种群基因频率的改变与生物进化教学设计葛丽侠.docx
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种群基因频率的改变与生物进化教学设计葛丽侠
教学设计
阜阳一中葛丽侠
必修2第7章现代生物进化理论
第二节一种群基因频率的改变与生物进化
一、设计思想
《高中生物课程标准》在“课程设计思路”中明确指出必修2模块有助于学生认识生命的延续和发展,领悟假说演绎、建立模型等科学方法及在科学研究中的应用;生物的遗传变异与环境变化在进化过程中的对立统一,形成生物进化观点。
在具体内容标准“说明现代生物进化理论的主要内容”给出了两个活动建议:
收集生物进化理论发展的资料和用数学方法讨论基因频率的变化。
这些活动与《标准》的课程基本理念中倡导探究性学习,力图改变学生的学习方式,引导学生主动参与、乐于探究、勤于动手,逐步培养学生收集和处理科学信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力,以及交流与合作的能力等,突出创新精神和实践能力的培养是相互呼应的。
在本节中以上的观点和能力培养在学生活动中得以充分体现。
鉴于以上考虑,在教学的过程中,利用教材又不拘泥于教材,使用“教学案”,提供生物学史的拓展阅读和训练,引导学生通过种群基因频率的计算模型的建立,进一步了解遗传平衡定律;通过运用数学分析模拟遗传平衡定律的发现提高对基因频率变化的原因的认识,形成生物进化的观点。
引导学生探究“自然选择对种群基因频率变化的影响”使学生领悟假说演绎法在生物进化理论研究中的应用。
二、教学目标
知识
1、解释种群是生物进化的基本单位。
2、简述基因频率的概念及基因频率的计算方法。
3、说出突变和重组为生物进化提供原材料的原因。
4、举例说明自然选择在生物进化中的作用。
能力
1、运用数学方法讨论种群基因频率的变化。
2、运用生物进化观点解释一些生物现象。
3、领悟建立模型和假说演绎法在生物进化理论研究中的应用
情感态度与价值观
形成“变是绝对的,不变是相对的”“量变会引起质变”“内因与外因相互作用”等对立统一的观点。
形成生物进化的观点和生物进化理论在发展的观念。
三、教学策略与手段
1、教学重点及解决方法
[教学重点]
⑴种群、物种、基因频率等概念。
⑵突变和基因重组、自然选择在生物进化过程中的作用。
[解决方法]
(1)通过具体的实例和计算来理解相关的概念。
(2)通过探究活动的教学理解自然选择在生物进化过程中的作用。
2、教学难点及解决方法
[教学难点]
(1)基因频率的概念与计算。
(2)自然选择对种群基因频率的影响。
(3)领悟建立模型和假说演绎法在生物进化理论研究中的应用
[解决方法]
(1)通过练习计算基因频率,“遗传平衡定律”发现及应用的拓展训练建立“基因频率”计算的数学模型,掌握概念,理解其在生物进化理论中的作用。
(2)指导学生阅读教材P116—117的资料,提出问题→作出假设→制定探究方案。
进一步掌握运用数学方法讨论基因频率的变化。
理解自然选择决定生物进化方向。
(3)提供拓展阅读了解进化的生物学史,体会假说演绎法的应用。
[课时安排]:
2课时
四、教学过程
教学内容
教师的组织和引导
学生活动
教学意图
第一课时
复习导入新课
一、种群是进化的基本单位
1、种群
2、种群基因库
3、基因频率
4、用数学方法讨论基因频率的变化
5、遗传平衡定律
组织学生复习上节课内容:
达尔文的自然选择学说的主要内容。
提出问题:
达尔文的学说的局限性是什么?
