巧用撲克牌設(shè)計(jì)自由組合定律的模擬實(shí)驗(yàn)

韋勝秀

摘 要：利用撲克牌設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)，以期強(qiáng)化學(xué)生對(duì)自由組合定律的理解，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力和科學(xué)態(tài)度與價(jià)值觀。所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法既符合科學(xué)方法規(guī)律，同時(shí)增加了生物學(xué)習(xí)的趣味性，直觀性強(qiáng)，簡(jiǎn)易可行，易于拓展。

關(guān)鍵詞：撲克牌；自由組合定律；模擬實(shí)驗(yàn)

在中學(xué)生物學(xué)的探究過(guò)程中，有些研究對(duì)象由于受到時(shí)間和空間以及物質(zhì)條件等因素制約，是難以直接通過(guò)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論的。此時(shí)，用模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)，即模仿實(shí)驗(yàn)對(duì)象制作模型，或模仿實(shí)驗(yàn)中的某些條件來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使得抽象的生物學(xué)概念更為形象化、直觀化，不僅能夠使學(xué)生在探究中主動(dòng)理解生物學(xué)概念的實(shí)質(zhì)，更為重要的是使學(xué)生能夠體驗(yàn)科學(xué)過(guò)程，形成一定的科學(xué)探究能力和科學(xué)態(tài)度與價(jià)值觀，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，從而提高學(xué)生的生物學(xué)素養(yǎng)。本文就以撲克牌為材料，通過(guò)設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)強(qiáng)化自由組合定律的理解。

一、孟德?tīng)杻蓪?duì)相對(duì)性狀的雜交實(shí)驗(yàn)的模擬實(shí)驗(yàn)

1.模擬F1（YyRr）產(chǎn)生配子的情況

取撲克牌一副，去掉其中的大小王，用一種花色代表一種基因，即所有的方塊代表Y基因，所有的紅桃代表y基因，所有的梅花代表R基因，所有的黑桃代表r基因。將該副牌中所有的方塊、紅桃組合為一疊，充分洗牌；所有的梅花、黑桃組合為另一疊，充分洗牌，然后兩疊牌同時(shí)操作，在每一疊牌中抽出一張亮牌，一次操作所亮的兩張牌即為該親本所產(chǎn)生的配子。重復(fù)操作多次，并用畫(huà)“正”字來(lái)記錄配子類(lèi)型數(shù)目，統(tǒng)計(jì)各種配子比例，完成模擬F1（YyRr）產(chǎn)生配子的情況。值得注意的是，每一次亮牌后需放回重新洗牌，且兩疊撲克牌之間始終不能相混。

2.模擬F1（YyRr）自交產(chǎn)生F2的情況

取兩副牌，去掉其中大小王，一副牌代表雄性親本，另一副牌代表雌性親本。用上述方法同時(shí)操作兩副牌，每副牌每一次所亮的兩張牌就代表該親本所產(chǎn)生的一種配子。由于每一次亮牌前均充分洗牌，因此，每一次同時(shí)亮出的4張牌的兩兩結(jié)合即可模擬出雌雄配子的隨機(jī)結(jié)合。然后，重復(fù)多次操作，用畫(huà)“正”字來(lái)記錄所得到的F2基因型、表現(xiàn)型數(shù)目，統(tǒng)計(jì)出相應(yīng)比例，這樣就完成了F1（YyRr）自交產(chǎn)生的F2代的模擬實(shí)驗(yàn)。值得注意的是，每一次亮牌后需放回，重新洗牌，再進(jìn)行第二次操作，且每副牌的兩疊始終不能相混，兩副牌之間也始終不能相混。

3.分析與體會(huì)

（1）通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠體會(huì)到F2得到多種基因型和表現(xiàn)型的主要原因：F1形成配子時(shí)非同源染色體上非等位基因的自由組合形成了多種配子，于是，配子間的隨機(jī)結(jié)合導(dǎo)致了后代出現(xiàn)了性狀的自由組合現(xiàn)象。

（2）本模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要小組合作完成，一般建議4人小組，分工要明確，一人為組長(zhǎng)，一人記錄，兩人操作撲克牌。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與理論值存在差異，可引導(dǎo)學(xué)生分析出主要原因：重復(fù)操作次數(shù)不夠多，樣本較少。因此，建議小組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將全班各組所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)。

（3）浙科版教材中的模擬孟德?tīng)栯s交實(shí)驗(yàn)是用信封和自制卡片作材料進(jìn)行模擬的，教師前期準(zhǔn)備工作較大，且要求在信封中將卡片取出，操作不方便，并難以做到隨機(jī)性，因此，改用撲克牌作為材料進(jìn)行模擬，不僅使學(xué)生興趣濃厚，而且取材容易，操作方便，隨機(jī)性更容易做到。

二、減數(shù)分裂過(guò)程的模擬實(shí)驗(yàn)——拓展自由組合的實(shí)質(zhì)

