“孟德尔定律”的教学组织

2009年 第 44卷 第 10期 生 物 学 通 报 27 “孟德尔定律"的教学组织 于 勃毛 (北京大学附属 p学 北京 100191) 中国图书分类号 ：G633．91 文献标识码 ：C 19世纪 中期 ，在 布隆修道 院的花同里 ，孟德 尔 种植豌豆、山柳菊 、玉米等植物，进行植物杂交试 验 ，通过对豌豆试验现象 和研究 ，发现 了生物 遗传 的分离定律 和 自由组 合定律 ．后人 称为孟 德 尔定律。本文主要探讨高中生物学新课程中有关 孟德尔定律 的教学组织 。 1 教学 内容 与 目标分析 1．1 教 学 内容 “孟德 尔定 律 ”是 高 中生物 学新 课程必修模块 Ⅱ的第 3单元 内容 。《标准》对该单 元学 习内容 的具体要求是 ：分析盂德尔遗 传实验 的科学方法 ；阐明基因的分离规律 和 自由组合规 律 ：模 拟植物或动物性状分离 的杂交 实验 ；举 例说 明基 因与性状 的关 系。依据 上述 内容标准 ，有关孟 德尔定律的知识结构体系大体如下： 图 1 “盂 德 尔 定 律 ”思 维 导 图 从图示 中看出，本单元的核心内容应包括：孟 德尔的遗传试验、遗传因子假说及验证 、表现型和 基 因型 、孟 德尔定律及应用 ，其 中 ，孟德尔 的假 说 、推测 、检验和结论 ，是本单元教学 的重点。 1．2 目标分析 1．2．1 知识 目标 简述豌豆试验材料的特点 ，描 述孟德尔 的豌豆杂 交试验 程序 ，说 出孟德尔搜 集 、 整理 和解读 数据的方法 ，分析孟德 尔获得试验成 功 的原 因 ，概述孟德 尔研究的杰出贡献 ：简述孟德 尔发现遗传定律的试验依据，假设及推测，验证及 结论 ，模 拟或 尝试 植物或动物性状 分离的杂交实 验 ，阐明分离定律 和 白南组合定 律的基本要点 ，运 用分离定律和 自由组合定律解释一些遗传现象 ： 举例说 明基 因型是 性状表现的决定 因素 ，环境对 基 因表 型效应 的影 响 。 1．2．2 能力 目标 学会 选择 用 于遗传 研 究 的实 验材料 ，模仿母本去雄 、套袋隔离和人工辅助授粉 的操作过程 ：模拟 探究杂种 自交后代 的性 状分离 比，学会用概率统计分析不同性状的自由组合现 象 ；学会设计一个测交实验程序 ，用假说一演绎法 验证 F。的遗传组成及行为。规范地绘制 1对或 2 对相对性状的遗传实验图解 ，用孟德尔定律解决 医学或育种实践 中的具体 问 。 1．2．3 情感 、态度与价值 观 解读孟 德尔获得成 功的原因，提高学习生物学的兴趣和对生命科学 的热爱。“学习生物科学史能使学生沿着科学家探 索生物世界 的道路 ．理解科学 的本质和科学研究 的方法 ，学习科学家献身科学 的精 神。” 2 教学过 程与活动组织 “孟德尔的功绩在于发现了 2条遗传基本定 律，从而奠定了现代遗传理论的基础。” 这是生 命 科学史上的一项经典工作 。本 单元 的教学策 略 应以孟德尔的遗传研究与发现为知识链 ，以基因 的遗传方式为核心 ，主要讲述 等位基 因的遗传行 为和非等位基因之间的遗传关系。体验科学家探 索生物奥秘 的过程 。 2．1 分离定 律 2．1．1 新课引入 ：生物遗传的假说 以 1对相对 性状的遗传实例引入新课。人们对生物遗传提出 了“融合遗传”的假说 。例如，达尔文认为亲代的 相对性状在杂种后代中融合成为新性状出现，子 代性状是亲代性状的平均结果 ．类似液体的胚芽 融合的结果 ，以这种方式遗传的性状在后代中不 28 生 物 学 通 报 2009年 第 44卷 第 J0期 分离 。