创新制作“性状分离比的模拟实验”演示仪

摘要

利用透明收纳盒、PVC板和黑白塑料圆珠对“性状分离比的模拟实验”演示仪进行了创新设计和改进。演示仪制作成本低、操作简便、科学性强。通过统计各小组和全班的实验结果，利用Excel表格处理、分析数据，并简单介绍利用卡方拟合优度检验进行一致性分析，让学生深刻体会到数据处理的科学性及严谨性。改进后的演示仪还可以用来模拟测交实验、自由组合现象以及两对相对性状的性状分离比，极大地提高了课堂效率和实验的有效性。

Graphical abstract

关键词

性状分离比 / 模拟实验 / 演示仪 / 改进 / 数据分析 / 制作

“性状分离比的模拟实验”是人教版高中生物学必修2“遗传与进化”第1章第1节的探究实践活动，目的是通过实物模拟配子的分离以及受精过程中配子的随机结合，加深学生对F₁代自交后代（F₂）产生3∶1性状分离比的理解，也为后续学习自由组合定律奠定坚实的基础^［1］。目前，已有不少教师利用生活中常见的材料对“性状分离比的模拟实验”装置进行改进，比如用蚕豆^［2］、扑克牌^［3］、玻璃球^［4］、牙签^［5］等代替彩球，用矿泉水瓶、牙签筒等代替小桶，但是这些改进方案仍存在一定程度上的不足（表1）。笔者利用黑白塑料圆珠、PVC板和透明收纳盒对实验装置进行创新性改进，使得实验更加高效。

1 教材实验方案的局限性

通过分析教材实验方案，发现该实验方案存在一定的局限性：①若以两人为一组，以每班50人为基础，每次实验则需要准备50个小桶和1 000个彩球，耗材多，同时成本也过高；②实验装置为开放性装置，学生能够看见和接触到彩球，在抓取彩球时易受主观意识影响，无法保证抓取彩球的随机性；③每次抓取完彩球后，都需要重新放回小桶并摇匀，多次重复导致耗时长；④2只小桶内的彩球都是20个，易让学生产生“同种生物的雌雄个体产生的配子数相等”这一错误认识。实际上，自然界中绝大多数同种生物的雄配子数要远多于雌配子数^［6］。

2 演示仪的改进与应用

2.1 设计理念

笔者在双色球选号器的结构基础上进行实用性和创新性改进。将盒身均匀地一分为二，分别代表雌、雄生殖器官；将出球口（代表“配子观察区”）减少至两个，共同组成合子观察区；将2个配子观察区移动至隔板两边，使2个配子观察区紧紧地贴在一起，模拟“配子随机结合”这一现象；在配子观察区入口处增设一条隔断带，使得配子观察区的圆珠能够与其他圆珠分离开，便于学生观察与记录；将塑料小球更换为更小、更便宜的黑白塑料圆珠，扩大演示仪的使用范围。此演示仪不仅可以直观地演示配子的分离和随机组合，还能通过更换不同颜色的塑料圆珠，演示测交、自由组合现象等实验，很好地体现了“一种演示仪，多种用法”的设计理念。

2.2 制作材料

透明收纳盒1只（长10.5 cm、宽7.5 cm、高2.5 cm），黑色和白色塑料圆珠各30个（直径为0.8 cm，分别代表D、d配子），3块PVC板（长10 cm、宽7 cm、厚0.4 mm），热熔胶枪，热熔胶，油性笔。

2.3 制作过程

（1） 选择演示仪透明盒。选择尺寸大小合适的透明收纳盒作为演示仪的主体。

（2） 制作雌雄生殖器官。把第一块PVC板裁剪成1块长7.0 cm 、宽1.8 cm的长方形板（代表“隔板”），用热熔胶将隔板垂直固定在透明收纳盒的底部，使得透明收纳盒均匀地分为两格，分别代表雌、雄生殖器官。

（3） 制作合子观察区及雌、雄配子通道。先将第2块PVC板裁剪成2块长1.8 cm、宽1.0 cm的小长方形，接着分别用1块PVC小板与隔板在收纳盒正中央围出2个长1.0 cm、宽1.0 cm、高1.8 cm的配子观察区（约1颗圆珠的空间）。再将第3块PVC板裁剪成2块长4.0 cm、宽1.8 cm的长方形，分别用1块PVC板把配子观察区和收纳盒左、右壁连接起来，形成雌、雄配子通道。

