基于5E模式的“基因頻率改變與生物進化”教學設計

鄭世輝

(安徽省績溪中學 宣城 245300)

1 教材分析與設計思路

本節是人教版高中生物學教材必修2第7章“現代生物進化理論”的核心章節，是系統學習遺傳與變異知識內容后，總結性闡述變異與進化之間邏輯聯系的收官之作。教學內容主要以“用數學方法討論基因頻率的變化、探究自然選擇對種群基因頻率的影響”等活動為載體，嘗試用數學方法進行定量探究，提升學生分析問題的能力。在體驗現代生物進化理論的科學探究方法的同時，理解生物進化的實質是種群基因頻率的改變，進一步樹立生物進化的辯證唯物主義觀點。為幫助學生從理性角度充分理解導致生物進化的內在原因與基因頻率的辯證關系，筆者基于5E教學模式進行教學設計。

2 教學目標

依據課程標準并圍繞培養學生核心素養的要求，制訂了如下教學目標：

(1) 通過對新情境案例的分析討論，能用已學知識準確計算出不同雜交方式親子代間各頻率的大小，并能通過哈代—溫伯格定律的解釋以及對實驗數據的處理分析，理解生物進化的實質是種群基因頻率的改變。

(2) 通過運用數理探究的方法討論影響種群基因頻率改變的因素以及對實驗數據的折線圖轉換，架構新核心概念的同時，提升解決新問題的能力和對圖表文字的信息轉換能力。

(3) 能夠體驗模擬探究問題的過程和方法，養成分析問題和科學思維的習慣，培養團結協作的科學探究精神。

(4) 能夠通過對數理探究結果的評價反饋，為良種的優化選擇提出有參考價值的建議和設計合理的育種方案。

3 教學過程

3.1 引入(Engage)——種群基因和基因型頻率 首先通過多媒體展示設置問題情境：(數理活動1)已知亞洲人群中白化病的患病率為1/10000。一對表現型正常的夫婦生了一個患白化病(aa)的兒子和表型正常的女兒，如果該女兒將來與一表型正常的亞洲男子結婚，預計后代白化病的患病率。

多數學生能計算出該女子各基因型的概率，但對“正常亞洲男子”的概率求解則無所適從,結果五花八門。根源上是學生對患病率為1/10000的理解不夠深入，產生誤區。為激活學生已有的知識，教師以問題串的形式層層引導：①種群中的個體大多是采用何種雜交方式產生后代的？②換一個人群，aa的概率還是1/10000嗎？③該男子可否是白化攜帶者？可能性與1/10000有關系嗎？

在初步引發學習欲望的基礎上，讓學生通過閱讀教材，了解“基因庫、基因和基因型頻率”的概念，知道“不同種群的個體在基因組成與比例上存在差異”，體會“種群進化與基因間”可能存在著某種聯系。

3.2 探究(Explore)——基因與基因型頻率的換算 課件展示數理活動2：若某工廠各有男女職工100人。白化病調查結果顯示：患者(aa)1人，攜帶者：3人；色盲調查結果顯示：女性患者(XeXe)1人，男性患者2人，攜帶者5人，則該群體中a、 e基因的頻率各為多少？通過該活動，復習“常染色體和性染色體上基因分布及基因型種類”，引導學生學會正確掌握兩類基因的基因庫容量求解方法，進一步加深學生對“頻率”概念內涵的印象，避免誤區的產生。

為進一步讓學生了解繁殖方式對頻率變化的影響，課件展示數理活動3：已知某昆蟲種群中AA：30%，Aa：60%，aa：10%。若在理想環境(無大量個體遷移、無變異等)下，該昆蟲種群個體分別采取3種不同的繁殖方式(表1)，分析F1、 F2個體中各頻率情況。

表1 F1和F2個體中各頻率的計算結果

本題例的數理計算要架構的教學概念比較多，應留給學生充足的計算空間，體會數理探究的全過程。教師以問題串的形式進行引導：①不同繁殖方式的頻率變化情況一樣嗎？有沒有規律？②基因型頻率改變一定導致基因頻率改變嗎？反之呢？兩者中誰才是內因？③采用哪種繁殖方式的種群發生了明顯的進化現象？第2種繁殖方式的種群進化了沒有？為什么？④第1種繁殖方式中為什么基因型和基因頻率均沒有發生改變？現實中是否存在？