达尔文对生物的进化解释局限于个体水平,对于遗传和变异的本质不清楚。
组织学生看书和阅读教学案相关内容,理解种群的概念。
让学生阅读课文
引导学生总结基因频率的计算及公式推导。
师生互动总结
种群中某基因频率=种群中该基因总数/种群中该对等位基因总数×100%
种群中某基因型频率=该基因型个体数/该种群的个体数×100%
种群中某基因频率=该基因控制的性状纯合体频率+1/2×杂合体频率
教师巡回指导,解答学生的疑问,引导学生完成探究过程。
指导学生阅读教学案中补充的“遗传平衡定律的发现及其意义”的内容。
提出问题:
对自然界的种群来说,这五个条件都成立吗?
举例说明。
学生看书讨论,回答问题。
阅读课文,教学案探究有关种群、种群基因库、种群基因频率的概念及公式的建立和使用。
学生进一步推导已知基因型频率求基因频率公式。
学生先进行课文P115思考与讨论的有关计算,回答有关问题。
再进行教学案中“用数学方法讨论基因频率的变化”的拓展计算
学生阅读,分组讨论,完成有关计算,回答问题
从已有认知发现新问题,进入种群是进化的基本单位的学习。
让学生在已经了解遗传变异的基础上自主探究基因频率的有关数学模型构建。
培养学生运用数学方法讨论问题的能力,体会假说演绎在此过程中的应用。
为引入遗传平衡定律打下基础。
了解科学发现的方法,形成群体遗传学概念,为深刻理解种群是进化的基本单位打下基础。
教学内容
教师的组织和引导
学生活动
教学意图
6、总结提高
作业布置
提出问题:
为什么说种群是进化的基本单位?
总结如下:
1、个体可以死去,只要其中某些个体生殖,基因可以代代相传。
2、个体的有利突变基因只有通过在群体中进行有性生殖,才有可能传递积累。
3、个体的基因型是不变的,并且不会一成不变地传给下一代个体,但是种群基因库却可以在繁殖的过程中维持相对的稳定。
自然选择作用的是种群,本质上是种群基因库。
4、如果一个个体不能与种群中其他个体交配产生后代,这个个体在进化上就没意义。
完成教学案中第一课时有关训练题,阅读教学案中第二课时的拓展阅读资料
讨论总结,交流。
通过本节课的学习最后再一次总结提升,让学生深入理解种群是生物进化的基本单位的多重理由,有利于辩证思维能力的培养,为进一步学习进化论打下基础。
为下一课时的探究活动做准备。
第二课时
教学内容
教师的组织和引导
学生活动
教学意图
导入新课
二、突变和基因重组产生进化的原材料
复习提问:
从上节大家已经知道,种群是生物进化的基本单位,生物进化的实质是种群基因频率的改变,那么影响种群基因频率变化的根本原因是什么?
教师结合学生的回答,不断质疑、启发、引导。
1、在三种可遗传的变异来源中,基因突变和染色体变异可以统称为突变。
突变和基因重组对于种群遗传组成的改变一样吗?
为什么?
2.分析突变与基因重组的关系。
3.在自然情况下,突变的频率很低,且多数有害,对生物进化有重要意义吗?
3.看课本P116的某海岛上残翅和无翅昆虫的图片及资料了解有利变异的标准是什么?
