基于5E模式的“基因频率改变与生物进化”教学设计

郑世辉

(安徽省绩溪中学 宣城 245300)

1 教材分析与设计思路

本节是人教版高中生物学教材必修2第7章“现代生物进化理论”的核心章节，是系统学习遗传与变异知识内容后，总结性阐述变异与进化之间逻辑联系的收官之作。教学内容主要以“用数学方法讨论基因频率的变化、探究自然选择对种群基因频率的影响”等活动为载体，尝试用数学方法进行定量探究，提升学生分析问题的能力。在体验现代生物进化理论的科学探究方法的同时，理解生物进化的实质是种群基因频率的改变，进一步树立生物进化的辩证唯物主义观点。为帮助学生从理性角度充分理解导致生物进化的内在原因与基因频率的辩证关系，笔者基于5E教学模式进行教学设计。

2 教学目标

依据课程标准并围绕培养学生核心素养的要求，制订了如下教学目标：

(1) 通过对新情境案例的分析讨论，能用已学知识准确计算出不同杂交方式亲子代间各频率的大小，并能通过哈代—温伯格定律的解释以及对实验数据的处理分析，理解生物进化的实质是种群基因频率的改变。

(2) 通过运用数理探究的方法讨论影响种群基因频率改变的因素以及对实验数据的折线图转换，架构新核心概念的同时，提升解决新问题的能力和对图表文字的信息转换能力。

(3) 能够体验模拟探究问题的过程和方法，养成分析问题和科学思维的习惯，培养团结协作的科学探究精神。

(4) 能够通过对数理探究结果的评价反馈，为良种的优化选择提出有参考价值的建议和设计合理的育种方案。

3 教学过程

3.1 引入(Engage)——种群基因和基因型频率 首先通过多媒体展示设置问题情境：(数理活动1)已知亚洲人群中白化病的患病率为1/10000。一对表现型正常的夫妇生了一个患白化病(aa)的儿子和表型正常的女儿，如果该女儿将来与一表型正常的亚洲男子结婚，预计后代白化病的患病率。

多数学生能计算出该女子各基因型的概率，但对“正常亚洲男子”的概率求解则无所适从,结果五花八门。根源上是学生对患病率为1/10000的理解不够深入，产生误区。为激活学生已有的知识，教师以问题串的形式层层引导：①种群中的个体大多是采用何种杂交方式产生后代的？②换一个人群，aa的概率还是1/10000吗？③该男子可否是白化携带者？可能性与1/10000有关系吗？

在初步引发学习欲望的基础上，让学生通过阅读教材，了解“基因库、基因和基因型频率”的概念，知道“不同种群的个体在基因组成与比例上存在差异”，体会“种群进化与基因间”可能存在着某种联系。

3.2 探究(Explore)——基因与基因型频率的换算 课件展示数理活动2：若某工厂各有男女职工100人。白化病调查结果显示：患者(aa)1人，携带者：3人；色盲调查结果显示：女性患者(XeXe)1人，男性患者2人，携带者5人，则该群体中a、 e基因的频率各为多少？通过该活动，复习“常染色体和性染色体上基因分布及基因型种类”，引导学生学会正确掌握两类基因的基因库容量求解方法，进一步加深学生对“频率”概念内涵的印象，避免误区的产生。

为进一步让学生了解繁殖方式对频率变化的影响，课件展示数理活动3：已知某昆虫种群中AA：30%，Aa：60%，aa：10%。若在理想环境(无大量个体迁移、无变异等)下，该昆虫种群个体分别采取3种不同的繁殖方式(表1)，分析F1、 F2个体中各频率情况。

表1 F1和F2个体中各频率的计算结果

本题例的数理计算要架构的教学概念比较多，应留给学生充足的计算空间，体会数理探究的全过程。教师以问题串的形式进行引导：①不同繁殖方式的频率变化情况一样吗？有没有规律？②基因型频率改变一定导致基因频率改变吗？反之呢？两者中谁才是内因？③采用哪种繁殖方式的种群发生了明显的进化现象？第2种繁殖方式的种群进化了没有？为什么？④第1种繁殖方式中为什么基因型和基因频率均没有发生改变？现实中是否存在？

