《孟德尔的豌豆杂交实验（一）》教学设计

孟德尔的豌豆杂交实验（一）教学设计
[教学目标]：
1. 阐明孟德尔的一对相对性状的杂交实验及分离定律；
2. 体验孟德尔遗传实验的科学方法和创新思维；
3. 运用分离定律解释一些遗传现象。
[教学重点]：
1. 对分离现象的解释，阐明分离定律；
2. 以孟德尔的遗传实验为素材进行科学方法的教育；
3. 运用分离定律解释一些遗传现象。
[教学难点]：
1. 对分离现象的解释；
2. 假说——演绎法。
[教学过程]：
问题探讨：红牡丹和白牡丹杂交，后代牡丹花的颜色是什么？提出当时科学界普遍认同的“融合遗传”观点。
引言：遗传是我们熟悉的生物现象，但遗传的奥秘却隐藏至深，人类对它的探索之路是那么的艰辛屈折，又是那么精彩绝伦。那么是谁发现了遗传的奥秘呢？
图片：孟德尔---遗传学的奠基人，（1856年—1864年）经过八年的实验发现了遗传规律。对于他的工作和评价：
八年耕耘源于对科学的痴迷
一畦畦豌豆蕴藏遗传的秘密
实验设计开辟了研究的新路
数学统计揭示出遗传的规律
其实当时很多人都在研究豌豆，为什么他有这么大的成就呢？显然他在实验设计和数据处理上有创新。那么他是怎么实验的？我们循着140多年前孟德尔研究豌豆的足迹，共同探索遗传规律，体会科学探索的过程。
一．豌豆一对相对性状的杂交实验
（分步骤展示高茎豌豆和矮茎豌豆的杂交实验过程，步步设置相关问题，引导学生讨论分析实验现象并参与实验的设计。）
具体如下：豌豆是自花传粉，闭花授粉，
[师]在自然条件下豌豆是自花传粉，因此豌豆在自然界中是纯种的，自然条件下对它的遗传研究没有任何意义。所以孟德尔对豌豆进行人为异花传粉，也就是进行杂交实验。因为豌豆有和多性状，只选择一对相对性状实验，他用高茎豌豆做母本，矮茎豌豆做父本进行杂交。
出示杂交结果：发现杂交后代F1（子一代）都是高茎豌豆，F1高茎豌豆的高度全部都是和亲本一样！看来并没有相互融合！
学生提问：1.为什么子一代都是高茎而没有矮茎？
2．矮茎的性状消失了吗？
3．子一代性状是否和母本一样？
[师]将矮茎豌豆做母本，高茎豌豆做父本进行杂交，但是F1仍然统统是高茎豌豆。看来和谁做母本谁做父本无关。
那么亲本矮茎的遗传物质有没有传给子一代，也就是说子一代中有没有控制矮的遗传物质呢？
[师]展示孟德尔的F1自交实验和结果。子二代F2出现了矮茎！
[师生互动]共同建构隐性性状、显性性状、杂合子、纯合子和性状分离等概念。
在孟德尔发现遗传规律之前一些研究杂交育种的专家对性状分离的现象早已熟知，但他们没有对实验数据做深入的统计学分析。孟德尔不仅研究F2的性状还对不同性状的数量进行统计。子二代出现了3:1性状分离。
学生提问：3子二代出现了3:1性状分离比是偶然的吗？
怎么得知是个别现象还是普遍的现象？
[生]把其他六对性状做相同实验！
[师]展示结果实验
可见3:1性状分离是普遍的现象。
那么是什么导致遗传性状在杂种后代中按一定的比例分离？
师 ：孟德尔看到的实验事实和前人融合遗传的观点产生矛盾，在当时的知识背景下无法解释这种现象？孟德尔在思维方式上超越当时科学家作了一次创新，他在观察和统计分析的基础上，果断地摒弃了前人融合遗传的观点，通过严谨的推理和大胆的想象，提出假说，并对性状分离现象作出尝试性解释。
（四）对分离现象的解释
提出孟德尔的假说之一：生物的性状是由遗传因子决定的。
因为亲本正交与反交的结果都是高茎，F1自交后代出现了矮茎，所以遗传因子是独立的，既不会相互融合，也不会在传递中消失；
F2有高有矮，高和矮的遗传因子都来自F1，不是无中生有，所以遗传因子在体细胞中应该成对存在；根据上面的假说，我们是否可以推出孟德尔杂交实验植株的遗传因子的组成？以字母D来表示这对遗传因子。