学生回答引入:
变异
学生思考讨论、总结发言
学生看书、思考、相互交流
巩固知识,导入下一论点
帮助学生把可遗传变异的类型,特点、关系梳理清楚,
了解有利变异的标准是:
是否适应环境的观点。
理解一起现象都是内因与外因相互作用的结果。
教学内容
教师的组织和引导
学生活动
教学意图
三、自然选择决定生物进化的方向
四、作业设计
1、对照教学案分组进行“探究自然选择对种群基因频率变化的影响”的探究活动,教师巡回观察指导、解答个别同学的疑问。
2、汇总学生的探究结果和探究过程中存在的疑问。
进行解答释疑。
3、引导学生阅读拓展中的进化论发展史的重要环节介绍短文<<凯特威尔的蛾子>>
教学案有关练习及课后习题
学生分组进行阅读、讨论、计算、填表、回答问题
汇报交流,提出探究过程中感到困惑的问题。
阅读、思考
培养学生进行科学探究的能力,合作互助、大胆质疑的精神。
通过这段科学史的学习,体会假说演绎法贯穿在进化论研究的过程中,培养学生的科学探究能力,形成生物进化的正确观点。
认识到科学的研究是讲究实验证据的,是永无止境的。
教学反思:
这节内容集中了现代生物进化论的核心概念及思想方法,是对学生运用数学方法进行科学探究能力的极好的训练素材,也是对立统一观点、辩证思维方法的集中体现。
假说演绎法更是贯穿其中,如果不充分调动学生的积极性,让学生自己动手动脑去亲自探究体会,而是觉得课本的思考与讨论的计算和探究的计算简单而一带而过,怕浪费时间,怕麻烦。
学生的能力很难提高,存在的问题也很难发现,这节课会一直是学生的难点。
在教学中借助教学案补充了生物学史的内容,特别是<<凯特威尔的蛾子>>中介绍的过程与方法,学生很感兴趣,也很受启发。
今后的教学中要更注重多收集资料,进行必要的补充拓展。
附件教学案
第7章现代生物进化理论
第二节现代生物进化理论的主要内容
一种群基因频率的变化与生物进化
第一课时
探究活动1:
情景:
如果在灰色翅(基因型为aa)昆虫的群体中偶然出现一只绿色翅(Aa)的变异个体,且绿色比灰色更不容易被敌害发现。
讨论题目:
1.根据达尔文“适者生存、不适者淘汰”的观点,该绿色个体能被选择下来吗?
2.如果该绿色基因能很好的生活下来,他体内的A基因怎样才能传递给后代?
探究活动2:
阅读教材114页倒数第二段
1.怎样的一群个体可以称为种群呢?
2.一个生物的“种”或“物种”与种群又有什么区别呢?
[巩固练习]:
1.下列属于种群的是
A.一块水田里的全部水稻、水草
B.一块稻田里的全部幼蚜、有翅、无翅的成蚜
C.一块朽木上的全部真菌
D.一个池塘中全部鱼
2.下列关于种群的说法不正确的是
A.同一种群的个体可以自由交配
B.种群是生物繁殖的基本单位
C.中国大陆上所有老虎是一个种群
D.种群是生物进化的基本单位
3.生物进化的基本单位
A.个体B.基因C.种群D.群体
探究活动3:
1.什么是基因库?
基因频率的含义是什么?
2.基因频率的计算
某昆虫种群中,绿色翅的基因为A,褐色翅的基因位a,调查发现AA、Aa、aa的个体分别占30%、60%、10%、那么A、a的基因频率是多少?
[巩固练习]:
4.下列关于基因库的叙述,正确的是
A一个种群种一个个体所含有的全部基因叫做这个种群的基因库
B一个种群种全部个体所含有的显性基因叫做这个种群的基因库
C一个种群种全部个个体所含有的全部基因叫做这个种群的基因库
D一个种群的基因库会随着种群中一代一代的死亡而消减和灭亡
5.在一个种群种随即抽取一定的数量的个体,其中AA、Aa、aa的个体分别占24%、72%、4%、那么A、a的基因频率是多少?
A.36%和64%B.57%和43%C.24%和72%D.60%和40%
3.用数学方法讨论基因频率的改变
假设讨论题2中①昆虫群体数量足够大,②全部的雌雄个体间都能自由交配并能产生后代,③没有迁入与迁出,④AA、Aa、aa三种基因型昆虫的生存能力完全相同(也就是说自然选择对A、a控制的翅型性状没有作用),⑤也没有基因突变和染色体变异。
(1)计算子一代、子二代、子三代的基因频率与基因型频率
子一代
子二代
子三代
基因型频率
AA
Aa
aa
基因频率
A
A
(2)分析一下各代基因频率与基因型频率相同吗?
(3)上述计算结果是在满足五个假设条件的基础上计算的,对自然界的种群来说,这五个条件都能成立吗?
