“性状分离比模拟实验”教具的改进与应用*
祝燕飞 （江苏省奔牛高级中学 江苏常州 213139）
“孟德尔豌豆杂交实验（一）”是人教版高中生物《遗传与进化》第1章第1节的内容，是学生学习遗传规律的基础，教学难点是对分离现象的解释，但由于遗传因子难以观察，遗传因子的成对存在、分离与组合，以及后代的数量比例对学生而言太过抽象，难以理解[1]。遗传模拟实验将抽象的遗传因子实物化，模拟遗传因子的分离及雌、雄配子的随机结合，得出后代的性状与比例，能使学生更好地体验与理解分离定律，提升学生深入学习概念时的参与感。
通过教学实践，发现教材中设计的“性状分离比模拟实验”有一定的局限性，因此，自制教具改进模拟实验，并对改进前、后的优、缺点进行了对比分析（表1）。
表1 “性状分离比模拟实验”改进前、后对比
50 mL锥形瓶、锥形瓶橡胶塞、透明塑料管（透明珍珠奶茶吸管，直径11 mm）、黑色油性笔标记D的黄豆、红色油性笔标记d的黄豆、剪刀、透明胶带、保鲜膜。
1）锥形瓶橡胶塞打孔，孔径11 mm左右；
2）将透明吸管（长约3 cm）固定在打孔的橡胶塞上，使其一端与锥形瓶内联通，另一端预留约1颗黄豆的空间，让学生能观察到黄豆上标识的字母；
3）透明吸管的另一端用透明薄膜封口；
4）取一个锥形瓶，瓶体标记“♀”，模拟母本生殖器官，“♀”锥形瓶中放入5颗标记D的黄豆模拟D雌配子，5颗标记d的黄豆模拟d雌配子；
5）另一个锥形瓶瓶体标记“♂”，模拟父本生殖器官，在瓶内放入20颗标记D的黄豆模拟D雄配子，20颗标记d的黄豆模拟d雄配子；
6）盖上制作好的带有透明吸管的橡胶塞。
应用1：模拟遗传因子的分离、配子的随机组合，得出F2基因型、表型及比例。
1）2人一组进行分组实验，2位学生分别将♀、♂锥形瓶中黄豆摇匀，将装置朝下倒立，观察并报出黄豆上的标记字母，其中一个学生同时负责记录字母组合（图1）；
2）将装置回正，使进入吸管中的黄豆退回小瓶，摇匀后再朝下倒立，观察并记录字母组合，重复上述步骤，共记录15次，将实验结果交给教师；
3）教师用Excel表格实时统计全班各小组模拟雌、雄配子随机结合的结果并展示。
图1 教具使用示意图
教师统计并展示各小组的实验数据，学生发现各小组所统计的性状分离比不是“3∶1”，而且没有规律可循，与他们的预期不符，因此产生认知冲突。教师通过Excel求和计算，将全班的实验结果相加，实时得出F2基因型及比例为DD∶Dd∶dd=112∶213∶95，表型及比例为高茎:矮茎=3.42∶1，根据实验结果，学生认为并不能说明F2性状分离比为3∶1。教师进一步展示其他4个班级的实验数据，并通过Excel求和计算得出DD:Dd:dd=512∶1 058∶530，性状分离比为2.96∶1，约为3∶1。学生发现实验所得数据与理论值具有一定的偏差，但不能确定这种偏差究竟是属于实验误差造成的，还是真实的差异。此时，教师向学生简单地介绍遗传学实验中通常用χ2检验进行判断，χ2=S（实测值-理论值）2/理论值，根据χ2检验表查出P值，即实测值与理论值差异发生的概率。在遗传学实验中，P＞0.05，说明实测值与理论值“差异不显著”。教师提前在Excel中录入公式，最终计算得出χ2值，查表得出P＞0.05，说明2.96∶1与3∶1无统计学差异。
通过3次数据处理与展示，学生可深刻地体会到3∶1的性状分离比是基于统计学的，并且有科学、严谨的计算方法分析实验数据。通常情况下，F2代统计的样本量越小，实验误差越大，越可能偏离“3∶1”分离比。这时才达到概率统计学教学的要求，才能让学生真正地理解运用数学方法处理实验数据的严谨性。
应用2：模拟测交实验，得出测交后代的性状分离比。
教师提供模拟“dd”植株产生的“d配子”的教具，学生在完成测交实验的演绎推理后，通过模拟实验完成测交实验验证的过程。该过程可使学生更深刻地理解“演绎推理”和“实验验证”的区别。
应用3：设置对比实验，突破分离定律的核心要点。
全班分为28个小组，1～14组的2个锥形瓶中D∶d=1∶1；
15～28组的2个锥形瓶中D:d=2∶1。学生统计结果表明，D:d=1∶1时，后代性状分离比接近于3∶1；
D∶d=2∶1时，后代性状分离比接近于8∶1。通过模拟实验，学生进一步理解F2性状分离比为“3∶1”的原因：在形成配子的过程中，成对的遗传因子彼此分离，分别进入不同的配子。
在教学中，很多教师认为性状分离比模拟实验操作简单，没有思维深度。同时，由于教具准备繁琐、课时紧张等诸多因素影响导致该实验开出率很低。改进后的教具制作简单、可重复使用，极大减轻教师准备教具的负担；
改进的实验流程，减少了模拟实验在教学中所占的时间，不影响教学进度；
在对实验数据的分析处理中，学生对数据进行热烈的讨论、质疑，教师实时评价，分析原因，可顺利突破教学难点；
学生在模拟实验、记录数据、分析数据的过程中，充分体会了小组合作、实验分析的乐趣，加深了对分离定律的理解，并且能深刻体会科学实验的严谨性。