（4） 制作合子观察区隔断带。用热熔胶枪分别在配子观察区的入口处注一条长1 cm左右的热熔胶隔断带，在摆平收纳盒时，进入配子观察区的2颗塑料圆珠能够和其他圆珠分离开来，从而便于学生观察配子的颜色组合。

（5） 选取配子并放入演示仪中。分别在代表雌、雄生殖器官的左、右格收纳盒中放入黑色和白色塑料圆珠。其中雌性生殖器官黑白塑料圆珠各10个，雄性生殖器官黑白塑料圆珠各20个，虽然雌、雄配子的总体数量不同，但雌、雄生殖器官中D配子和d配子的比例均为1∶1。

（6） 标示演示仪的名称。盖上盒盖，用油性笔在盒子边缘写上标签♀和♂（既不影响学生视野，又具有标示作用），得到完整的实验演示仪（图1）。

2.4 演示仪的运用

（1） 摇匀：两人为一组，一名学生手捧透明收纳盒，摇动盒子，使得黑（D）、白（d）圆珠混合均匀。

（2） 倾斜：将透明收纳盒倾斜45°左右，使得雌、雄生殖器官中分别仅有1颗圆珠滚入观察区。

（3） 摆平：2颗圆珠均滚入配子观察区后，摆平透明收纳盒，已进入配子观察区的圆珠与其他圆珠分离开来。

（4） 记录：另一名学生记录圆珠的颜色组合（用“正”字表示次数），小组记录表见表2。

（5） 复原：继续摇动收纳盒，使得圆珠从观察区中滚出并与其他圆珠混合均匀。

（6） 重复：重复操作上述步骤50~100次。

（7） 数据汇总与展示：当实验结束后，每组请一名学生代表在Excel表格中输入本组的实验数据（表3），教师利用Excel表格统计全班的数据并展示。

（8） 数据分析：将每个小组的数据与全班的数据进行对比分析，每个小组所得到的性状分离比可能不符合预期的3∶1，但是随着实验样本量的增加，结果越来越接近理论值3∶1，进一步肯定了孟德尔杂交实验的科学性。

实例：学生最终获得DD∶Dd∶dd=479∶1 003∶518，性状分离比约为2.96∶1.00，与理论值3∶1存在偏差。针对这一结果，教师可引导学生思考：这种偏差是属于实验误差还是真实的差异？接着，教师可以向学生简单地介绍卡方拟合优度检验。教师可提前在计算机上安装SPSS 26.0，然后根据全班所得数据进行相应的运算演示，得到“渐进显著性”后与0.05进行比较，最后得出结论。以上述数据为例进行运算，渐进显著性P为0.815，大于0.05，说明2.96∶1.00与3∶1不存在显著性差异，具有统计学一致性。

3 演示仪改进的优点

与教材上的演示装置和已有的改良实验装置相比，本改进演示仪具有以下优点。

（1） 成本低、易携带。塑料圆珠价格便宜，透明收纳盒体积小，方便随身携带，材料保持性久，可重复利用。

（2） 操作简便。在整个实验过程中，不需要重复取放圆珠，避免了烦琐的机械活动，缩短了实验操作时间。

（3） 观察方便。由于整个收纳盒是透明的，学生不仅可以清晰地看见收纳盒内圆珠的运动情况，还可以通过合子观察区在短时间内确定圆珠的颜色组合。

（4） 科学性强。教材实验中雌、雄配子数量均为20个，与“自然界中绝大多数同种生物的雄配子数要远多于雌配子数”这一事实相悖。在改良后的实验演示仪中，雌性生殖器官中的雌配子数为20个，雄性生殖器官中的雄配子数为40个，实验更具有科学性。此外，学生的手与圆珠没有接触，排除了主观意识对实验结果的干扰。

4 演示仪的拓展应用

4.1 模拟一对相对性状测交实验

在透明收纳盒的一格放入20个白色圆珠（模拟d配子），修改标签为“隐性纯合子”。在另一格放入黑白圆珠各10个（分别模拟D、d配子），修改标签为“杂种子一代F₁”。通过重复摇匀、倾斜、摆平收纳盒，记录每一次圆珠的颜色组合，然后根据所得数据计算性状分离比。依据统计学原理，重复的次数越多，最终得到的后代性状分离比就越接近1∶1。