那 么 ，1对相对性状的杂交试验结果究竟是 怎样 呢? 2．1．2 孟德尔和他 的豌豆杂 交试验法 首先 ，组 织学生通过 阅读相关的课 文 ，了解孟德尔 的生平 及其对遗传学发展的贡献。进而借助于视频或图 片向学生呈示豌豆花 、豆荚、种子等相对性状，并 介绍豌豆作为实验材料的优点：①易于栽培 ，严格 的自花 、闭花授粉植物；②豌豆的品种多 ，有些性 状易于区分；③豌豆花大，杂交时容易操作；④豆 荚成熟后籽粒留在豆荚中易于观察和计数。让学 生感悟 到孟德尔筛选有 7对 明显相对性状 的豌豆 品种作为实验材料，体现 他从事遗传研究的严 谨性 ．是他取得成功的原 闪之一 具有相 对性状的纯 系 !! 芒本-(_6一)一： 一 墨享一 一一 一 自交 O 卜 性状表现 杂种后代( ) J 遗传 子的差异 遗传 子的关系 遗传因子的传递 图 2 孟 德 尔 的 豌 豆 杂 交 试 验 法 孟德尔提出的植物杂交试验法．是他对遗传 学发展的重大贡献之～ 教学时可以图 2为思路 ， 边板图 、边讲解杂交亲本 P、母本 、父本 6、杂 交×、正交 和反交 、杂种第 1代 F，、白交o 、子二代 F：等相关概念的名称和符号，结合图片介绍母本 去雄、套袋隔离、人_T辅助授粉、收获种子等杂交 试验程序。 2．1．3 发现 问题和 提 出问题 孟德 尔在 进行 杂 交试验时 ，善于发现 问题和提出问题是他取得 成 功的原因之二。教学中可以豌豆植株高度性状或 花色性状为例学习。首先要结合 1对相对性状的 杂交 实验图解 ，阐明(1对 )相对性状在杂交子代 、 杂种(自交)后代的遗传表现，使学生明确显性性 状、隐性性状和性状分离等概念的内涵，以及它们 与相对性状之 间的从属关系。进而要提醒学生注 意 ，孟德尔运用数学统计来分析 和描述 1对相对 性状的遗传表现，并从豌豆 7对相对性状遗传表 现 的一致性 中发现 F 全部表 现显性 ， 出现 3：1 的性状分离不是偶然 的 ．而是蕴含着一定的规律 性。由此，孟德尔提出2个问题：子一代为什么只 表现显性性状 ?杂种后代为什么出现一定 比例的 性状分离呢? 2．1．4 提出假说，作出解释 这部分内容是本单 元教学的核心。教学时 ，首先让学生意识 到用 当时 流行的“融合遗传”观点是 不能解释孟德尔观察 到 的试验现象及其发现和提出的问题，孟德尔提出 遗传因子假说来探讨问题的。 向学生介绍孟德尔假说时要条理清晰，先说 明假说的基本要点：①相对性状由对等性遗传因 子决定 这些因子就像一个个独立的颗粒 ，不会相 互融合和沾染，也不消失，显性性状受显性因子控 制，而隐性性状由隐性因子控制 ；②体细胞中遗传 因子是成对存在，配子中只含有成对遗传因子的 1个 。然后 ，启发学生 比较说 明孟德 尔的“颗粒遗 传”假说与“融合遗传”观点的区别。最后，用等位 基因代替对等性因子概念．并借助于思维导图帮 助学生理解孟德尔假说的要点。例如，豌豆植株高 度(高与矮 )受 l对等位基因(D—d)的控制： } l f显性基因(O) 显性状状(高 1 等位基因(D-d){ )相对性状(高与矮) I隐性基 (d)一 隐性基因(矮)J 图 3 等 位基 因控 制相对 性状 的图解 孟德尔用遗传冈子假说来解释问题是教学重 点之一。教学中通常是采取结合课本中的相关图 解进行讲解或者边板 冈 、边讲解 的教学方式 。