2017年3月14日

遺傳黑盒活動-猜猜你的基因型是什麼

4/24更新,修改後的卡牌遊戲在此《遺傳黑盒活動-基因解謎的卡牌遊戲


進行探究教學的課程中,有一個很典型的活動叫做黑盒(black box)

讓我引用維基百科對黑盒的說法

黑箱,指一個只知道輸入輸出關係而不知道內部結構的系統或設備。與之相反的是白箱。 例子有:
  • 物理學/電子工業中,指未知內部結構,只露出若干接頭的電路,如二埠網絡;
  • 計算機科學中,指內部工作方法不清楚的程序。(也許是閉源軟體)
  • 系統工程學中指一個系統只能根據其外部表征來推測其系統功能,而不能了解其內部詳細構造。例如中醫就是一個黑箱系統,尤其是經絡結構。


你要叫black box為黑箱也是可以,可是不要把這名詞跟政治、選舉的「黑箱」混為一談。舉個例子,這黑盒的課程通常是這樣設計的,老師先製作一個實體的箱子,箱子內部有特別的機關,如果是電學的,它可能就是露出一些接頭作為輸入端,然後有輸出端,也許是些燈泡。學生拿到這箱子,不可以把它打開來看裡頭的祕密,但是他可以利用科學方法去研究街頭和燈泡的關係,比方說試試看哪些接頭接來接去,燈泡就會亮,哪些不會亮。

學生做完了實驗,就要用他做實驗的結果去推論,到底箱子裡頭的機關長得什麼樣。課程的重點是探究的歷程,倒不會放在學生是不是真的猜對了。

真實世界的探究就是這樣,科學有其真相、事實,但是我們永遠無法得知那個真相是什麼,我們能做的就是盡可能往真相多靠近一些,得到一些比較接近真相的答案。
我兩個朋友也寫過黑盒子的教學,小p舉的是喝水鳥的例子
喝水鳥(黑盒子)的探究教學

眉毛人舉的是箱裡走玻璃珠和乒乓球的活動

而這個連結的教案,也是很有意思的黑箱。他設計出一個箱子,有三個倒水的入口,四個出水的管子,叫做Magic Water Box 。
Magic Water©: A Black Box Activity

1.從入口一倒水,就會從出口一出水,一切就跟預期的一樣,這就是控制組(對照組)
2.從入口二倒水,過了一陣子,出口二才會流出水,而且還是紅色的
3.這是最詭異的,從入口三倒水進去,它會從兩個出口流出來。水倒得少,它從出口三出來,水得倒多一些,才會從出口四流出來。而出口三流出的是黃色水、出口四卻是藍色水。而當你慢慢倒水的時候,會看到承裝出來水的杯子裡,底層是黃色水,而上層是清水,接下來才會從出口四流出藍色的水。而如果你倒得快一點,出口四則是流出綠色的水。

而除了上述現象外,三個不同的入口還用了跟出口不同的顏色(純粹是讓狀況更混淆)
學生根據這些現象,就要用以下幾點去思考
1.你要研究的問題是什麼?
2.擬出你的假說(可以用畫圖的去猜測黑盒子內部長什麼樣)
3.更細部的去討論你的實驗設計
4.得到結論


非常棒的探究課程吧!不過在生物單元裡很難岔出去使用。
那生物課程裡就沒有「黑盒活動」了嗎?其實有的

最近我上孟德爾遺傳,搭配了「美人尖遺傳」的活動,就是兩人一組,每個人都拿A和a的紙牌,隨機出牌組合出子代的基因型,最後再看看跟理論值的3:1有沒有一樣。不過我用的是積木,就是我拿來做排序、看年輪、競賽活動的籌碼,是超好用的積木。(請搜尋「一元積木」)