4.2 模拟“自由组合现象”

在透明收纳盒的一格放入黑白色圆珠（代表Y、y这一对遗传因子）各10个，在另一个格中放入红绿色圆珠（代表R、r这一对遗传因子）各10个，两个格子说明两对性状的遗传因子是相互独立的。摇匀圆珠后，倾斜收纳盒，两个观察区各滚入一颗圆珠，代表同一性状的成对的遗传因子彼此分离。把两个观察区中的圆珠组合在一起，代表不同性状的遗传因子自由组合。由于得到Y或y的概率为1/2，得到R或r的概率也为1/2，因此理论上雌、雄生殖器官产生YR、Yr、yR、yr的比例应为1∶1∶1∶1。值得注意的是，与模拟“性状分离比实验”不同的是，整个收纳盒只代表雌性生殖器官或者雄性生殖器官。

4.3 模拟两对相对性状的性状分离比

F₁产生的雌、雄配子均只有YR、Yr、yR、yr 4种，且比例为1∶1∶1∶1。借助透明收纳盒和彩色塑料圆珠，可对双杂合个体自交的性状分离比实验进行模拟。在透明收纳盒的两格（雌、雄生殖器官）中分别放入等量的4种彩色圆珠（黑色代表YR、白色代表Yr、红色代表yR、绿色代表yr），且每个格子中的4种彩色圆珠数量比必须为1∶1∶1∶1。通过摇晃收纳盒，两个观察区各滚入1颗彩色圆珠，如雌性生殖器官观察区进入的是黑色圆珠，雄性生殖器官观察区进入的是红色圆珠，则代表基因型为YR的卵子与基因型为yR的精子结合成YyRR。多次重复以上操作后，理论上就会出现9种不同的基因型，性状表现为4种。

4.4 模拟两对相对性状测交实验

在透明收纳盒的一格放入20个绿色圆珠（模拟yr配子），修改标签为“隐性纯合子”。在另一格放入黑、白、红、绿色圆珠各5个（分别模拟YR、Yr、yR、yr配子），修改标签为“杂种子一代F₁”。利用相同的摇匀、倾斜、摆平方法，重复操作数次，重复次数越多，得到的后代性状分离比就越接近1∶1∶1∶1。

5 反思与总结

本实验演示仪通过一系列的改进，有效缩短了实验的操作时间，极大降低了因主观意识造成的实验误差，排除了“同一物种雌、雄配子数量相等”的知识误区。同时，本实验借助Excel表格对实验数据进行处理和分析，并利用统计学方法“卡方拟合优度检验”进行一致性分析，让学生深刻体会到数据处理的科学性和严谨性。此外，经实验笔者发现，该演示仪还存在一些不足，例如合子观察区的隔断带只能在一定程度上（收纳盒倾斜90°以内）分开配子观察区的2颗塑料圆珠和其他圆珠，不能通过随意翻转透明收纳盒来观察配子的颜色组合。因此，在后续的设计和完善中，可将隔断带替换为一个可移动的隔板，通过移动隔板，实现合子与其他配子的完全分离。

参考文献

[1] 马小明.“性状分离比的模拟实验”深度剖析及拓展［J］.中学生物学，2023，39（01）：56-58.

[2] 姚秀林.巧用豆子解决生物学中的统计学问题［J］.生物学通报，2019，54（09）：43-45.

[3] 李静，夏焦兵.扑克牌是“性状分离比模拟”实验的好材料［J］.生物学通报，2013，48（10）：47-48.

[4] 刘铁华.“性状分离比的模拟实验”演示仪的创新制作［J］.实验教学与仪器，2020，37（11）：50-51.

[5] 朱斌良，左立波.“性状分离比的模拟”实验的改进［J］.试题与研究，2020（05）：38-39.

[6] 王鹏程，李春晖.一种性状分离模拟器的设计和制作［J］.中学生物教学，2019（13）：54-55.

基金资助

2023年广东省研究生教育创新计划项目(2023JGXM_104)