孟德 尔解 释 F 的性 状表现 时 ，一方 面指出 F 是杂合 体 ，其体细胞内的等位基因(D—d)之间互不融合或 混杂，保持其各 自的纯洁性，另一方面强调其中的 显性基因对隐性基因有显性作用 。即用显性原理 对 F。的性状表现做出解释 。盂德尔解释 F 的性状 表现时，紧紧围绕着杂合体的配子生成和融合，首 先 指 fIJ杂合体 生成配 子时等位基 因发生分离 。各 进入配子 中，能产生 2种类型 、数 目相等的纯质配 子；然后 ，强调在雌、雄配子随机结合的情况下，会 出现一定 比例 的隐性纯合体 ，从 而对 F：的性状分 离现象做出合理的解释。学生习得减数分裂知识 后 ，就不难理解杂合体的等位基因行为及结果 ，但 学过受精作用知识后 ，还是难 以理解 F，配子随机 结合的必然结果。因此，通过组织学生参与“性状 分离比的模拟实验”能够帮助他们理解 F 雌 、雄 配子随机结合与 F，出现一定 比例的性状分离的 因果关系，即配子是亲体的产物，子体的根源，是 亲子之间相连续的桥梁 ，是基因传递的唯一媒介。 2009年 第 44卷 第 l0期 29 2．1．5 实验检验 、演绎推理 假 设正 确 与否必 须 经过 检验 ，盂德 尔是用 F。测交 实验 法和 F，白交 实验法来检验他 的遗 传因子假 说及推 理 的，教学 时 只介 绍 F 测交实验 法 。首先 ，启 发学 生从性状 分离 比的模 拟实验 中 ，领 悟到 F 配子种类 及 比例 对 F 性 状分离及 比例 起着决 定性 作崩 ，那 么 ，F 究竟是否杂合体呢?能否产生 2种类型 、数 目相等 的 子呢?这就提出检验假设的必要性。然后 ，借 助于课 文 中 1对相 对性状测 交 实验 的分 析 图解 ， 向学生介绍孟德尔根据遗传 因子假 说设计 的测交 实验及预期 ，以及他的测交实验获得 的实验数据 。 最后 通 过演绎 推理得 出相应 的实验结论 。由于受 传统教材的影响，往往误认为实验值与预期一致 就验证假设成立 。事实上 ，测交获得 的实验数据仅 仅是 用于演绎推理的 论据 ，还需要 通过一个严谨 的论 证过程 ，才能得 出相应 的论点 。演绎 推理 的过 程通常是 ：以 1～2个真实可信的事件为依据 ，推 出一个同样是真实可信的结论。由于配子是亲体 的产物，子体的根源 ，故测交子代的表现型及比例 真实地反映 F 生成 的配子种 类及 比例 ，因此 ， 根据配子 比可推知 ：①F 是杂合体 ；②F 生成配 子 时等位基 因分离 。 2．1．6 归纳总结 、表述原理 孟 德尔 的分离定律 主要 是揭示 F，出现一定 比例 的性状分 离 的机理 ， 对分离定律的表述涉及 ：杂合体内等位基因的相 互作用 ，杂合体生成配子 时等位 基因 的分离行 为 ， 以及受精时的随机行为，即纯洁性 、纯质性和纯合 性 3个方 面 2．2 自由组合定律 自由组合定律是 对 2对 (或 多对)相对性状进行遗传分析基础上，归纳总结出 的关于非等位基 因之 间独 立遗传 的规律 。教学 的 重点内容包括：不同性状的自由组合遗传现象，对 自由组合现象 的解释 ，测交检验及结 论等 。 2．2。1 识 别不 同性 状 的 自由组 合现 象 引导 !学 生 回顾孟德尔研究 的豌豆种 子形 状和子 叶颜 色时 进行的杂交试验，鼓励他们书写每对性状的遗传 图解 。质疑 ：如果将一粒黄色 、圆粒纯种豌 豆种子 和一粒绿色 、皱粒纯种豌豆种子分别 种植 ，再 进行 杂交实验将 会得到怎样 的实验结 果呢? 由此导 人 自由组 合定 律的教学活动 。 