活動，可以根據下列材料和問題進行。活動完成後要注意提醒學生：類比推理的結論並不具有邏輯的必然性，其正確與否，還需要觀察和實驗的檢驗。

資料一：（可通過多媒體呈現）孟德爾定律重新發現不久，引起人們的極大興趣。1902年，美國遺傳學家薩頓（W.S. Sutton 1877～1916）認識到豌豆產生配子時遺傳因子（基因）的行為和減數分裂中染色體的行為有著精確的平行關係。

提出問題1：請分析遺傳因子（基因）和染色體的行為有哪些平行關係？嘗試總結出來。

根據學生的實際情況，教師也可以先引導學生分別複習孟德爾定律和減數分裂過程同源染色體的行為，在複習過程中給以提示，然後再讓學生總結歸納。目的是讓學生通過自主分析與思考，通過比較尋找二者的內在聯繫。可採用小組合作討論、代表展示的方式，這樣對學生來說，具有更大的挑戰性，更能激發他們學習的興趣和激情。最後教師引導學生一起總結歸納出下表。

提出問題2：通過對遺傳因子與同源染色體的行為變化的比較，展開你的想像，你能作出怎樣的推測或假設？

經過類比推理，學生一般都能從中悟出遺傳因子（基因）和染色體的本質聯繫。能夠在思考的基礎上提出2個可能的假設：①染色體就是基因；②可能基因在染色體上，染色體是基因的載體。

提出問題3：此時告訴學生，一個生物的性狀都是有基因控制的，大多數生物的性狀成百上千，這些性狀都是由基因控制的，但生物的染色體數目卻是有限的，比如，人的染色體只有23對，你能根據這個事實檢驗上述假設是否成立嗎？

很顯然，生物的基因數目遠大於染色體數目，經過思考，學生一般可以排除假設①，保留假設②。

假設②也正是科學家在當時得出的結論。把科學家的研究成果告訴學生，讓學生體驗自主探究獲得成功後帶來的樂趣。1902年，美國遺傳學家薩頓（W．Sutton，1877－1916）比較研究了減數分裂過程中染色體行為與孟德爾定律的遺傳因子的行為，二者有驚人的平行關係。這種比較研究的結果令他極為振奮，因為他已經意識到，基因很可能就在染色體上，由此提出了著名的「薩頓假說」。薩頓在「遺傳和染色體」一文（1903年）中說：「父本和母本的染色體聯合成對及它們在減數分裂中的分離構成孟德爾定律的基礎」。就是說，只要假定基因是在染色體上，分離定律和自由組合定律就會從細胞水平得到解釋。

現在我們也許認為「薩頓假說」並無驚人之處，但在20世紀初卻十分轟動，由此引發了一場激烈的爭論。薩頓雖然證明了基因行為和染色體行為是平行的，但是平行並沒有反映出兩者具有一定的前因後果和空間位置的必然聯繫，那麼基因和染色體的關係究竟是怎樣的呢？還必需通過一定的實驗予以驗證。

確實，薩頓提出的假說在當時並沒被多數人認同。持不同意見的人認為，基因和染色體的平行關係最多不過是彼此同時發生而已，把孟德爾的基因同染色體相提並論顯得有點似是而非，過於牽強。美國的哥倫比亞大學生物系的生物胚胎學家摩爾根(T. H. Morgan，1866～1945)受大學中學術氣氛的影響，終生信奉大學裡「一切通過實驗」的原則。他就認為孟德爾是「思辨」臆測，宣稱絕不接受這種「沒有實驗基礎」的理論。因此他試圖用實驗來解決這個問題。

3.3 基因位於染色體上的實驗證據

摩爾根(T.H.Morgan，1866～1945)幸運地得到一隻罕見的白眼雄果蠅，他的研究過程給我們教學提供了一個「假說--演繹法」的訓練素。

摩爾根的實驗結果（發現問題）→分析問題（提出假說）→對假說進行推理性解釋（演繹推理）→設計或分析實驗（驗證推理的正確性從而說明假設成立）。這個過程以基於資料的課堂探究活動為主線，把學習的權利還給學生，但注意適當的提示和點撥。讓學生不僅得到科學方法的訓練，而且能順利掌握基因位於染色體上的證據。

