“基因是有遺傳效應的DNA片段”教學設計

王岳瓊

(北京中學 北京 100028)

1 教材分析與設計思路

本節是《普通高中生物學課程標準(2017年版)》(以下簡稱“課標”)中必修課程模塊2“遺傳與進化”中核心概念3的內容，主要涉及核心概念3“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”中的“3.1.1概述多數生物的基因是DNA分子的功能片段，有些病毒的基因在RNA分子上”。概念3主要闡述了遺傳信息的化學本質、功能和特點?！盎蚴怯羞z傳效應的DNA片段”是人教版高中生物學教材《遺傳與進化》第3章第4節的內容。

本節課之前，已經學習了遺傳規律(初步提出基因與生物性狀的關系)、減數分裂中四分體的非姐妹染色單體互相交換片段、DNA的結構與復制。本節利用“遺傳效應”一詞引出后續的“基因的表達”內容。表明課標和教材對基因的探討并未局限于基因的化學本質，還涉及到基因的功能——基因指導RNA的合成和蛋白質的合成，基因的特點——可突變、可交換等。本節課在必修2教材中起承上啟下的作用。

生物學史上，對基因的認識從1865年孟德爾公開發表自己的研究成果開始，人們對基因本質的探索不斷深入。教學中，充分利用科學家對基因研究的階段性成果，作為學習材料，促進學生思維發展。

以上分析，本節知識內容重在揭示“基因是什么”；在教學過程中，以科學史為主線，以任務驅動的方法組織教學。首先，明確本節的學習任務，解決“基因是什么”；然后，利用問題設置和資料分析，引導學生從基因的化學本質、特點和功能三個方面去回答這一問題。

2 教學目標

基于課程標準的內容要求、學業要求和學業質量標準，并圍繞培養學生核心素養的要求，制訂了如下教學目標：

(1) 通過資料分析，能用結構與功能相適應的觀點認識基因的化學本質，并能利用文字和圖示的方式表示基因的本質。

(2) 通過對有關基因重組和基因突變資料的分析和討論，對實驗現象做出解釋，提高分析問題的能力并闡明基因的特點和功能。

(3) 通過對基因有關材料的閱讀，關注基因的相關研究。

3 教學過程

3.1 提出問題 教師提出本節主要任務： 通過本節課的學習，你需要從基因的化學本質、基因的功能和特點，三個方面回答“基因是什么”。

設置這一問題，學生從本節開始就清楚學習任務，使學習有的放矢。

3.2 溫故知新 出示資料回顧之前所學。

資料一 1865年孟德爾提出生物的性狀是由遺傳因子決定的，遺傳因子是彼此獨立的。生物體形成生殖細胞時，決定同一性狀的成對的遺傳因子分離，決定不同性狀的遺傳因子自由組合，隨配子遺傳給后代。

教師提出問題： 孟德爾的假說中，談到基因有哪些特點和功能？

根據以上的回顧，引導學生從基因的特點和功能的角度去重新認識基因——基因具有獨立性、可遺傳的特點，基因的功能可決定生物的性狀。

資料二 ①1903年，美國科學家薩頓提出“基因在染色體上”；②1913年，美國科學家摩爾根依據果蠅雜交實驗，提出“基因在染色體上呈線性排列”。請學生分析，截翅和朱紅眼基因之間是什么關系？這兩個基因是同源染色體上的非等位基因，或者說是同一條染色體上的兩個基因。通過回顧基因和染色體關系的內容，并通過分析截翅和朱紅眼基因的關系，為學生認識到基因是具有遺傳效應的DNA片段，DNA中大多數片段不是基因做鋪墊。

請學生進一步分析，減數分裂過程中同源染色體的非姐妹染色單體之間會發生DNA片段的交換。提出問題： 染色體的片段交換和基因有什么關系，體現基因具有什么特點？這一設問，是在上述截翅和朱紅眼基因之間關系分析的基礎上，在學生關注到基因間是有間隔的之后，結合同源染色體的非姐妹染色單體之間發生DNA片段的交換，進一步聯想，同源染色體上的非等位基因會因DNA的片段交換而實現染色體上的非等位基因的重新組合。從而得出基因可重組這一特點。