通过学 习孟德 尔的分离定律 ，学生 已经 知道 孟德尔 的遗传研 究课 题源于他对相 关杂交试验数 据的分析 ，因此 ，自由组合定律的教学起始，让学 生 阅读课 文中有关豌豆 2对相对性状 杂交试验 的 资料 ，启发 他们对豌豆种子形状 与子叶颜色 的试 验数 据分别进行 统计 分析 ，从 F 的粒形 与粒色 的 性状分 离 比均为 3：1的事实 中 ．确信豌豆 每对性 状 的遗传遵循 分离定律。在此基础上 ，引导他们综 合分析 F，的表现型及 比例，领悟到 9：3：3：1性状 分离比来 自于f3：1) ，从而明确凡是杂种后代性状 分离 比例为f3：11n的遗传 表现 均属于不 同性状 自 由组合遗传现象 ，并 能够 区分杂种后代 中的亲本 型个体和亲本性状重组 型个体 ，以及亲本 型后代 和重组型后代各 自的比例。这样 ，学生就像孟德尔 那样 ，发现并提 出一个研究课题 ：不 同性状 自由组 合遗传现象是怎样发生的? 2．2_2 对 自由组合现象作 出尝试性解释 鼓励学 生用孟德尔遗传 因子假说 的基本 观点 。对不 同性 状 自由组合现象作出尝试性解释，既有利于激发 学生的学习积极性 ，又促使他们独立学习和思考。 在尝试性 解释过程 中，学生能够顺利 地写 出双亲 的基因型和 F 的遗传 因子组成 (YyRr)，在推 测 F 产 生的配子种类及其 比例 时 。他们 提出不 同的假 设 ．因而得出不 同的预期结果 ．用图解表示如下 ： 假设 l 假设2 配子 1／2YR l／2yr 1／4YYRR 1／4YyRr 1／2YR 黄圆 黄圆 r2 1／2v 1／4YyRr 1／4yy~ 黄圆 绿皱 T I／4YR 1／4Yr 1／4yR 1／4yr 1／4YR YYRR YYRr YyRR YyRr 1／4Y~ YYRr YYrr YyRr YylT 1／4yR YyRR YyRr vyRR yyRr 1／4yr YvRT YY wRr wⅡ 黄圆 黄皱 绿圆 绿皱 9／16 3／16 3／16 1／16 图 4 2 种 假 设 的 分 析 图 解 图解表明假设 2是成立的，进而让学生讨论 假设 2成立 的原因 ，确认 F 能够产 生 4种类 型 、 数目相等的配子是解释问题的关键。然后。借助图 解启发学生从 F 的每对基 因的遗传行为及其 2 对基因的遗传关系人手，探索 F，能产生的配子种 30 生 物 学 通 报 2009年 第 44卷 第 10期 类及 比例 ，从而解读不 同性状 自由组合的根本原 因。 ⋯ 每时 似 分离 ⋯ 一： V V Y ————————— R Y =二二二_： 一：． 二==Rr ■ 本 型 千 直组掣 十 图 5 F．2对 基因 的遗传 动态 图解 2．2．3 体会孟 德尔 测交法 的严谨 性 学 生 已经 熟知孟德尔是用测交实验法验证 F 的遗传组成 及其传递行为的。教学时，可先启发学生设计一个 验证 F，基因型的测交实验 ，鼓励他们写出测 交实验 的图解。然后 ，让他们阅读课 文中盏德尔对 自由组合现象解释的验证方案，通过思考回答：在 测交实验 中孟德尔为什么既做正交实验又做反交 实验 ．即在一组 实验 中 F．作母 本 ，在另 一组实 验 中 F 作父本 。学生一旦 领悟到 F，作 母本能够测 知其产生 的卵细胞种类 及 比例 ，F，作 父本则测知 其产生的精子种类及比例，就体会到孟德尔测交 实验法 的严谨性 。 2．2．