生：可以推出亲本和F1的遗传因子组成。因为已知亲本高茎豌豆和矮茎豌豆都是纯种的，则它们的体细胞中的遗传因子组成分别为DD和dd。
又知道F1为高茎的，说明F1中有一个D，而F2又出现了矮茎性状，说明控制矮茎的遗传因子没有消失，它只是隐藏在F1中，因此F1的遗传因子组成为Dd。
师：现在已经知道亲本和F1遗传因子的组成，那么大家来大胆猜测一下，究竟生物遗传要遵从什么样的规律，遗传因子为DD和dd的亲本才能产出Dd的子一代呢？
生1：F1中的两个遗传因子应该来自不同的亲本。
F1中的高矮遗传因子来自双亲，应该一个来自父本，一个来自母本，即遗传因子在传递时亲代只把一半遗传因子交给子代。
换一句话说，配子中遗传因子的存在形式是怎样的呢？
共同提出假说：配子中的遗传因子是成单的。
师：根据上面的三点假说，我们已经能够解释为什么F1只出现高茎的豌豆了。但是还有一个问题未解决——F2为什么出现性状分离比为3:1？你们根据上面的假说将F1自交表示出来，看看F2代有什么现象？
F1 Dd × Dd
↙ ↘ ↙↘
配子 D d D d
↓
F2 DD Dd Dd dd
高 高 高 矮
生：F2中出现了高茎和矮茎两种性状。
师：在孟德尔的实验结果表面F2中高矮茎之比为3:1，
[师生互动]共同构建显性遗传因子D、隐性遗传因子d，书写亲本和子一代的遗传因子组成。教师指出配子。 [师]根据以上假说，将杂交实验以图解形式表示出来，看F2会出现什么结果？
[师生互动]学生边解说，教师边将遗传图解写在黑板上。并对遗传图解中的符号做以解释。规范图解
讨论：那么出现3:1的性状分离比需要什么样的前提呢？
1．杂合亲本的两个遗传因子在形成生殖细胞要分离。
师：也就是说体细胞中成对的遗传因子在形成生殖细胞——配子时要彼此分离，不能同时处于一个配子中。
换一句话说，配子中遗传因子的存在形式是怎样的呢？是单个存在的。
生：2是F1中不同雌雄配子结合的几率要相等。也就是F2中DD:Dd:Dd:dd必须是1:1:1:1，这样高矮茎的比例才会是3:1。
师：换句话说就是受精时，雌雄配子的结合是随机的。D与D、D与d或者是d与d相结合机会都是相等的，没有说哪一种组合的几率较大。
（一） 性状分离比模拟实验
[师] 回顾孟德尔对分离现象的解释所做出的四点假说要点。遗传因子分离、配子随机组合真的能出现3:1的结果吗？出示性状分离模拟实验材料和用具，简单演示实验过程。思考以下问题：①两个布袋代表什么？布袋中的黑白棋子代表什么？②为什么每个布袋里的黑白棋子各是10个？③分别从两个布袋内抓取一个棋子组合在一起的含义是什么？④将抓取过的棋子放回原来的布袋中摇匀，按步骤③重复50～100次的含义是什么？
[学生讨论]（略）
[学生活动]四人一组按要求做性状分离模拟实验，因时间有限，每组重复做10次。并统计数据。
[师]幻灯展示12组的统计列表。巡回检查、指导学生做实验。
[师生互动]12组分别汇报数据，教师将数据统计在列表内。并让学生将每组的实验结果和全班总的实验结果做比较，有什么发现？
[师]总结孟德尔对分离现象的解释所做出的四点假说要点。
孟德尔对分离现象的解释，仅仅建立在一种假说基础之上，他本人也十分清楚这一点。假说毕竟只是假说，不能用来代替真理，要使这个假说上升为科学真理，单凭其能清楚地解释他所得到的试验结果，那是远远不够的，还必须用实验的方法进行验证这一假说。如何证明？
（五）对分离现象解释的验证
提问： F2出现3:1性状分离比，关键是图解中的哪里决定的？
讨论 :关键是F1的遗传因子组成是杂合的，在产生配子时D和d必须分离。
提问：产生的D和d两种配子的比例如何才能出现3:1性状分离比？
学生讨论 D:d=1:1时，随机结合后就会出现子二代高:矮=3:1