3.3 解释(Explain)——哈代—温伯格定律 教师讲述：不同种群由于生存环境的不同，长期自由交配所构建的“基因库容量和组成”存在一定的差异。选择的对象是个体的表现型，表现型的被选择改变了基因型的频率，又引起基因频率的变化，这样繁殖产生的下一代个体中基因、基因型、表现型会发生一定的规律变化。基因频率的变化方向反映了种群进化的方向。

引导学生进行数理分析：假设一对等位基因A和a在群体中遗传，它们的频率分别是P和Q， P+Q=1；当随机交配时，其子代的基因型是AA、 Aa、 aa，基因型频率分别为D=P2、 H=2PQ、 R=Q2,则这三种基因型个体产生配子的频率应是：A=D+1/2H=P2+1/2(2PQ)=P2+PQ=P(P+Q)=P； a=R+1/2H=Q2+1/2(2PQ)=Q2+PQ=Q(P+Q)=Q。由此可见，子代和亲代中A和a的频率相等不变，这就是遗传平衡现象。

让学生阅读教材P115“思考与讨论”，了解遗传平衡建立的五个必要条件，尝试解决数理活动1问题：亚洲人群中aa：1/10000→a：1/100,A：99/100→正常人群中：AA∶Aa=99∶2→该正常男子的可能性：AA：99/101 Aa：2/101→婚配后代中aa的可能性：2/101×2/3×1/4=1/303，做到前后呼应、解决新知。

3.4 精致(Elaborate) 给学生安排一个新的学习任务，学生在获得新的概念后，需要利用这些概念尝试解决新问题或解释新现象，以加强对新概念的理解。

课件展示数理活动4：对某动物种群调查分析发现AA∶Aa∶aa=1∶2∶1，A对a为完全显性。鉴于A、 a基因控制性状的美观程度不同，在繁殖季节，个体均选择与表现型相同的个体自由交配产生后代，请计算F1个体中A：a的比例并预测该种群的进化方向。引导学生计算。

解：由P：AA∶Aa∶aa=1∶2∶1(A∶a=1∶1)可知：

由于P产生F1中A的频率由1/2上升到3/5,所以朝显性性状方向进化。通过计算让学生了解选择性杂交对种群进化的影响。

课件展示数理活动5：对某昆虫种群调查分析发现：AA：30%，Aa：60%，aa：10%。隐性个体体色浅形成保护色而不容易被天敌发现，每年以10%的速率递增，请计算下一年群体中各基因型和基因的频率，判断该种群是否发生进化并预测该种群的进化方向。由此让学生了解自然选择对种群进化的影响。

3.5 评价(Evaluate) 随堂检测，及时评价。评价问题如下：

(1) 从白化病的患病率角度来分析“为什么现在人群中遗传病的发生情况呈现逐年减少的情况？”人群是否发生了进化？为什么？

(2) 请用折线图的方式将活动3(繁殖方式③)、活动4、活动5中基因a及基因型aa频率的计算结果绘制出来，并讨论种群进化的方向及判断依据？

(3) 根据计算结果，你能总结出导致基因频率改变的因素有哪些？如果要重新设计一个良种的选育方案，使种群朝着优良的方向进化，你觉得需要考虑哪些因素，如何规避不利因素？

4 教学反思

本节课教学中，在“引入”阶段，利用系谱图中的种群基因型频率创设两种频率的求解情境，引发学生的认知冲突；通过数理活动2和3的“探究”环节，一方面让学生明确不同染色体上基因频率的求解方法不同，另一方面则通过对比不同繁殖方式杂交后代中频率的变化情况，理解“基因频率导致了基因型频率的改变”；借助“哈代—温伯格定律”的“解释”，在建立理论依据的同时，帮助学生快速的掌握两种频率计算的技巧，为后续的数理探究节省时间；在“精致”环节利用数理活动4和5的题例分析，进一步帮助学生理性理解“选择性杂交和自然选择会定向改变种群的基因频率，并定向决定种群的生物进化方向”这一重要的核心概念。

最后通过开放性的“评价”环节，以构建折线图的方式直观理解“影响基因频率变化的常见因素有哪些？”最终达到构建“基因频率改变”的完整知识链。可见，5E教学模式可以在数理探究教学中提供可操作的有力支持，在质疑中主动探究，在探究中解决疑问，在获得新知的基础上提升新知应用的能力，数理探究的过程更加条理化、直观化、科学化。