特别是如果第⑤点假设成立这与前面我们所学的基因突变的哪个特性相违背?
4.拓展阅读:
遗传平衡定律
1、遗传平衡定律,也称哈代—温伯格定律(即Hardy-Weinberg定律),是英国Hardy和德国Weinberg分别于1908年和1909年独立证明的。
主要内容是:
在一定条件下,群体的基因频率和基因型频率在一代又一代的繁殖传代中保持不变。
这条件是:
(1)在一个很大的群体;
(2)随机婚配而非选择性婚配;(3)没有自然选择;(4)没有突变发生;(5)没有大规模迁移。
假设在一个理想的群体中,某基因位点上的两个等位基因Y和y,若基因Y的频率为p,基因y的频率为q,则p+q=1,基因型YY的频率为p2,基因型yy的频率为q2,基因型Yy的频率为2pq,且p2+2pq+q2=1。
2.群体的遗传平衡和等位基因频率推算 由于人类群体中大多数遗传性状都处于遗传平衡状态,据此可计算等位基因频率。
如已知某种常染色体隐性遗传病(白化病)在一特定人群中频率,就能计算这个异常基因的携带者和基因频率。
白化病发病(aa)(q2)的频率为1/10000,即其基因型频率,则致病基因(a)频率=[]=1/100=0.01;基因A的频率=1-0.01=0.99;而杂合子携带者的频率为2pq=2×99/100×1/100≈1/50。
因此,在比例中,每个受累的个体将有200个左右在临床上无症状的携带者。
常染色体显性遗传病,如并指症,在一个群体多为杂合子(Aa)发病。
杂合子(H)的频率为2pq,由于q值大,近于1,故H=2p,p=1/2H。
因此,只要知道杂合子发病率,就易求得基因A的频率。
如并指症的发病率为1/1000,H=1/2000,p=1/2H=1/4000,即致病基因A的频率为0.。
X连锁遗传性状也符合遗传平衡定律。
因为女性中的基因频率及基因型频率分布和常染色体相同,而男性是半合子,其基因频率.基因型频率与表型频率相同。
至于罕见的常染色体隐性遗传病纯合子患者频率(q2)很低,所以2pq=2(1-q)q=2q-1q2=2q,即杂合子携带者频率(2pq)约为致病基因频率的2倍,故致病基因多以携带者的方式存在于一个群体中。
在前述白化病中,发病率1/10000,q为0.01,携带者频率约为2q,即2×0.01=0.02(1/50)
练习
1、在欧洲人群中,每2500人就有1人患囊性纤维变性,这是一种常染色体遗传病。
如果一对健康的夫妇生有一个患病的儿子,该女子离婚后又与另一健康男子再婚,则婚后他们生一患病男孩的概率是:
A.1/25B.1/100C.1/200D.1/625
2、对某校学生进行色盲遗传病调查研究后发现:
780名女生中有患者23人、携带者52人;820名男生中有患者65人,那么该群体中色盲基因的频率是多少?
3、在一个植物种群中,AA个体占1/4,Aa个体占1/2,aa个体占1/4,aa个体在幼苗阶段死亡,种群个体自由交配产生子代,求后代成熟植株中AA和aa个体所占比例为
四、哈迪-温伯格定律的意义
哈迪-温伯格定律揭示了群体中基因频率和基因型频率的本质关系,成为群体遗传学研究的基础。
用基因频率和基因型频率描述群体的遗传结构,将平衡作为一个基准,当满足哈迪-温伯格定律的条件时,群体的遗传结构保持不变,生物群体才能“保持”群体遗传特性的稳定性。
如果我们需要保持动物群体的遗传特性,世代相传,就应创造条件,使基因频率和基因型频率不变。
保护动物品种资源就需要这样做。
反之,我们想“改良”一个动物品种,让群体的遗传结构改变,就需打破平衡。
同一群体内的个体间遗传差异主要是等位基因的差异,而同一物种内,不同群体间遗传差异主要是基因频率的差异。
哈迪-温伯格定律也给“动物育种”提供启示,要想提高群体生产水平,可通过选择,增加有利基因的频率。
当改变基因频率的因素不存在时,基因频率又因随机交配而达到新的平衡。
第二课时
实验六探究自然选择对种群基因频率变化的影响
[目的要求]
学会用数字化问题情境的方法探究自然选择在生物进化中的作用
[方案设计]
一、提出问题
桦尺蠖种群中S基因(决定浅色性状)的频率为什么越来越低呢?
