人教版必修2 种群基因频率的改变与生物进化 第1课时 教案2.docx

人教版必修2 种群基因频率的改变与生物进化 第1课时 教案2.docx

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人教版必修2种群基因频率的改变与生物进化第1课时教案2

种群基因频率的改变与生物进化

1教材分析

（一）教材的地位和作用

生物进化论是在生物学具有重要地位的基础理论,是对人们的自然观和世界观有着重要影响的理论。

而《现代生物进化理论的主要内容》是高中生物教学中阐释进化的核心章节,是林林总总进化理论中为大多数人普遍接受的以自然选择为核心的综合进化理论,包括三小节,本小节的内容是生物进化的实质是种群基因库在环境的选择作用下的定向改变,它既是前面达尔文的遗憾在遗传学发展到分子水平的柳暗花明,又是后面物种形成这种质变的量变发生和积累。

（二）教材简析

本节教材的核心概念是生物进化的实质是在自然选择下种群基因频率的定向改变,包含了三个子概念,种群是进化的基本单位,突变和基因重组是进化的原材料,自然选择决定进化的方向。

教学内容在教材设置上比较简洁抽象,但实际上存在着严密的逻辑关系、蕴含着科学研究的方法和思想,其中两个活动“思考与讨论——用数学方法讨论基因频率的变化”及“探究——自然选择对种群基因频率变化的影响”都是运用数学方法进行研究,前者涉及群体遗传学中哈代—温伯格平衡的内容,但未出现这一名词和相应的数学公式,后者是对自然选择对基因频率变化方向影响的抽象论证,强调用数学方法,而不是实验材料来实际操作,对能力有较高要求。

（三）教学总体目标分析

学生通进本节内容的学习,不仅可以了解生物进化在达尔文之后的发展,把握生物进化的实质,进一步树立进化观点和辩证唯物主义观点,而且在推导自然选择对基因频率的影响过程中,尝试数学方法在科学研究中的应用,有助于理性思维的发展。

二、学情分析

在学生的知识储备方面,本章第一节介绍了达尔文的自然选择学说的主要内容,在分析该学说贡献的同时,讨论了它的局限性,为修正、深入和扩展达尔文自然选择学说埋下了伏笔,也为本节继续讨论现代生物进化理论奠定了基础。

又通过本模块遗传部分的学习,学生已经知道遗传的两大定律,遗传和变异的分子基础及基因与性状的关系,这些都是学习本节内容的重要基础。

在高中偏重理论学习中,适当的动手操作活动易激起学生的学习兴趣,在亲身实践中形成经验,通过观察思考能有效地获得知识的提升,这符合学生认知特点。

而高二学生已有的研究性学习经验及我校高中生物开放性作业的常态化,又使他们具有了一定的分析问题、解决问题、自主学习、合作探究的能力。

这也是本节活动设计的重要依据。

3教学策略的选择与设计

1、基于前述的学生认知能力特征,本节课设计了“自然选择是如何影响等位基因频率的?

”的模拟活动,即模拟食虫鸟的捕猎对桦尺蠖种群体色的影响,并通过推算基因频率的变化来感受演化的实质,布置学生在课外以小组合作方式来完成,并尝试数学建模。

活动的设计改编自人教版高中生物必修二第一章第二节的“性状分离比的模拟”及美国高中生物教材《生命的动力》中的网络生物实验“自然选择和等位基因频率”（活动任务具体见附录一）。

因为我校生物课外探究活动的常态化,学习小组可自主选择利用课余时间,分工协作完成探究活动。

通过模拟活动,学生对自然选择下基因频率的改变有了直观的认识,在数据分析中,相关的数学模型也有初步的意向,所以课堂设计要侧重反映学生作为有经验学习者的主体性特征及新知识构建中的生成性特征,因此课堂环节的流程设计为:

活动的背景、目标、步骤的解读——学生活动的结果交流——建构数学模型及核心概念。

2、现代生物进化理论林林总总,却以自然选择学说为核心的综合进化理论为大多数人普遍接受,其重要原因就是它经得起理性思维的锤炼,并不断完善。

因此本节课以桦尺蠖体色变化究因溯源为主线索,采用论证式教学的策略。

提供素材“英国生物学家凯特威尔的标志重捕法实验及遗传学家马杰鲁思7年如一日的观察。

”,论证达尔文的自然选择学说;对于基因层面上来解释桦尺蠖体色变化是无法直接观察论证的过程,则通过学生模拟活动结果的数据分析及数学模型的建构来推理论证。

采用论证式教学可以促进学生理解科学概念和科学本质并发展科学的思维。

3、在现代生物进化理论的研究中经常用到数学和统计学的方法,本节教材是侧重相关概念的理解及数学方法的运用,由于学生在课前通过模拟活动的数据处理已发现一定的规律,有此基础,所以本节课的设计可以同学生一起更深入地推导发现哈代温伯格定律的公式及适用条件,以及影响基因频率选择效应的数学曲线模型建构,从而丰富学生阐述生物现象的表达形式,进一步培养和训练学生的理科思维。