3.3 解釋(Explain)——哈代—溫伯格定律 教師講述：不同種群由于生存環境的不同，長期自由交配所構建的“基因庫容量和組成”存在一定的差異。選擇的對象是個體的表現型，表現型的被選擇改變了基因型的頻率，又引起基因頻率的變化，這樣繁殖產生的下一代個體中基因、基因型、表現型會發生一定的規律變化。基因頻率的變化方向反映了種群進化的方向。

引導學生進行數理分析：假設一對等位基因A和a在群體中遺傳，它們的頻率分別是P和Q， P+Q=1；當隨機交配時，其子代的基因型是AA、 Aa、 aa，基因型頻率分別為D=P2、 H=2PQ、 R=Q2,則這三種基因型個體產生配子的頻率應是：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。由此可見，子代和親代中A和a的頻率相等不變，這就是遺傳平衡現象。

讓學生閱讀教材P115“思考與討論”，了解遺傳平衡建立的五個必要條件，嘗試解決數理活動1問題：亞洲人群中aa：1/10000→a：1/100,A：99/100→正常人群中：AA∶Aa=99∶2→該正常男子的可能性：AA：99/101 Aa：2/101→婚配后代中aa的可能性：2/101×2/3×1/4=1/303，做到前后呼應、解決新知。

3.4 精致(Elaborate) 給學生安排一個新的學習任務，學生在獲得新的概念后，需要利用這些概念嘗試解決新問題或解釋新現象，以加強對新概念的理解。

課件展示數理活動4：對某動物種群調查分析發現AA∶Aa∶aa=1∶2∶1，A對a為完全顯性。鑒于A、 a基因控制性狀的美觀程度不同，在繁殖季節，個體均選擇與表現型相同的個體自由交配產生后代，請計算F1個體中A：a的比例并預測該種群的進化方向。引導學生計算。

解：由P：AA∶Aa∶aa=1∶2∶1(A∶a=1∶1)可知：

由于P產生F1中A的頻率由1/2上升到3/5,所以朝顯性性狀方向進化。通過計算讓學生了解選擇性雜交對種群進化的影響。

課件展示數理活動5：對某昆蟲種群調查分析發現：AA：30%，Aa：60%，aa：10%。隱性個體體色淺形成保護色而不容易被天敵發現，每年以10%的速率遞增，請計算下一年群體中各基因型和基因的頻率，判斷該種群是否發生進化并預測該種群的進化方向。由此讓學生了解自然選擇對種群進化的影響。

3.5 評價(Evaluate) 隨堂檢測，及時評價。評價問題如下：

(1) 從白化病的患病率角度來分析“為什么現在人群中遺傳病的發生情況呈現逐年減少的情況？”人群是否發生了進化？為什么？

(2) 請用折線圖的方式將活動3(繁殖方式③)、活動4、活動5中基因a及基因型aa頻率的計算結果繪制出來，并討論種群進化的方向及判斷依據？

(3) 根據計算結果，你能總結出導致基因頻率改變的因素有哪些？如果要重新設計一個良種的選育方案，使種群朝著優良的方向進化，你覺得需要考慮哪些因素，如何規避不利因素？

4 教學反思

本節課教學中，在“引入”階段，利用系譜圖中的種群基因型頻率創設兩種頻率的求解情境，引發學生的認知沖突；通過數理活動2和3的“探究”環節，一方面讓學生明確不同染色體上基因頻率的求解方法不同，另一方面則通過對比不同繁殖方式雜交后代中頻率的變化情況，理解“基因頻率導致了基因型頻率的改變”；借助“哈代—溫伯格定律”的“解釋”，在建立理論依據的同時，幫助學生快速的掌握兩種頻率計算的技巧，為后續的數理探究節省時間；在“精致”環節利用數理活動4和5的題例分析，進一步幫助學生理性理解“選擇性雜交和自然選擇會定向改變種群的基因頻率，并定向決定種群的生物進化方向”這一重要的核心概念。

最后通過開放性的“評價”環節，以構建折線圖的方式直觀理解“影響基因頻率變化的常見因素有哪些？”最終達到構建“基因頻率改變”的完整知識鏈。可見，5E教學模式可以在數理探究教學中提供可操作的有力支持，在質疑中主動探究，在探究中解決疑問，在獲得新知的基礎上提升新知應用的能力，數理探究的過程更加條理化、直觀化、科學化。