孟德爾遺傳實驗的教學難點分析

李能國

新課程倡導探究性學習，在學習遺傳的基本規(guī)律時，許多教師選擇的教學方法是讓學生從140多年前孟德爾的植物雜交實驗開始，循著科學家的足跡，探索遺傳的奧秘。

1865年，孟德爾在布隆自然研究協(xié)會上報告了他的實驗研究結果，第二年發(fā)表了《植物雜交實驗》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，我們幾乎沒有關于孟德爾的原始資料或靈感來源的直接信息。在教學的過程中，存在幾個難點需要突破：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?測交實驗是如何設計的?如果教師不能突破這幾個難點，教學將回歸到傳統(tǒng)的講授法，學生無法體驗和感悟科學的思想和方法。

1性狀分離比是3：1的原因

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

與前人不同的是，孟德爾分類處理了F2中被他們認為是無規(guī)律的變異，統(tǒng)計分析F2中數(shù)以萬計的種子和植株，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，從而建構了3：1的數(shù)學模型。這一數(shù)學模型可以排除環(huán)境因素、子代數(shù)量多少等無關變量的干擾，尋找出雜交實驗過程中相關變量之間的本質關系，使遺傳學的研究從定性描述向定量分析的方向轉變。

在教學過程中，教師先呈現(xiàn)孟德爾的豌豆雜交實驗結果，請學生比較F2中顯性與隱性個體的數(shù)量，然后計算顯性與隱性個體的數(shù)量比，分析這七個數(shù)據的大小，并探究其與F2的數(shù)量之間的關系，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。這是一個體驗的過程，由學生通過計算發(fā)現(xiàn)3：1的遺傳規(guī)律，而不是簡單的告知，為進一步探究作好鋪墊。

2提出遺傳因子假說的原因

孟德爾所處的時代，許多學者認為生物的遺傳是融合遺傳。達爾文提出“泛生子”假說，認為身體里的每個細胞都含有胚芽，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驗，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，并認為遺傳因子互不融合，互不干擾，獨立分離，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。教師可以進行一個演示實驗，將一杯紅墨水和一杯藍墨水混合，混合液是另一種顏色，卻再也無法分離出紅墨水和藍墨水。這個演示實驗其實是建構了一種融合遺傳的模型，當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)學生探究的欲望，通過學生大膽的想像，分組討論，遺傳因子的思想模型逐漸在學生頭腦中形成，并學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

當年，孟德爾提出遺傳因子的假說時，生物學界還沒有認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，孟德爾根據實驗現(xiàn)象提出遺傳因子在體細胞中成對存在，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想。

人教版《普通高中課程標準實驗教科書·必修2》中，教學內容的編排順序基本上按照科學發(fā)展的歷史進程來設計的，體現(xiàn)從個體水平、細胞水平到分子水平的遺傳學知識的內在邏輯聯(lián)系。當學生缺少減數(shù)分裂知識作為基礎時，推理出遺傳因子成對存在是教學的難點。

突破這個難點教師需要借助于遺傳圖解(圖1、圖2)，遺傳圖解將復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果，又可用來進行相應的判斷和推理。

教師先在黑板上繪出圖1所示的遺傳圖解，請學生分析每種表現(xiàn)型的個體所含有的遺傳因子，寫在相應的括號中，其中F1從雙親獲得D和d兩種遺傳因子。接著引導學生進行推理，雙親不可能將所有的遺傳因子傳給子代，否則子代細胞中遺傳因子將越來越多；F1產生生殖細胞時，D和d這兩種遺傳因子只有彼此分離，分別進入不同的配子中，后代才能出現(xiàn)矮莖性狀；如果F1產生雌雄配子中，含有D與d遺傳因子的概率相等，雌雄配子隨機結合，則后代高莖與矮莖的比為3：1，如圖2所示；當F1細胞中只有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行推理，猜想細胞中遺傳因子成對存在，教師還可以進行性狀分離比的模擬實驗，進一步認識和理解遺傳因子的分離與配子的隨機結合與性狀之間的關系，體驗孟德爾的假說。

4測交實驗設計的過程

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謹?shù)模鶕僬f進行演繹推理，巧妙地設計了測交實驗(即將F1與隱性純合子雜交)，再通過實驗檢驗演繹推理的結論。孟德爾的測交實驗結果完全符合他的理論假設，證明了他的假說是正確的。

在教學過程中，如何讓學生去設計測交實驗?想突破這個難點其實很簡單，首先教師需要告訴學生：一種正確的假說或者模型，不僅能夠解釋已有的實驗結果，而且還能預測其他的實驗結果，請學生自己去設計一種實驗方案，并運用遺傳圖解，預測實驗結果。這個任務對所有的學生都是一次挑戰(zhàn)，他們會逐步梳理出孟德爾已經做過的實驗，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，還沒有進行的實驗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產生的生殖細胞之類型及其比例，令人信服地證明遺傳因子分離假設的正確性。測交實驗是遺傳學分析的經典方法，學生通過分析、推理的體驗過程，才能真正感悟到測交實驗的完美和巧妙。

學習遺傳知識的過程就是探索遺傳奧秘的過程。運用探究性學習的方法，通過問題的提出和解決，讓學生受到科學方法、科學態(tài)度和科學精神等多方面的啟迪，激發(fā)學生的學習興趣，轉變學習方式，這是本節(jié)教材的教育價值所在。