3.3 歸納總結 資料三 結合DNA的結構和教材中“說明基因與DNA關系”資料分析的內容，請學生用文字或概念圖的形式描述脫氧核苷酸、DNA、基因、染色體之間的關系，并以圖示的形式表示DNA和基因的關系(要求體現出脫氧核苷酸)。

學生首先用文字說明或概念圖總結描述，脫氧核苷酸組成基因和非基因的片段，基因和非基因組成DNA， DNA與蛋白質組成了染色體。隨后，學生進行繪圖，要表現出DNA的堿基排序，基因是DNA的一個片段，兩個基因之間有非基因的片段(圖1)。通過對比不同學生繪制的DNA堿基排序，引導學生意識到DNA多樣性和特異性的原因均是DNA中堿基排序不同。

圖1 DNA、基因、脫氧核苷酸之間的關系

設置這一任務，通過學生的畫圖，看出學生對DNA與基因之間關系的理解是否準確，便于教師及時發現學生的錯誤并給予指導。通過這一任務，促進學生進一步理解基因的化學本質。

在這里，延續資料二的問題進一步討論。結合DNA的結構，同源染色體的非姐妹染色單體中的兩個DNA之間怎么交換片段？通過這一問題，引導學生結合DNA的結構進行解釋，兩個DNA分子之間的片段交換，會涉及到DNA中磷酸二酯鍵的斷裂和重建。結合學生繪制的DNA與基因的關系圖，繼續提出問題，DNA之間交換片段是發生在DNA的什么部位？學生根據同源染色體非姐妹染色體單體的交叉互換可以聯想到： 交換可以發生在基因中，也可以發生在基因外部(即非基因片段中)。

3.4 拓展認識 資料四 噬菌體感染大腸桿菌，需要噬菌體的多個基因控制多種蛋白質的合成，當這些蛋白質都合成正常，才能感染成功(可以釋放出子代噬菌體)。如果兩種噬菌體同時感染同一宿主菌，兩種噬菌體在大腸桿菌內合成的蛋白質可以共用，且兩者的DNA在宿主細胞內偶爾可以發生片段的交換(類似于同源染色體間的交叉互換)，從而出現重組型噬菌體?？茖W家將各發生一個基因突變的三種突變型噬菌體r51、 r47、 r106分別感染大腸桿菌，均不能成功感染；而將r51和r106混合感染大腸桿菌后，無論是否發生DNA片段交換，均能感染成功；而將r47和r106混合感染大腸桿菌后，只有發生DNA片段交換，才能感染成功。

請學生根據以上資料，分析： ①r51與r106含有的兩種突變基因之間的關系；②r47和r106含有的兩種突變基因之間的關系；③DNA片段之間的交換可以發生在什么部位，對基因的影響是什么？

結合資料四，引導學生進行小組討論，請學生用圖示的方法解釋上述現象。學生在討論中會逐漸明晰DNA片段交換的位置。r51、 r47、 r106分別感染大腸桿菌，均不能成功感染，表明這三種噬菌體各自發生的基因突變，使得其侵染大腸桿菌后缺少相應的正常蛋白質，而使噬菌體不能感染成功。r51和r106混合感染大腸桿菌后，無論是否發生DNA片段交換，均能感染成功，表明r51和r106兩種噬菌體突變的基因不是等位基因，無論是否發生DNA片段交換，兩種噬菌體因正?；蚧パa，可產生正常的蛋白質，使得感染成功。將r47和r106混合感染大腸桿菌后，只有發生DNA片段交換后，才能感染成功，表明兩者的突變基因相當于等位基因。因為r47和r106如不發生交換，兩者的突變基因均不能產生正常的蛋白質，導致兩者侵染大腸桿菌后缺乏正常蛋白質而不能感染成功。發生交換以后，使得其中一種噬菌體，將基因內部突變的序列與另一噬菌體相應的野生型序列做了交換，獲得了野生型基因，可以產生正常的蛋白質從而感染成功(圖2)。引導學生進一步深入理解基因和非基因在結構上的共性： 均是由脫氧核苷酸鏈構成的。基因發生交換(重組)部位其實是可以發生在DNA中任意部位，不僅可以發生在基因外部，也可以發生在基因內部[1]。通過這一分析，加深學生對資料三DNA交換部位的理解。

