“性狀分離比的模擬實(shí)驗(yàn)”改進(jìn)和拓展

摘 要：本文通過分析教材中“性狀分離比的模擬實(shí)驗(yàn)”存在的不足，對(duì)該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)分工和流程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)拓展延伸四個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，挖掘本實(shí)驗(yàn)存在的創(chuàng)新點(diǎn)和育人價(jià)值，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)的高效開展，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

關(guān)鍵詞：性狀分離比；模擬實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；實(shí)驗(yàn)拓展

文章編號(hào)：1003-7586（2024）09-0057-03 中圖分類號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

“性狀分離比的模擬實(shí)驗(yàn)”是人教版普通高中教科書《生物學(xué)·必修2·遺傳與進(jìn)化》（以下簡(jiǎn)稱“教材”）第1章第1節(jié)“孟德爾的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)（一）”的內(nèi)容，是在學(xué)生學(xué)習(xí)了孟德爾雜交實(shí)驗(yàn)中的性狀分離現(xiàn)象后開展的模擬實(shí)驗(yàn)，也是本專題的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生對(duì)孟德爾假說進(jìn)行具體的間接體驗(yàn)，通過實(shí)踐活動(dòng)，將抽象、微觀的遺傳因子分離、配子隨機(jī)結(jié)合與遺傳結(jié)果的關(guān)系直觀、清晰地呈現(xiàn)出來，幫助自身深刻理解基因分離定律的實(shí)質(zhì)，同時(shí)為學(xué)習(xí)基因的自由組合定律打下基礎(chǔ)。

模擬實(shí)驗(yàn)是用相應(yīng)的模擬裝置，并在人為控制研究對(duì)象的條件下進(jìn)行觀察，利用相似性原理模仿實(shí)際實(shí)驗(yàn)的某些條件而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。在模擬實(shí)驗(yàn)中，實(shí)際存在的研究對(duì)象為“原型”，代替“原型”的相應(yīng)模擬裝置為“模型”。 ［1］模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要教師合理篩選出與“原型”具有高相似度的“模型”，并從中挖掘其育人價(jià)值，這在實(shí)際教學(xué)過程中具有一定實(shí)施難度。

教材中本模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理為：兩個(gè)小桶分別代表雌、雄生殖系統(tǒng)，桶內(nèi)彩球分別代表雌、雄配子；實(shí)驗(yàn)者分別從兩個(gè)小桶中隨機(jī)抓取一個(gè)彩球模擬分離定律，不同彩球的隨機(jī)結(jié)合模擬受精作用過程中雌雄配子的隨機(jī)結(jié)合。

教材中本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)存在以下不足：①實(shí)驗(yàn)材料方面，本實(shí)驗(yàn)所用的模擬材料為小桶和彩球，采購(gòu)整個(gè)班級(jí)所需的小桶和彩球成本較高，材料不適用于教材其他實(shí)驗(yàn)，不具備重復(fù)使用性；小桶、彩球體積大，需占用較大的實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)存空間；②科學(xué)知識(shí)存在誤區(qū)，教材中未對(duì)雌雄配子數(shù)量和大小做區(qū)分，學(xué)生容易形成雌雄配子數(shù)量相等、大小一致等錯(cuò)誤認(rèn)知；③難以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的隨機(jī)性，本實(shí)驗(yàn)裝置開放，實(shí)驗(yàn)者能直接從小桶上方看到小桶里面的球，抓球時(shí)易受實(shí)驗(yàn)者主觀性影響；④數(shù)據(jù)的收集、處理耗時(shí)長(zhǎng)，容易出現(xiàn)誤差；⑤數(shù)據(jù)的分析過程容易在教學(xué)中被忽略。 ［2］

針對(duì)教材中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的以上不足，本文主要從實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)分工和流程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)拓展延伸四個(gè)方面對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和拓展，以便提高該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