提问：怎么知道F1是杂合子，产生配子时D和d分离了，而且比例是1:1？你能通过实验来证实吗？
教师提示：F1的杂交情况只有三种：①F1和纯种高茎；②F1和杂种高茎；③F1和矮茎杂交
[学生讨论]先淘汰方案②，因为这就是F1的自交，是实验中已有的步骤，不能用“提出假说的实验步骤”来证明根据这些实验步骤而做的假说。方案①后代全为高茎，不能判断F1高茎是纯合还是杂合。根据假设可以预测方案③的后代高茎:矮茎=1:1，而矮茎dd只能提供含d的配子，它不影响F1所产生的任何配子内的遗传因子的表达。后代种类和比例就能代表F1所产生的配子的种类和比例。所以可以从方案③的实验结果中得知答案。
[师生互动]共同预测方案③的实验结果：第一种：后代高茎:矮茎=1:1（假设成立）
第二种：后代全是高茎（假设不成立）
[师]展示孟德尔的测交实验结果。同时让学生理解为什么叫做测交，到底测的是什么。
[师生互动]学生绘制测交实验的遗传图解，教师巡回指导并收上来几份，在投影上打出来，师生共同纠正可能出现的错误。
[师]还能用其他方法来验证假说的成立吗？能不能利用现代科技手段直接看到F1所产生的配子的种类和比例呢？
[学生活动]课后习题。实验过程照片介绍通过杂交水稻F1花粉的观察，研究杂交水稻糯性和非糯性一对相对性状的遗传情况。展示结果：显微镜下F1的花粉有一半显蓝黑色，一半显橙红色。说明确实发生了分离，且比例为1:1。
[师]因为受当时技术发展的限制，这种方法在孟德尔时代是不可能做到的！这样更加显现出孟德尔的假说是超越自己时代的一种非凡的设想。
[师生互动]归纳分离定律。
简单回顾孟德尔揭示分离定律的过程（观察实验、发现问题 分析问题、提出假说 设计实验、验证假说 归纳综合、总结规律）。
提出“假说—演绎法”
“假说—演绎法”是在观察和分析基础上提出问题以后，通过推理和想象提出解释问题的假说，根据假说进行演绎推理，再通过实验检验演绎推理的结论。如果实验结果与预期结论相符，就证明假说是正确的，反之，则证明假说是错误的。这种方法使遗传学的研究结果可以超越当时科学的发展，推动科学的新发现，使遗传学由描述性科学进入理性推导和实验验证的科学。“假说—演绎法”在遗传学的发展中发挥了重要作用。
教学反思
通过课堂中的学习活动，学生成功分析了孟德尔的科学研究方法（假说—演绎法）。初步掌握科学研究的方法和过程，在学习的过程中学生不仅加深对知识的理解还使学生体会了孟德尔这位“现代遗传学之父”的科学精神。培养了学生积极提出问题和分析问题的能力，培养了创新精神和科学的思维方法。
一对相对性状的杂交实验的过程介绍并没有采用简单讲授方式，而是用设置问题串的方式引导学生对每一步的实验现象解释，以及下一步该如何做才能验证自己的观点。这一部分的学习充分地发挥了学生的想象力，，让孟德尔的实验过程得以再现！如何充分理解和领悟对分离现象的解释中孟德尔所提出的四点假说，将模拟实验和遗传实验相结合，在明确实验意义和目的的前提下，让学生亲自动手体验假说，从而加深对分离现象的理解，为掌握分离定律的实质打下基础。同时让学生了解模拟实验是进行科学研究的一种方法，培养学生的实验记录能力、合作能力，体验了用数学统计方法分析实验结果的必要
在对分离现象解释的验证的问题上并非主观臆断地直接告诉学生孟德尔做了测交实验，而是在教师的引导下学生主动分析思考，演绎推理出测交实验方案。学生在感到成功喜悦的同时也真正理解了测交的意义，在这一部分的学习的过程中学生再次体验到孟德尔实验方法的创新之处，在体验科学研究方法的同时同时领悟了“假说—演绎法”这一科学的研究方法。

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