2020-2021学年高一下学期人教版必修二2.2基于科学史的“基因在染色体上”教学设计

基于科学史的“基因在染色体上”教学设计
在生物学教材和课堂教学中科学史的运用非常普遍，其应用目的可以总结为以下几个方面：①强化对生物学概念、原理的理解；②学习科学探究的方法；⑧培养严谨的治学态度，提升对科学研究的热爱。
1.教学内容分析
“基因在染色体上”一节位于人教版高中生物学必修2“遗传与进化”第2章“基因和染色体的关系”的第2节。在第l章学生已经学习了孟德尔遗传规律，了解个体水平上“遗传因子”对性状的控制和传递规律。在第2章的“减数分裂和受精作用”中，学生又学习了细胞水平有性生殖过程中染色体的行为变化。本节内容在此基础上起到画龙点睛的作用，使学生将遗传因子(基因)在亲、子代间的传递过程与减数分裂和受精作用相联系，理解孟德尔遗传规律的实质。
本节课是对科学发展过程的体验，有助于学生理解如何探寻科学本质。同时，萨顿假说和摩尔根的实验验证可以使学生从中体会实验证据在科学发展过程中的重要性。此外，摩尔根的白眼果蝇系列实验中蕴含着杂交、测交、回交等实验的设计和分析思路，学生可借此复习经典遗传学研究思路。
“基因在染色体上”不仅是一个简单的科学事实，一个重要的结论，也是分析遗传学问题的重要思想。在遗传学综合题目中，分析基因在染色体上的位置，从而确定所符合的基因的传递规律是解题的关键。在下一节“伴性遗传”的学习中，如果学生能够将基因定位在特定的性染色体上，通过分析遗传图解或减数分裂和受精作用过程图，即可降低解题难度。
综上，本节内容是学生体会遗传学探究过程、理解遗传规律本质、解决遗传学问题的关键。
2.教学目标
1)知识目标：①回忆孟德尔遗传规律、减数分裂和受精作用，引导关注基因与染色体的关系；
②理解基因在染色体上，阐明孟德尔遗传规律的细胞学解释，并运用其分析伴性遗传等遗传学问题。
2)能力目标：书写摩尔根实验的遗传图解，运用假说一演绎法得出“基因在染色体上”的结论。
3)情感态度与价值观目标：理解并认同科学研究需要严谨的实验证据和大胆质疑、勤奋实践的科研精神。
3教学重点、难点
1)重点：①基因在染色体上的理论假说和实验证据；②理解孟德尔遗传规律的细胞学解释，并用于分析相关遗传学问题。
2)难点：①体验从提出假说到分析推理摩尔根实验的完整科学探究过程；②利用孟德尔遗传规律的细胞学解释分析相关遗传情境，如伴性遗传等。
4教学活动及设计意图
4．1还原历史，暴露问题
孟德尔杂交实验是学生认识遗传学研究的重要途径，其中涉及杂交、测交等实验和“假说一演绎”的思路等。在学习了孟德尔遗传规律、减数分裂和受精作用的基础上，引导学生将基因和染色体相联系，不难发现两者的平行关系，直接给出“基因在染色体上”的结论，学生也可以接受。如何体现摩尔根实验的必要性及其对于遗传学发展的意义?
要充分利用科学史，理解科学发展的过程，需要使学生置身于历史的情境下。在遗传学研究初期人们的关注点集中在遗传的物质基础和遗传性状的传递2个方面?，而在孟德尔遗传规律提出(1865年)，甚至是再发现(1900年)的过程中，人们均无法解释遗传物质(孟德尔提出的遗传因子)的本质是什么。随着细胞生物学水平对染色体行为的观察，减数分裂的过程被遗传学家关注，萨顿等人将两者相联系得出萨顿假说。但这样的假说对于只接受实验证据的摩尔根和科学界而言是不具有说服力的。
设计意图：暴露冲突才能引发思考，教学中需还原以上的科学史情境，使学生理解科学理论在其发展时代的先进性，认识到科学原理是需要实验检验的，而非推测或经验的总结。
4．2把握机遇，寻求突破
孟德尔和摩尔根都不是因为幸运而得到重大发现，实验材料的选择、细致的观察和严谨的数据统计都十分重要。摩尔根在选择实验材料时也经历了不少“弯路”，通过比较，更能发现果蝇作为遗传学研究材料的优势：易获取、易饲养、繁殖率高、生活周期短、具有易识别的性状等。
教师可以尝试提问学生，你会用这只来之不易的白眼果蝇做哪些实验?在学习孟德尔杂交实验学习的基础上，学生也会想到先杂交再自交的实验思路。在给出实验结果时，也可先让学生观察、分析结果．发现问题，找到下一步探究的重点。
对摩尔根而言本是作为对孟德尔遗传规律的动物学验证性实验，却在精巧的统计中显露出良好的研究契机——F：代中1／4的白眼果蝇全部为雄性。这使得已经了解了果蝇性别和性染色体间关系的摩尔根产生了大胆的假设——控制果蝇眼色的基因，是否与果蝇的性染色体有关?