1 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置

首先，筆者引導(dǎo)學(xué)生分析教材實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行優(yōu)化。圖1是學(xué)生小組合作設(shè)計(jì)改進(jìn)并組裝的模擬實(shí)驗(yàn)裝置：①將小桶和彩球改為其他易獲取的生活材料；②將雌雄配子的模擬材料在數(shù)量和大小上做區(qū)分；③將開放性裝置改為封閉性裝置，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的隨機(jī)性。

各小組將生活廢料用于組裝本實(shí)驗(yàn)裝置，促進(jìn)學(xué)生環(huán)保意識(shí)的形成，培養(yǎng)了學(xué)生的社會(huì)責(zé)任。改進(jìn)后模擬雌雄生殖系統(tǒng)的材料為：一次性紙杯、塑料罐、飲料瓶、圍棋盒、搖獎(jiǎng)箱、收納箱、扭扭蛋、玩具勺、玩具鍋。改進(jìn)后模擬雌雄配子的材料有：小彩珠、跳棋棋子、軟彈球、圍棋子、積木、骰子、小紙條、硬幣、撲克牌等。

其中撲克牌、骰子、硬幣、抽獎(jiǎng)箱的設(shè)計(jì)，都來源于日常生活中常見的概率游戲。骰子組用四個(gè)扭扭蛋分別裝上四個(gè)骰子進(jìn)行模擬，每?jī)蓚€(gè)扭扭蛋作為一組模擬裝置，一次搖動(dòng)四個(gè)扭扭蛋，相當(dāng)于進(jìn)行兩次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，縮減了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。搖獎(jiǎng)箱組的“生殖系統(tǒng)”裝上電池，實(shí)現(xiàn)“配子”的自由組合，搖獎(jiǎng)箱的搖動(dòng)過程中會(huì)有“配子”隨機(jī)從軌道中滑出，具有自動(dòng)化程度高、操作便捷的優(yōu)點(diǎn)，而且極大保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的隨機(jī)性。

在實(shí)驗(yàn)開始前，教師可以請(qǐng)各小組代表展示并介紹本組實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)、改裝思路，并利用如表1所示的實(shí)驗(yàn)裝置評(píng)分量表進(jìn)行小組之間的互評(píng)，主要從實(shí)驗(yàn)裝置的科學(xué)性、隨機(jī)性、重復(fù)性、美觀實(shí)用性、成本五個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)分工和流程

教材中建議兩人一組開展本實(shí)驗(yàn)，為了避免出現(xiàn)忘記放回彩球或者放錯(cuò)小桶等人為誤差，從而使最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，在人員安排上，本文將其優(yōu)化為四人一組，小組各成員間分工合作如下：學(xué)生A和學(xué)生B為抓球員，學(xué)生C為記錄員，學(xué)生D為監(jiān)督員。抓取十次“配子”后，小組成員間輪換一次角色，每組重復(fù)抓取彩球三十次以上。

3 優(yōu)化數(shù)據(jù)處理

為了強(qiáng)化學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析能力，提高實(shí)驗(yàn)效率和教學(xué)效果，本文優(yōu)化了數(shù)據(jù)匯總和處理方法，利用計(jì)算機(jī)在電子表格內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯總和處理。

3.1 記錄數(shù)據(jù)

在預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，課堂上教師布置設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表的任務(wù)，課堂上教師收集各小組完成的數(shù)據(jù)記錄表，進(jìn)行師生點(diǎn)評(píng)與探討，最終完善得出正式實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的規(guī)范表格（見表2）。小組開展實(shí)驗(yàn)的過程中，使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表如實(shí)記錄本組每一次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

3.2 匯總數(shù)據(jù)

教師提前設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表（見表3），并在表格中“全班匯總”一欄設(shè)置求和公式，在“性狀分離比”一列設(shè)置比例公式，所有小組可同時(shí)在線編輯同一個(gè)匯總表，教師在數(shù)字屏幕同步更新顯示數(shù)據(jù)。借助信息化技術(shù)，教師通過表格共享功能來匯總數(shù)據(jù)，極大地縮短了教師匯總?cè)鄶?shù)據(jù)的時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)效率，保證了本實(shí)驗(yàn)?zāi)茉谝?guī)定課時(shí)內(nèi)順利完成。