資料二（假說—演繹法之發現問題）：（可通過多媒體呈現，也可以講故事的形式呈現）1908年，摩爾根開始用果蠅作為實驗材料，研究生物遺傳性狀中的突變現象。1910年5月，摩爾根在紅眼的果蠅群中發現了一隻異常的白眼雄性果蠅。他以前從來沒有見過這樣的類型，因此這隻果蠅是罕見的突變品種。摩爾根激動萬分，將這隻寶貝果蠅放在單獨的瓶子中飼養。每天晚上，摩爾根帶著這隻果蠅回家，睡覺時將實驗瓶放在身邊，白天又帶著它去上班，生怕果蠅出現意外。在他的精心照料下，原本虛弱的白眼果蠅終於在與一隻紅眼雌性果蠅交配後才壽終正寢，將突變的基因留給了下一代果蠅，留給了苦心栽培它的摩爾根。十天後，第一代雜交果蠅長大了，全部是紅眼果蠅。不要為白眼基因的缺席擔心，按照孟德爾的學說，紅眼基因相對白眼基因是顯性，因此珍貴的突變基因只是躲到了後台。摩爾根當然不會放過檢驗前人理論的機會，他用第一代雜交果蠅互相交配，產生第二代雜交果蠅。焦急地等待了十天，摩爾根得到了第二代雜交果蠅，其中有3470個紅眼的，782個白眼的，基本符合3：1的比例。這下，摩爾根對孟德爾真正服氣了，實驗結果完全符合孟德爾從豌豆中總結出的規律。

當摩爾根用放大鏡再次定睛觀察這些白眼果蠅時，他發現了一個不同於孟德爾規律的現象。按照孟德爾的自由組合規律，那些長著白眼的果蠅，它們的性別應當是有雄性的，也有雌性的。然而這些白眼果蠅居然全部是雄性，沒有一隻是雌性的。也就是說，突變出來的白眼基因伴隨著雄性個體遺傳。摩爾根終於從果蠅身上看到了孟德爾在豌豆上觀察不到的現象。這種現象怎麼解釋呢？

資料三（輔助性資料）：（可通過多媒體呈現）20世紀初期，一些生物學家已經在一些昆蟲的細胞里發現了性染色體。果蠅的體細胞中有4對染色體，3對是常染色體，1對是性染色體，雌果蠅中這對性染色體是同型的，為XX；在雄果蠅中這對性染色體是異型的，為XY。生物的性別是由性染色體決定的，性別決定圖解如右圖。此問題初中曾學習過，可一帶而過。

提出問題4（假說—演繹法之提出假設）：摩爾根的白眼雄果蠅和野生紅眼雌果蠅雜交實驗，在F2中所有白眼果蠅全部為雄性，而生物的性別又是由性染色體決定的。發揮你的想像力，根據上述資料二和資料三，你能提出一個合理的假設嗎？

由於白眼性狀的遺傳總是和性別相關，所以白眼基因很可能就在性染色體上。根據資料的分析與推理，學生不難作出假設，一般能夠提出下列可能的假設:

假設1：控制白眼的基因在X染色體上，而Y染色體上沒有它的等位基因;

假設2：控制白眼的基因在Y染色體上，而X染色體上沒有它的等位基因;

提出問題5（假說—演繹法之演繹推理）: 如果假設1成立，你能寫出摩爾根的兩組果蠅雜交實驗的遺傳圖解嗎？如果假設2成立呢？通過遺傳圖解能否檢驗上述假設是否合理？學生可以畫出如下圖的遺傳圖解，並組織小組討論上述假設是否成立。

假設2不符合摩爾根的實驗結果，學生經過討論很快可以推翻假設2，並推知假設1剛好可以解釋實驗結果。根據合理的假設1，按照孟德爾的遺傳理論，應該如何設計實驗來驗證假設？同學們想一想，如果利用子一代進行測交實驗，我們會得到什麼結果？通過問題引導學生進行演繹推理。

學生回憶孟德爾的實驗理論，很容易想到測交實驗，經過思考和討論，可以推理出測交實驗結果應該為：紅眼（♀）︰白眼（♀）︰紅眼（♂）︰白眼（♂）＝1︰1︰1︰1。這就是我們演繹推理的結果，而這個結果需要實驗驗證才能成為支持假設的結論。

提出問題6（假說—演繹法之實驗驗證）:該實驗不適合在課堂上重演，但是可以通過實驗設計和分析的方法對學生進行科學方法訓練。回憶孟德爾的實驗方法，用遺傳圖解表示實驗過程。

通過小組展示→評價→修正，充分發揮學生自主、合作、探究學習的積極性。告訴學生摩爾根後來經過測交得到的實驗結果和我們的分析完全一致，讓學生在體驗成功的快樂中完成這次探究。

提出問題7：換個看問題的角度，請同學們嘗試根據以上的分析與推理來說明基因與染色體的關係？

這個問題的答案正是摩爾根最重要的收穫，白眼雄果蠅和野生雌蠅雜交，子一代雌雄個體交配，子二代只有雄性個體中出現白眼性狀，正好說明控制眼色的基因只存在於X染色體上，Y染色體上沒有它的等位基因。從而說明了，基因與染色體的關係，即基因在染色體上。