4教学目标

~一、知识与技能

1.解释种群、种群基因库、基因频率等概念。

2.概述种群是生物进化的单位;

3.掌握基因频率的计算方法;

4.说明生物进化的实质是自然选择下种群基因频率的定向改变。

二、过程与方法

1.尝试用黑白围棋子模拟自然选择对等位基因频率的影响过程。

2.尝试用数学方法推导哈代温伯格平衡定律及自然选择对基因频率的定向改变。

三、情感、态度与价值观

1.形成生物进化的观点。

2.体验科学论证的严谨性。

5重点难点

重点

1、种群、基因频率的概念;

2、运用数学方法讨论种群基因频率的变化;

3、理解突变和基因重组、自然选择在生物进化过程中的作用。

难点:

1、基因频率的概念。

2、突变和基因重组是进化的原材料。

3、自然选择对基因频率的作用。

6教学过程

6.1第一学时

6.1.1教学活动

活动1【导入】复习达尔文的自然选择学说

观察幻灯片:

有几只桦尺蠖?

活动2【活动】活动背景解读

为什么我们要选择这远在英国一个小镇的桦尺蠖来研究呢?

因为关于它体色变化和原因的论证有着完整的资料。

试着解释为什么工业革命后,桦尺蠖体色黑的变多了?

（用达尔文自然选择观点解释）

提供资料:

20世纪50年代,英国生物学家凯特威尔的实验:

他在工业污染严重的地区进行野外实验,将同等数量的雄性的黑蛾和浅色蛾做了标记,然后释放。

一周后,他用汞汽灯和未交配的雌蛾作为诱饵捕捉雄蛾,重新捕获的黑蛾的比例,大约是重新捕获的浅色蛾的两倍。

后来,他又在未受污染的地区重复实验,结果与上一次恰恰相反,重新捕获的浅色蛾的比例,大约是重新捕获的黑蛾的两倍。

剑桥大学遗传学教授麦克·马杰鲁斯的观察:

他用七年的时间每天花上几个小时用望远镜观察、记录鸟类在他家的花园捕食桦尺蠖的情况。

他观察到,由于剑桥没有被污染,黑蛾的确比灰斑蛾更容易被鸟类捕食。

他的结论是:

鸟类有选择的捕食是2001年到2007年间剑桥的黑蛾频率下降的一个主要因素。

问:

1）凯特威尔用了什么研究方法?

（标志重捕法、对照实验）

2）重污染区的浅色桦尺蠖和轻污染区的黑色桦尺蠖都到哪去了?

（被鸟吃了,也可能有学生答熏黒的）

3）这是直接证据还是间接推论?

（间接推论）

4）马杰鲁斯的观察是直接证据吗?

（是）

在众多生物学家的努力下,通科学论证的方法让这不起眼的小蛾成为证明达尔文自然选择学说的最有力的证据。

活动3【活动】活动目标解读

但体色会随着桦尺蠖个体的死亡而结束,但这个性状为什么能在下一代延续呢?

（基因）

二十世纪遗传学已发展到分子水平,现在对进化的认识已透过性状这个表象而关注到本质——基因的扩散了。

我们这次的活动是从分子层面上来解释桦尺蠖的体色变化,这是一个无法直接观察论证的过程,所以我们用模拟活动来演绎这个过程。

展示活动目标:

:

自然选择是如何影响种群的基因频率的?

用黑白围棋子来模拟自然选择对等位基因频率的影响,计算5个世代以内的基因型频率和基因频率的变化,并解释自然选择是如何随时间推移而影响等位基因频率的。

为什么把基因频率的变化放在种群这个范畴内讨论呢?

先回顾什么是种群?

（生活在一定区域的同种生物的全部个体。

）

种群是群落的基本单位。

概念中的“种”怎样理解?

马和驴是同一种生物吗?

指导看书,（在自然状态下相互交配并且产生可育后代的一种生物。

）

归纳是繁殖的基本单位。

那么基因的扩散为什么要放在种群这个范围呢?

马的基因能扩散到驴身上吗?

（不会）

理解种群是基因扩散的范围,是进化的基本单位。

展示表格:

问A+B+C+。

。

。

表示什么?

（基因库）

A1、A2等表示什么?

（等位基因）

A1%表示什么?

（基因频率）

什么是基因频率?

（某种基因个数/全部等位基因数）

能否推导出什么是基因型频率?

（基因型频率=该基因型个体数/该种群个体总数）

活动4【活动】活动步骤解读

接下来,解读活动步骤,

1.取两个盒子,每个盒子放入黑白各半的50个棋子,并摇匀。

设黑棋子为G,白棋子为g。

2.分别从两个盒子内随机抓取一个棋子,组合在一起,记下两个棋子的字母组合,再将棋子放回原来的盒子内。

3.重复2步骤50次,以“正”字记录下子一代的基因型组成的数据分布,并算出每种基因型的频率,记录在表格内。

这个活动看上去象是数学活动,这节课我们回到它的生物学含义上。

问:

1、两个盒子模拟什么?

每个盒子里配子有几种类型?

占比分别是多少?