二、猜想假设
自然选择使桦尺蠖种群基因频率_______________向改变。
三、设计实验
1、创设数字化的问题情境
2、计算以后2—10年的基因频率完成图表
3、调高环境选择作用,使浅色个体每年减少的百分率提高,在此情况下重新计算,再完成图表
4、根据步骤“2、3”表中基因频率数据得出结论
[实验过程]
一、材料用具
计算器、记录本等
二、方法步骤和记录
1、创设数字化情况:
1870年,桦尺蠖种群基因频率如下:
SS10%、Ss20%、ss70%,S基因频率为_________%。
在树干变黑的环境下,不利浅色桦尺蠖的生存,每年减少10%,黑桦尺蠖每年增加10%。
2、计算2—10年间,SS、Ss、ss三种基因型个体的相对数量变化(取整数)
相对个体数年份
基因型
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
SS
10
11
Ss
20
22
ss
70
63
[误区警示]
每年的种群个数总数是变化的,所以计算式的分母并非总是200,应当用个体相对数量表中的当年总数代入公式。
3、计算SS、Ss、ss基因型频率及S、s基因频率
(1)基因型频率=
×100%
(2)S基因频率=
×100%
(3)s基因频率=1-S基因频率
三、现象观察
将计算结果记录到下表(保留小数点后一位数)
频率年份
基因型
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
基因型频率
SS
10%
Ss
20%
ss
70%
基因频率
S
20%
S
80%
四、实验结论
自然选择使桦尺蠖种群中基因频率____________改变。
五、实验评价
计算结果,是否支持你作出的假设
[问题探究]
一、问题思考
1、树干变黑会影响桦尺蠖种群中浅色个体的出生率吗?
为什么?
2、在自然选择中,直接受选择的是基因型还是表现型?
为什么?
二、探究创新
探究使用农药对害虫抗药基因频率的影响
[巩固练习]
1.滥用抗生素往往会导致细菌耐药性的产生。
(1)细菌抗药性变异的来源属于。
(2)尽管在细菌菌群中天然存在抗药性基因,但是使用抗生素仍可治疗由细菌引起的感染,原因在于菌群中。
(3)细菌耐药性的形成是抗生素对细菌进行的结果,其内在实质是。
(4)在抗生素的作用下,细菌往往只要一到两代就可以得到抗性纯系。
而有性生殖的生物,淘汰一个原来频率较低的隐性基因,形成显性纯合子组成的种群的过程却需要很多代,原因是。
2. Ⅰ、生物进化的实质是种群基因频率的改变,其中影响种群基因频率的因素有很多,如自然选择、基因突变、基因重组、遗传漂变、生物个体的迁入和迁出等。
某中学生物研究小组为探究人工选择对种群基因频率是否有影响时,选用了纯种长翅果蝇和残翅果蝇进行实验。
已知果蝇的长翅(B)对残翅(b)为显性,基因位于常染色体上。
他们的实验过程如下:
㈠选择一只纯种雄性长翅果蝇与一只雌性果蝇进行杂交,获得子一代雌雄果蝇;
㈡让子一代果蝇连续自由交配5次,同时在每一代中都要除去残翅果蝇;
㈢当子六代所有长翅果蝇自由交配后,统计子七代中长翅果蝇和残翅果蝇在种群的百分比;
㈣根据残翅果蝇的百分比计算出B、b基因在种群中的基因频率,得出结论。
请分析回答:
⑴该实验过程的设计是否科学?