设计意图：白眼果蝇的发现更是体现了摩尔根团队锲而不舍的科研精神和敏锐的洞察力。来之不易的突变体被选定为实验的突破口，学生可以从模仿孟德尔的实验探究人手，在实践中体会实验设计的核心，理解杂交实验设计思路。
4．3大胆假设，小心求证
显而易见，果蝇的眼色与性别相关，学生也很容易得到与摩尔根相似的猜测，控制眼色的基因随性染色体遗传，即该基因位于x染色体、Y染色体或X、Y染色体上同时存在。
“大胆假设，小心求证”是科学研究的关键，以上3种可能的假设需要通过演绎设计实验，并进行实验验证。
设计意图：培养学生的实验思想，渗透“假说一演绎”的研究方法。
4．4借助经验，提出方案
此时可以让学生尝试按照以上3种假设在染色体上标注基因(例如XW表示X染色体上的红眼基因，Xw表示X染色体上的白眼基因等)，摩尔根的实验现象。当然，学生会面临一个问题，即假设眼色基因只在X染色体上，或者在X、Y染色体上同时存在都可以解释该现象。下一步需要设计什么实验进行判断?依据已有的实验经验，学生会想到测交的方式。测交实验有2组：白眼雄蝇与F。红眼雌蝇测交，白眼雌蝇与红眼雄蝇测交。此时可以帮助学生从测交的意义人手，选择实验方法。测交本质是检测待测个体产生配子的种类和比例，从而推断该个体的基因型。本实验的关键在于检测红眼雄蝇产生的带有Y染色体的配子是否存在决定眼色的基因(Yw)，因此，应该选择第2种组合，但是要得到白眼雌蝇，还需要进行第1种组合的实验获取实验材料。
设计意图：很多时候教师选择直接给出摩尔根所做的3个重要实验，让学生直接分析结果得出结论。这样就错过了学生自己设计遗传学实验分析遗传问题的过程。在此过程中，学生可以更深刻地理解杂交、测交、回交等实验的意义，并学会有目的地设计实验探究。整体把握实验，每一步实验设计都能够体现遗传学的研究思路，是提升实
验设计和实验分析能力的良好契机。
4．5温故知新，落实方法
关键的实验设计已经确定，学生需要绘制2种(眼色基因在x染色体上或在X、Y染色体上同时存在)不同假设前提下的遗传图解，并与摩尔根的实验结果进行比对，得出正确的结论——控制眼色的基因位于X染色体上。
设计意图：在此过程中，学生不仅体会了分析结果得出结论的过程，同时也学习了伴性遗传的遗传图解的书写方式，学习了遗传推断的方法。
4．6深入本质，融会贯通
跟随摩尔根的实验，学生已经体验了科学研究的全过程，基因在染色体上的结论自然铭记于心。但这还不能达成本节课的教学目标。此时，带领学生绘制减数分裂的过程图解，并将2对等位基因(A／a；Bib)(位于非同源染色体上)标注于染色体上。结合减数分裂和受精作用过程中染色体的行为变化，揭示孟德尔遗传规律的本质——减数分裂时等位基因随同源染色体的分离而分离，非同源染色体上的非等位基因随非同源染色体的自由组合而自由组合。
基因在染色体上，基因随染色体的行为进行传递这一概念在“伴性遗传”的教学过程中同样非常重要。教学中可以训练学生通过书写遗传图解的方式，分析伴x染色体显性／隐性疾病的遗传特点，而非死记硬背结论，这也是遗传综合性题目分析过程中不可或缺的能力。此外，在遗传结果推断中，学生需要通过判断基因与染色体的位置关系判断其符合的遗传规律。
设计意图：理解而后应用，应用也是对理解的最好巩固，两者相辅相成。该结论的灵活应用是分析伴性遗传、理解连锁互换等遗传学现象的重要前提。
4．7拓展讨论，深化知识
摩尔根通过实验和推理间接证明了基因与染色体的关系，却没有得到基因在染色体上的直接证据，为保证教学的严谨性，教师可向学生介绍摩尔根团队的布里吉斯，借助染色体不分离现象所得到的直接实验证据，完善教学内容。布里吉斯通过大量重复白眼雌果蝇与红眼雄果蝇交配，发现“初级例外子代”与“次级例外子代”的现象，并推理该现象与母本减数分裂性染色体未分离相关，进而通过镜检直接观察到性染色体三体的现象，从而得到了基因在染色体上的直接证据。
除此以外，教材还提供了荧光标记基因在染色体上位置的图片，通过现代分子技术将基因精准定位于染色体上，更直观地证明了基因与染色体的关系，体现了“基因在染色体上呈线性排列”的结论。同时更开拓了遗传学研究的新思路，补充完善了现阶段“个体一细胞一分子”多维度的遗传学研究体系。
设计意图：课堂教学内容需要考虑学生的基础知识和学习能力。教材中提供的摩尔根对于果蝇控制眼色基因与染色体关系的探究是对此部分内容的基本要求，但要满足每位学生的学习需求，教师需要提供更多的学习资源，便于学生形成更严谨、完整的思维习惯。
5教学反思
本节课的设计将科学史中关于“基因与染色体的关系”的探讨较全面地呈现在学生面前，使学生有机会体验科学探究的全过程(虽然没有亲手做实验，但将理论推理和前人的实验结果结合得较好)。既体会到科学思想发展的不易，又直接感受实验思想和严谨思维对科学探究的重要，同时还能收获科学发现的乐趣。在还原历史的情境下，
学生才能认识到在冲突和矛盾中不断探究的重要性；经历了提出假设、设计实验、严谨分析的过程，才能够深刻领悟科学探究的意义。学生亲身经历了探究过程，深刻地理解结论，学会运用基因在染色体上的思想分析遗传学综合问题，对今后的遗传学学习具有重要的作用。