有次上課的時候,我看到學生做出來的結果,居然20個子代都是aa。心想怎麼一回事,問了之後,才知道那擔任親代的兩個學生,居然拿的都是aa的。

一開始我還很火,想說他們亂做活動,這樣就沒有3:1的答案啦。但過會突然想到,他們這樣的實驗,反倒讓我想到可以設計出很棒的探究活動,為什麼一定要Aa x Aa?為什麼要把所有的基因型都攤出來,再去看表現型是什麼?真實的世界裡才不是這樣呢!(這是在傲嬌什麼啦)
我想到,其實孟德爾的實驗就是在探究遺傳黑盒,他就是想弄清楚豌豆為什麼有的時候高莖和高莖配,會產生矮莖,有的時候配出來又只有高莖?而高莖和矮莖配,卻又有高有矮?這就跟前面說的Magic Water Box很像啊。

孟德爾用七年再加兩年的時間,去探究黑盒裡到底有什麼,不過我們生物課是用一節課的時間,把黑盒子的布揭開來,教你直接看裡頭的祕密,再讓你直接看從入口倒水下去,那個水是怎麼從出口流出來的。其實我們可以這樣做,把布重新蓋上(國防布?),讓學生探究一下那個黑盒子裡到底有什麼?

想法有了,那就來設計一下作法。其實跟美人尖的遺傳作法大同小異,但是改變了設計,會變成非常有意思的探究活動。(建議是在美人尖的遺傳之後,花一點時間再繼續做,因為學生會比較熟練這在幹嘛啦)

我讓學生四人一組,一個人為組長,組長領取了三個塑膠袋,發送給三個組員。每個塑膠袋裡都放了兩個積木,分別是AA、Aa和aa。

  • 組長要做的事情,就是負責「看積木代表的基因型,說出表現型」,他等於是知道所有祕密的人,所以組長要慎選。
  • 拿到塑膠袋的三個組員,絕對不能看塑膠袋裡的積木,即便是從袋裡隨意撈出積木為配子時,也不能看自己撈出的是什麼。
  • 每組再發下一張紙,要紀錄譜系圖

各組要在「只知道親代和子代的表現型」的情況下,推論出哪種表現型是顯性?哪種是隱性?而三個塑膠袋裡放的積木又是寫著什麼?

一開始我先告訴組長,不同的基因型呈現的表現型是什麼。這裡我就沒有用高莖和矮莖,也不是「有無美人尖」,這種性狀很容易被猜測成「高的或是具有特徵的就是顯性」(實際上就不是這樣判斷的)。我用黃色和綠色,看起來沒有什麼強弱之分的特徵,AA、Aa的表現型是黃色,而aa是綠色。

當組長拎回三個塑膠袋回去時,他可以窺視袋子,然後告訴組員「你是黃色」或是「你是綠色」,但是不能告訴他們「你是Aa或是aa」

組員之間就開始進行生殖模擬,任兩個人從自己袋子裡隨機摸出一個積木,把積木秀給組長看,由組長告知生出來的是黃色還是綠色。

因為組員有三個,就暫稱是甲乙丙三人,大家就在紙上畫出譜系圖,甲乙配會生出什麼、乙丙配會生出什麼......。至於要生出幾個?要生到什麼程度?就由組內自行討論,要生到「能從譜系圖中,看出甲乙丙三人的基因型」就可以停止。最後再由各組報告譜系圖,說明那是怎麼判斷的。

或者更可以加入組間的互動,把自己組的譜系圖交給其他組,由其他組的人來依據譜系圖判斷那些親代和子代的顯隱性,並且評估是否可以明確判斷出顯隱性。

最後老師再去反問學生「你們要怎麼判斷黃色是顯性還是隱性?」、「顯性個體的基因型有兩種可能,你們要怎麼配對才有辦法確定?」

這些流程、判斷其實都是先前有教過學生的,甚至還做過題目的,但是學生自己探究,跟老師一步一步教那學習的結果是不同的。

在這個活動中,組長的角色很重要,他知道袋子裡所有的答案,也就是幾乎是透視黑盒的人。如果有機會的話,我倒是很想試試看,用JavaScript寫寫看,讓學生用拖曳點擊的方式,來生生看,然後去判斷結果。


現在想想,其實就跟先前寫的這個文章,像是FrogPond、Geniverse差不多的意思嘛,都是在用方法探究那個遺傳黑盒子。
科學探究軟體-FrogPond
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