4 表述孟德尔的 自由组合定律 首先让学 生陈述分离定律的实质——F 形成配子时等位基 因分离，并分析原因：F，等位基『大1分离是其产生 2 种类 型 、数 目相等配子的动因。由此启发学生 也从 杂合体内的基 因动态变化及结 果来表述 自由组合 定律。让学生依据图 5尝试 着表述 自由组合定律 的实质 ，在学生表述 的基础 ，教师 陈述 自由组合 定律 ：F 形成配子时，控制不同性状的遗传闶子 的分离和组合是互不干扰的，各内独立地分配到 配子 中去。这样 ，学生就理解 了 自南组合定律 又称 为独立分配定律 的道理 2．3 孟德尔定律的现代解释应用 在学习“遗传 的细胞基础”后 ，学生 已经掌握减数分 裂知识 ．用 染色体学说来阐明等位基因与同源染色体、非等 位基 因与非同源染 色体 的关系 ，有助于学生理解 杂合体内等位基因之间的相互作用，以及配子生 成时等位基因和非等位基因行为。教学时，先借助 于板图让学生在 1对同源染色体上识别出等位基 因，然后，在杂合体细胞内区分非等位基因和连锁 基因 ，从而为孟德尔定律的现代解 释奠定基础 野生型 (匿性)、＼ 衰变性 (隐性)一一／ 染包体 0 B 无效肚 』 # 口 效荩尸哥 § 图 6 等 位基 因与 同源染 色体 图 7 杂 合体 内基 因座位 分离定律的现代解释主要是对 F．基因座位 及行为的解释，概括如下表。自由组合定律的现代 解释主要突f_}；减数分裂过程中非同源染色体的自 由组合是非等位基因随机重组的细胞学基础。 F 基因座 位及行 为 表 述 解释 问题 位于同源染色体的相 F．等位基因保持各 I) 等位性 同座位上 ，具有一定 自的纯洁性(颗粒遗 的独立性 传) 减数分裂时随着同源 F，的雌 、雄器官分别 染色体的分离 ，等位 产生 2种类型、数量 2) 分离性 基因分离并分别进入 相等的纯质配子(即 一 个 配子 配 子 比为 1：1) 受精时独立地随配子 F 出现一定 比例的 3) 随 机性 传递至后代 隐性纯合体 表现型与基因型的关系。在解释孟德尔遗传 现象时，不能回避生物体的基因组成与性状表现 的关系。教学时 ，首先让学生通过阅读课文弄清基 因型和表现 型的定 义，进而鼓励学生用实例说明 基因型与表 现型之 间的因果关系。然后 ，教师通过 列举环境温度对藏报春花色的影响 、性激素对人 的秃顶性状的影响等实例，使学生明确表现型是 基因型与环境条件相互作用的结果。 孟德 尔 定律 具 有 重要 的 理论 意 义和 实践 意 义。即孟德 尔定律 的应用 。教学时 ，关 于该定律的 理论意义主要强调 2点 ：一是促进对基 因本质的 研究，带动遗传学的崛起和迅速发展 ；二是揭示基 因重组是生物变异的原因之一。实践意义主要体 现在医学遗传学和生物育种学方面，有关医学遗 一 锁 D ～c 瞬 2009年 第 44卷 第 l0期 生 物 学 通 报 31 “减数分裂与受精作用"的教学组织 王春 易 (北京市十一学校 北京 100039) 中国图书分类号 ：G633．91 文献标识码 ：C 高 中生物学课程标 准在“遗传 的细胞 基础 ”模 块选取减数分裂和受精作用 等知识 ，主要 是从细 胞水平阐明生命的延续性 ，即生物体通过减数分 裂产生配子，雌、雄配子通过融合将双亲的遗传信 息传递给子代 。本文将对减数 分裂和受精作 用 的 教学组织提 m一些建议供您 参考 。 1 课题 内容 在进行有性 生殖生物 的生 活周期 中 ，减数分 裂和受精作用具有重要 意义。