请说出你的理由。
________________________________________________________________________
⑵若让你对此实验过程进行改进,请设计出改进后的步骤:
①选择一只纯种雄性长翅果蝇与一只雌性残翅果蝇进行杂交,获得子一代雌雄果蝇;
②__________________________________________________________________
③__________________________________________________________________
④__________________________________________________________________
⑶请预期这种人工选择对种群基因频率的影响:
____________________________________________________________________
【拓展阅读】
<<凯特威尔的蛾子>>
方舟子
原载《科学世界》2002年第11期
如果我们一定要给生物学找一个生日的话,可以把它定在1859年11月24日。
在那一天,达尔文经20年小心谨慎的准备,出版了《物种起源》。
从此生物学的研究与超自然因素断绝了一切关系,而成为一门真正的科学。
这本伟大的著作包含着两个主题:
首先,它试图证明一个事实,即所有的生物都是由其他生物进化而来的,而且都来自共同祖先;其次,它试图证明一个机理,即自然选择是生物进化的最主要方式。
有关生物进化的证据是如此的众多和确凿,到达尔文逝世时(1882年),他的“共同祖先学说”基本上已被生物学家们所一致接受。
但是他的“自然选择学说”的命运却完全不同。
在他的生前和逝世后相当长一段时间内都只有少数生物学家接受自然选择学说,而多数生物学家虽然接受生物进化的事实,却宁愿用后天获得性遗传或巨突变等其他现在已知是错误的机理解释这个事实。
直到1950年代,自然选择学说才被学术界所普遍接受,这时候距离达尔文提出这个学说已近百年。
为什么自然选择学说——这个现代生物学最重要的理论之一——的命运如此坎坷?
一个重要因素是,达尔文找不到一个合理的遗传理论来解释自然选择。
事实上,这个遗传理论早在1865年就已经由一位奥地利修道士孟德尔发现,但是却被学术界完全忽略了。
具有讽刺意味的是,当孟德尔遗传定律在1900年被重新发现时,遗传学家们却认为它宣告了自然选择学说的死亡,因为在他们看来,该定律是和自然选择不相容的。
过了大约20年,英国人费歇(R.A. Fisher)、荷尔登(J.B.S.Haldane)和美国人莱特(S.G.Wright)才开始用数学方法,从理论上证明了孟德尔遗传学和达尔文进化论不仅不相冲突,而且恰恰是达尔文梦寐以求的遗传学!
在30年代,从俄国移民的美国遗传学家杜布赞斯基(T.Dobzhansky)以果蝇为实验材料,
证实了这些理论证明,在理论上和实验上统一了达尔文主义和孟德尔主义,激发了各个领域的生物学家都共同研究这一问题,最终导致了达尔文主义成了生物学的主流。
自然选择学说长期被忽视的另一个原因是,达尔文没能为之提供直接的证据。
他根据的是逻辑推理和一些间接证据,在理论上固然无懈可击,但是人们总会怀疑:
这是不是实际发生的?
在达尔文看来,自然选择是一个极其缓慢的过程,因此人们是不可能直接观察到它的作用的。
达尔文家乡一种叫做桦尺蛾的蛾子将证明达尔文在这一点上过于悲观了。
桦尺蛾在英文中被称做“斑点蛾”,之所以这么叫是因为在19世纪中叶之前采集到的这种蛾的种类都是浅灰色的翅膀上散布着一些斑点。
在1848年,昆虫学家首次在工业城市曼彻斯特附近采集到了黑色翅膀的桦尺蛾标本。
之后,采集到的黑蛾标本越来越多,而且都集中在空气污染严重的工业化地区。
到1895年,曼彻斯特附近的黑蛾所占的比例激增到接近100%,而在非工业化地区,灰斑蛾仍然占绝对优势。
在1896年,塔特(J.W.Tutt)首先提出这种“工业黑化”现象可能是由于鸟类不容易发现、捕食停在覆盖着煤烟的树干上的黑蛾,而灰斑蛾更容易被捕食导致的
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