上述幾個問題的分析與推理，對於學生能力的提高很有幫助，較好地訓練了學生演繹推理能力，同時引導和幫助學生較好地理解基因在染色體上這一科學結論，而小組合作的探討過程又使學生的合作意識得到提升，養成更好的合作學習習慣。

資料四：（可通過多媒體呈現）人類基因組計劃表明，人有3萬多個基因。但是人類只有46條染色體。

提出問題8：染色體和基因的數量對應關係如何？一個基因一條染色體嗎？

該問題較簡單，學生通過思考可以得出結論：一條染色體上有多個基因（因為學生在課外對人類基因組計劃都有所了解，所以不作提示學生也完全能夠解決這個問題）。

簡單介紹基因的免疫熒光染色技術，結合課本上的彩圖，告訴學生利用現代生物化學技術完全可以直接觀察到基因在染色體上的分布情況。由此讓學生認同科學技術的發展對科學理論建立的影響作用。

3.4 孟德爾遺傳規律的現代解釋

我們已經知道了基因是在染色體上，能不能從減數分裂的過程中分析孟德爾的基因分離和自由組合的原因呢？這個問題是對學生進行模型方法訓練的較好素材。模型構建是高中學生必須掌握的科學方法之一，該方法是以簡化和直觀的形式來顯示複雜事物或過程的手段。該過程可以讓學生體驗減數分裂過程中染色體與基因的動態關係，理解配子形成過程基因表現出分離和自由組合的原因。

構建模型活動：請利用給出的材料，以小組為單位製作減數第一次分裂和減數第二次後期的細胞模型。材料：紅色和藍色橡皮泥（製作染色體模型）；標籤紙若干（可粘貼到染色體模型上標註基因）；白紙（畫出細胞輪廓）。讓學生按照下列步驟開始模型構建與探究。告訴學生，此過程的目的是體驗基因與染色體的動態平行關係。

①用橡皮泥製作兩對同源染色體（長的紅、藍各一個和短的紅、藍各一個），在相應位置粘貼標籤紙，用筆標註兩對等位基因Y、y和R、r。

②首先取其中1對同源染色體在白紙上畫出細胞輪廓，製作減數第一次分裂後期細胞模型，體驗基因和染色體的動態關係。

提出問題：在配子形成過程中，孟德爾描述的成對基因（遺傳因子）為什麼表現出分離？（該問題並不需要學生立即回答，而是用於指導學生進行思考。）

③把2對同源染色體都用上，製作減數第一次分裂後期細胞模型，體驗2對基因和2對染色體的動態關係。

提出問題：在配子形成過程中，孟德爾描述的控制不同性狀的2對基因（遺傳因子）Y、y和R、r為什麼表現出自由組合？（該問題並不需要學生立即回答，而是用於指導學生進行思考。）

在此過程中教師要對各組學生進行指導，解答學生提出的問題，並適時予以適當的評價。

提出問題9：回憶孟德爾的基因分離定律和基因自由組合定律的內容，既然我們已經知道了基因與染色體的關係，想一想，能不能利用減數分裂的知識對此進行完善？

對科學家的理論進行完善，具有挑戰性，學生很興奮也很感興趣。需要給學生留下足夠的討論時間，根據學生的討論的情況選擇小組代表進行展示，其餘小組修正，最後教師和學生一起總結歸納。教師最後指出：用遺傳的染色體學說能十分圓滿的解釋孟德爾定律。

該教學過程運用模型建構的方法，讓學生利用模型模擬減數分裂過程中染色體與基因的行為，具有直觀性、趣味性、易操作等特點，很適合在課堂上讓學生進行分組活動。學生親身經歷製作過程，就很容易發現其中的要素與關鍵。通過分組活動，便於合作交流，小組各成員能分工合作、相互促進和提高。他們不僅要動手做，而且要動腦想，突出模擬製作的教育價值。

4.教學體會與反思

本節課利用科學史發展過程中科學家對基因與染色體關係的探索與研究為主線，以基於類比推理、演繹推理、模型構建的科學思維方法訓練為核心，讓學生在學習基礎知識的同時得到科學方法與科學思維的訓練，並體驗科學理論發展的不斷完善過程與可修正性，認同科學技術的發展對科學理論建立的作用與影響。

生物科學史不僅提供了相關的科學知識，其中的科學推理、科學方法也是較好的教學素材，可以較好地讓學生領悟科學家是如何發現問題、尋找證據、合理推理的，體驗科學家不斷深化對問題認識的過程和科學探索的精神。所以，在生物教學中恰當地應用科學史，充分發揮其教育功能，將有助於我們實現「知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀」三位一體的課程目標。

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