新 课标 的具 体 内容 标准 中要求 ：阐明细胞 的减 数分裂并模拟 分裂过 程 中染色体 的变化 ，观察细胞 的减数 分裂 ．举 例说 明配子的形成过程，举例说明受精过程。冈此，本 课 题的 内容组织应 紧紧围绕着 配子生成 和融 合这 个命题，阐明减数分裂的概念 ，动物的配子生成与 减数分裂的关系，高等动物的受精过程等。其中， 减数分裂过程 中的同源染色体行 为 ，以及 受精 过 程 中两性生殖细胞 的变化是重点 。 2 教学 目标 根据课程标 准的具体 内容 ，本课题 的知识 要 点及学习 目标可 以细化如下 ： 2．1 知识 目标 解析减数分 裂的概念 ，找 出减数 分裂区别于有丝分裂 的特殊性 ：说出绿色开 花植 物和人 体减数 分裂发 生 的时间 和部位 的特殊性 ： 概述 减数分裂过程的特殊性 ，阐明同源染色体 的 概念，描述减数分裂过程中染色体行为变化：说出 减数分裂结果的特殊性。图解高等动物的精子发 生过程 ，比较卵细胞发生 与精 子的异同。说 m高等 动物卯细胞受精 的部位 ；概述 卵细胞受精 的过程 、 条件和意义 2．2 能力 目标 制作减 数分裂 的简易模 型 ，模 拟 减数分裂 中染 色体 的变化 ：观察牡丹花粉母 细胞 或蝗虫精母 细胞 减数分 裂 的(永 久 )装 片 ，识别 同 源染色体的行为变化。绘制减数分裂过程中染色 体数 目和 DNA含量的变化曲线，注明染色体行为 与其数 目变化 的关 系。分 析说 明减数分裂 与配子 发生的关系 。 2．3 情感、态度与价值观 参与有关探究遗传的 细胞基础的学 习和实验观察 活动 ，认 同配子在传 种接代中的作用 ，为了自身和后代的遗传健康养 成 良好的生活 习惯 。 3 教学过程 与组织 本课题 的学 习内容 丰富 ，由于篇幅 的限制 ．本 文着重 阐述减数分裂 的过程 和结 果 、精子发生 与 减数分裂的关系 、受精过程 中生殖细胞 的变化 等 知识 点的教学组织 。 3．1 复习 已有知识 ，导人新课题 初 中阶段学 生 习得有性生殖知识 ，教学 时先播 放一段有性生殖 的视频 ，唤起学生对有性生殖过程 的回忆 ：亲代一 三—∈ ∈ { ∈ 暑 暑 e C e ∈∈ 传 学知识要重视用典型实例说 明孟 德尔定律 是遗 传病分析和诊断的理论依据。杂交育种包括：选择 亲本 、进行 杂交 、杂种 后代选 育 等步骤 ，教学 时可 用 问题 串的形式促 进学生 思考 ，不要 急于 “灌输 ” 问题的答案。例如，①按照分离定律选择怎样的亲 本?②按照独立分配定律选择怎样的亲本?⑧怎样 防止亲本自交?④在自然环境中怎样防止他交?⑤ 怎样保证双亲杂交?⑥说明选择杂种后代的时机； ⑦说明选择杂种后代的类型；⑧说明选择杂种后 代的数量 ；⑨说明对选择的杂种后代进行培育的 方法 ；⑩若杂合体小麦(DdTt)高杆抗锈 ，从它的自 交后代 中选育矮秆抗锈病 的品种 ，对选择 的杂种 后代大约需要培育几年?等等。 主要参考 文献 1 郑春 和．注重 生物 科学 史 的学 习．生 物学 通报 ，20o4．39(1 1)： 27— 30． 2 [美]摩尔根．基}；I；=I论．北京：北京大学出版社，2007． 3 郑春和．“遗传与进化 ”模块的解读．生物学通报，2004，39(5)： 28— 31． 4 王亚馥。戴灼华．遗传学．北京 ：高等教育出版社 ．2004． 5 吴相钰．陈阅增普通生物学．北京 ：高等教育出版社．2005． (E—maihyuxuan@pkusehoo1．edu．on)