3.3 處理、分析數(shù)據(jù)

在數(shù)據(jù)處理時(shí)，教師采用電子表格自動(dòng)生成折線圖的功能，根據(jù)匯總表中“組號(hào)”“性狀分離比”“理論分離比”三列單元格數(shù)據(jù)，生成性狀分離比折線圖（見圖2）。各小組數(shù)據(jù)匯總后在折線圖中對(duì)比鮮明，一目了然。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論性狀分離比偏差較大的實(shí)驗(yàn)小組，教師應(yīng)引導(dǎo)該小組成員從實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)步驟等方面進(jìn)行誤差分析，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析能力。教師通過以上教學(xué)活動(dòng)來引導(dǎo)學(xué)生形成尊重事實(shí)和證據(jù)的意識(shí)，樹立崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的科學(xué)精神與求知態(tài)度，掌握減小實(shí)驗(yàn)誤差的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。

為進(jìn)一步研究樣本大小對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，教師可在實(shí)物實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合計(jì)算機(jī)開展虛擬實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與討論。此外，教師也可將教材中豌豆七對(duì)相對(duì)性狀的雜交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，按樣本量由小到大重新排序后展示給學(xué)生（見表4）。由此學(xué)生可以得到結(jié)論：隨著樣本量增大，實(shí)際性狀分離比會(huì)更加接近理論性狀分離比。從而進(jìn)一步明確實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)誤差和孟德爾假說的可驗(yàn)證性。

4 實(shí)驗(yàn)拓展延伸

教師以課后作業(yè)的形式，讓學(xué)生繪制實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，將本實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)用于模擬其他實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步拓展延伸，探究一器多用的優(yōu)化策略，建立多個(gè)研究模型。筆者根據(jù)學(xué)生提交的作業(yè)可以看出：有的學(xué)生將本實(shí)驗(yàn)裝置用來模擬一對(duì)相對(duì)性狀的測(cè)交實(shí)驗(yàn)；有的學(xué)生將裝置用來模擬男女性別比例。在學(xué)完兩對(duì)相對(duì)性狀的雜交實(shí)驗(yàn)后，又有學(xué)生提交新的裝置示意圖，學(xué)生將本實(shí)驗(yàn)裝置改裝后，用來模擬兩對(duì)相對(duì)性狀的雜交和測(cè)交實(shí)驗(yàn)。

本實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、處理方法，極大地縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間；強(qiáng)化了數(shù)據(jù)分析，培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)精神和態(tài)度；通過優(yōu)化教材實(shí)驗(yàn)、評(píng)價(jià)其他小組的實(shí)驗(yàn)記錄表和實(shí)驗(yàn)裝置，發(fā)展了學(xué)生的批判性思維；通過引導(dǎo)學(xué)生自行準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置，將生活材料廢物利用，培養(yǎng)了學(xué)生的環(huán)保意識(shí)和合作探究能力。

綜上，本實(shí)驗(yàn)的亮點(diǎn)可以用五個(gè)化來概括：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)自主化、實(shí)驗(yàn)過程合作化、數(shù)據(jù)處理信息化、課后作業(yè)探究化、教學(xué)評(píng)價(jià)過程化。筆者經(jīng)過研究和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，讓學(xué)生自行準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)裝置，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程，借助電子表格處理數(shù)據(jù)，并將模型研究拓展，在建模的過程中總結(jié)遺傳規(guī)律，很好地培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，提高了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析能力。本實(shí)驗(yàn)還需要注意以下幾個(gè)小問題：①部分學(xué)生的實(shí)驗(yàn)裝置噪音大；②實(shí)驗(yàn)材料過小易丟失；③教師在過程中需要強(qiáng)調(diào)操作步驟規(guī)范性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

參考文獻(xiàn)

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