資料五 粗糙型脈孢霉(一種霉菌)細胞內有以下代謝過程： 當細胞中不能合成精氨酸時，脈孢霉不能在基本培養基上生長。

研究發現，野生型脈胞霉可以完成圖3所示代謝途徑。脈胞霉基因A突變后，細胞內不能由前體物質合成鳥氨酸；基因B突變后，細胞內鳥氨酸不能轉變成瓜氨酸；基因C突變后，細胞不能利用瓜氨酸合成精氨酸。

圖2 噬菌體重組實驗原理示意圖

由以上資料，你認為基因如何決定生物性狀？通過這一問題，將基因與蛋白質建立聯系——基因決定酶的合成，從而決定生物的性狀。

3.5 總結提升 請學生根據以上的全部資料進行總結： 基因的化學本質是具有遺傳效應的DNA的片段，對于RNA病毒而言基因是RNA片段；基因的功能是通過控制蛋白質的合成來控制生物性狀；基因的特點是可以突變、可以重組。利用這樣的總結為后續將要學習的基因表達、生物變異的內容做鋪墊。

3.6 拓展閱讀 提供含有以下要點的資料供學生閱讀： ①基因的終產物不僅是蛋白質，還可以是RNA；②某種蛋白質的合成所需的基因可能是幾個，而且可以位于不同的染色體上[2]；③基因在染色體上的位置不是固定不變的，有些DNA是可以移動的；④重疊基因[3]；⑤在基因的堿基排序不改變的情況下，由于DNA的甲基化修飾不同也可以導致表型改變；⑥朊病毒與“蛋白質基因”[4]；⑦2017年我國科學家合成了其中4條人工設計的釀酒酵母染色體，成為繼美國之后第二個具備真核基因組設計與構建能力的國家。

為學生提供有關DNA研究的相關資料進行閱讀或引導學生查找相關資料進行自主學習。請學生談一談有關“基因”的未來研究或者應用方向。

學生通過材料閱讀或自主學習，拓展對基因的認識，結合教師的引導問題，提高創新能力，激發學生的學習熱情。

4 教學反思

本節的教學設計，從《遺傳和進化》模塊的整體教學入手。分析本節內容在本模塊的位置。本節是總結前三章染色體、DNA、基因三者關系的一節，并揭示“基因”是什么。同時利用“遺傳效應”引出下一章“基因的表達”的內容。所以本節內容承上啟下。確定本節課在本模塊中的地位后，教學主線、教學重點就非常明確了，本節重在解決“基因是什么”這一問題。

模塊2內容涉及了基因的化學本質、基因的特點、基因的功能三個主要方面。所以本節課的內容選擇也從這三個方面入手，選擇資料一“孟德爾對基因的認識”、資料二“薩頓對基因本質的猜想”“摩爾根對基因在染色體上的實證”、資料三“基因化學本質的揭示”、資料四“基因特點的再分析”、資料五“基因功能的發現”。從以上幾個層面的內容選擇，既起到對之前所學知識的復習與再認識，也起到對后續基因表達和變異內容的鋪墊?！盎蚴鞘裁础边@一問題解決之后，引導學生進一步拓展閱讀，拓寬學生對基因的認知，了解科學研究是在不斷修正中進步。同時最后選取了中國科學家在基因研究中的貢獻，提升學生的民族自豪感，同時也促進學生思考自己對社會的責任。