（种群中的所有雌个体和雄性个体,2种,50%）

2、两个盒子都是随机抓取棋子代表了什么?

来自两个盒子的棋子的字母组合在一起代表什么?

（随机交配,受精作用）

3、第3步抓取50次代表什么?

（有50个后代）

活动5【活动】学生活动结果的汇报及哈代温伯格定律的推算、用数学方法推算自然选择对基因频率的影响

这50个后代接下来可能遇到以下三种环境,A.自然界对翅色这种性状无作用,没有淘汰;B.在食虫鸟的作用下,30%的深色桦尺蠖和70%的浅色桦尺蠖被淘汰。

C.工业污染更严重,有10%的深色桦尺蠖和90%的浅色桦尺蠖被淘汰。

先请A种压力的同学来介绍你们的研究结果。

学生汇报实验结果并回答问题:

1、通过原始活动记录单介绍你是怎样由子一代的基因型频率推算子一代基因频率的?

指导学生由基因型频率直接推导基因频率。

（通进原始记录单介绍子一代基因频率的推算过程。

G%=G/（G+g）G%=GG%+1/2（Gg%））

2、观察绘制的基因频率变化曲线,发现有什么规律?

能否用数学方法推算出这种规律?

（在50%上下波动演示推算过程:

→子一代基因型频率→子一代基因频率）

3、分析你的实验结果与数学方法推算的结果在数值上差异的原因。

在什么情况下,才能更接近理论值?

（样本数不足造成的与理论值的差异。

数据足够多时,即种群足够大时。

）

如果一开始,基因频率不是各50%,那又是怎样的结果,子代的基因频率会不会改变呢?

设种群里基因G%=p,g%=q,p+q=1,能否用数学方法推算出亲子代基因频率不变?

提示:

1）先求子一代基因型频率;（提供表格）2）再推算子一代基因频率。

3）表格略

（学生推导讨论。

完成表格推导,子一代基因频率:

G=p2+1/2*2pq=p2+p（1-p）=p）

哈迪—温伯格定律也称遗传平衡定律,其主要内容是指:

在理想状态下,各等位基因的频率和等位基因的基因型频率在遗传中是稳定不变的,即保持着基因平衡。

需要满足的条件是什么?

补充示意图分析:

如果发生了突变或是种群间的个体迁移,这个定律能否适用?

（学生整理:

1）种群极大的。

2）交配是随机的;3）没有自然选择;4）没有突变;5）种群间不存在个体的迁移或基因交流;）

在自然条件下,这样的种群是不存在的,也就说明种群的基因频率迟早要发生变化。

那么在环境作用下,基因频率发生怎样的改变呢?

请B、C组学生汇报。

学生汇报实验结果并回答问题:

1、通过原始活动记录单介绍你们是怎样模拟环境对桦尺蠖体色的选择的?

你们又是怎样计算出子一代基因频率的?

（在数据分布中,随机去掉30%的GG+Gg,及70%的gg,如果计算结果是小数,四舍五入。

）

2、观察绘制的基因频率变化曲线,发现有什么规律?

能否用数学方法推算出这种规律（选择B、C组的同学推算时要假定环境对GG和Gg的压力是一样的）?

提供表格,比较各组结果出入,分析原因。

（G增加,g减少汇报数据,同压力组间对比,分析出入。

）

3、分析你的实验结果与数学方法推算的结果在数值上差异的原因。

（种群小造成的偏差,及淘汰的随性,对GG和Gg的作用不同。

）

提问:

从基因层面上解释桦尺蠖的体色改变。

（环境不利于浅色基因频率,浅色基因频率下降,故黑色桦尺蠖增多,浅色桦尺蠖减少。

）

活动6【活动】活动成果

自然选择直接作用于表现型,导致基因型频率的改变,进而引起基因频率的定向改变。

所以进化发展到分子水平,透过生物的适应性及个体的生存斗争这些生命现象,生物进化的实质成了基因的复制、变异和淘汰,变异留到下节课学习。

推荐生物学家道金斯的《自私的基因》:

它不是科幻,而是科学。

在这里,作者把个体看作是运载基因的生存机器,很多个体层面上无法用进化解释的生命现象他却能从基因层面破解,在逻辑上竟也至严密清晰,不得不让人信服、深思而遐想。

活动7【练习】巩固知识

1、病人感染细菌患病后,细菌会对机体产生一定的影响。

如果服用抗生素药物来治疗,短时间内有一定的疗效。

请根据右侧图示,判断下列说法正确的是（）

A细菌抗药性基因频率A点的比C点的高

BB点以后细菌种群的增长曲线是“S”型曲线

C如果停止使用抗生素药物,细菌的抗药性会减弱

D长时间使用抗生素,使细菌产生变异,出现抗药性更强的细菌

2、果蝇灰身（B）对黑身（b）为显性,现将纯种灰身果蝇和黑身果蝇杂交,产生的Fl代雌雄果蝇随机交配,产生F2代,将F2代中所有黑身果蝇除去,让灰身果蝇自由交配,产生F3代,问F3代中灰身和黑身果蝇的比例为:

（）

A.3∶1B.5∶1C.8∶1D.9∶1