1.精原細(xì)胞中染色體的模擬

取撲克牌中的方塊A、黑桃A、方塊K、黑桃K，共4張牌，縱向豎直對(duì)半剪開(kāi)，得到8張對(duì)半分開(kāi)的撲克牌，每一張牌代表一條染色體，強(qiáng)磁片代表著絲粒。

取兩張重疊方塊A和兩張重疊的黑桃A代表一對(duì)同源染色體，兩張重疊方塊K和兩張重疊黑桃K代表另一對(duì)同源染色體，分別用強(qiáng)磁片把牌中央固定在黑板上預(yù)先畫(huà)好的代表細(xì)胞核的圓圈中。這樣可模擬精原細(xì)胞中的4條未復(fù)制過(guò)的染色體。

2.減數(shù)第一次分裂過(guò)程的模擬

將重疊的兩張牌旋轉(zhuǎn)一定角度露出相應(yīng)數(shù)字，即可表示一條染色體復(fù)制后產(chǎn)生的兩條姐妹染色單體。通過(guò)擺放撲克牌在圓圈中的位置可模擬出同源染色體配對(duì)，四分體，同源染色體成對(duì)排列在赤道面上等減數(shù)分裂的現(xiàn)象。

通過(guò)方塊A與黑桃A的分離、方塊K與黑桃K的分離，方塊A既能與方塊K組合，也能與黑桃K組合，即可模擬出同源染色體分離和非同源染色體自由組合的現(xiàn)象。從而得到由含有姐妹染色單體的兩條非同源染色體組成的兩個(gè)次級(jí)精母細(xì)胞的模型。

3.減數(shù)第二次分裂過(guò)程的模擬

選取一種組合方式產(chǎn)生的兩個(gè)次級(jí)精母細(xì)胞，再通過(guò)擺放撲克牌可以模擬減數(shù)第二次分裂各時(shí)期的染色體分布圖。值得注意的是，將交叉的兩張相同A分開(kāi)，再分別用強(qiáng)磁片固定，可模擬減數(shù)第二次分裂后期著絲粒分裂，姐妹染色單體分開(kāi)現(xiàn)象，從而得到染色體組成兩兩相同的4個(gè)精細(xì)胞。

4.將基因定位在染色體上體驗(yàn)自由組合定律

在上述減數(shù)分裂過(guò)程中，如將撲克牌中的字母表示基因，即方塊A和黑桃A代表一對(duì)等位基因，方塊K與黑桃K代表位于另一對(duì)同源染色體上的等位基因。那么，在同源染色體上的等位基因分離的同時(shí)，非同源染色體上的非等位基因自由組合現(xiàn)象就一目了然了。

5.分析與體會(huì)

（1）通過(guò)上述模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能自主體驗(yàn)到自由組合發(fā)生的 時(shí)間是有性生殖產(chǎn)生配子的過(guò)程中，即減數(shù)第一次分裂后期。學(xué)生親身體驗(yàn)后，也能明確自由組合的本質(zhì)是指同源染色體上的等位基因分離的同時(shí)，非同源染色體上的非等位基因自由組合。

（2）學(xué)生通過(guò)撲克牌的擺放能主動(dòng)體會(huì)同源染色體、四分體、自由組合等減數(shù)分裂過(guò)程中的重要特征，同時(shí)也可以拓展模擬減數(shù)第一次分裂過(guò)程中一對(duì)同源染色體未分離或減數(shù)第二次分裂中著絲粒分開(kāi)而姐妹染色單體未分離等異?，F(xiàn)象，有利于學(xué)生思維的拓展。

三、總結(jié)與思考

1.通過(guò)上述兩個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅能夠直觀地體會(huì)孟德?tīng)柕碾s交試驗(yàn)，體驗(yàn)自由組合的現(xiàn)象，體驗(yàn)非同源染色體上的非等位基因自由組合及配子的隨機(jī)結(jié)合引起了后代性狀的自由組合的現(xiàn)象，而且也能夠進(jìn)一步理解自由組合定律的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)——減數(shù)分裂，從而加深對(duì)自由組合的實(shí)質(zhì)理解。

2.撲克牌作為模擬實(shí)驗(yàn)的材料，能夠有效地發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，不受現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)物質(zhì)條件的限制。這也體現(xiàn)了模擬試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，易于操作，直觀形象。當(dāng)然，模擬實(shí)驗(yàn)也有缺點(diǎn)，如，準(zhǔn)確度不是很高，容易發(fā)生主觀原因?qū)е碌腻e(cuò)誤等。因此，教師在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)要注意培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法，注重實(shí)驗(yàn)原理的分析與討論，正確理解模擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)原型的科學(xué)類(lèi)比關(guān)系。

（3）模擬實(shí)驗(yàn)一般是通過(guò)學(xué)生小組合作探究完成的，這就要求教師在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)首先要注重學(xué)習(xí)小組的建設(shè)，明確分工。其次，教師要給予學(xué)生適當(dāng)?shù)乃季S拓展空間，避免學(xué)生局限于教材或教師的設(shè)計(jì)思路，機(jī)械地進(jìn)行模仿。另外，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后還需要組織學(xué)生進(jìn)行討論分析、總結(jié)歸納。

編輯 武慧慧