基于问题引领和任务驱动建构核心概念

——“基因通常是有遗传效应的DNA片段”教学设计

青阳中学 冯梦洋

一 教学分析

1. 教材分析及设计思路

本节课是人教版高中生物学教材（2019年版）必修2“遗传与进化”第3章第4节内容，主要介绍了基因与DNA的关系以及DNA分子的多样性和特异性，对应《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）中必修课程模块2“遗传与进化”概念3中的“概述多数生物的基因是DNA分子的功能片段，有些病毒的基因在RNA分子上”。本节课为了解决“水稻CS3基因与水稻叶片黄化之间关系”的问题，围绕“基因通常是有遗传效应的DNA片段”的概念，进行了缜密地安排：通过分析《课程标准》、教材、资料，确定“运用加法原理和减法原理”探究水稻CS3基因的功能；通过资料分析，厘清基因、DNA二者之间的结构关系。本节利用“遗传效应”一词引出后续的“基因的表达”内容。表明课标和教材对基因的探讨并未局限于基因的化学本质，还涉及到基因的功能——基因指导RNA的合成和蛋白质的合成，基因的特点——可突变、可交换等。本节课在必修2教材中起承上启下的作用。

2. 学情分析

本节课之前，学生已经学习了遗传规律（初步提出基因与生物性状的关系），具备了有丝分裂、减数分裂和受精作用等细胞学基础，掌握了染色体的化学组成、蛋白质与核酸的元素组成等相关知识，这为学习基因的本质奠定了认知基础。高一学生具备了一定的认知能力，思维的目的性、连续性和逻辑性也己初步建立，但还很不完善，他们对事物的探究有激情，但往往对探究的目的性及过程，结论的形成缺乏理性的思考。所以在学习过程中教师要发挥好引导作用，教师可通过创设问题情境，设置问题串的方式引导学生进行探究性学习和合作学习。从而提高学生的逻辑思维能力和分析概括能力，从而养成善于分析善于交流讨论和与他人合作的能力。

二 教学目标

基于课程标准的内容要求、学业要求和学业质量标准，并围绕培养学生核心素养的要求，制订了如下教学目标：

（1）通过分析水稻有关基因与DNA关系的资料，采取分析、比较、讨论、提取等方法，用结构与功能相适应的观点概述基因的本质。

（2）运用自变量控制中的加法原理和减法原理，设计“水稻黄化是否与CS3基因有关?”的实验方案，发展科学探究的精神及能力。

（3）通过动手制作模型，说出DNA分子遗传信息蕴藏于碱基的排列顺序中。运用数学计算和比较不同基因序列的方法，认识到 DNA分子中碱基对的排列顺序是千变万化的，这决定了DNA分子的多样性和特异性。在操作实践、交流讨论、引导启发中提升科学思维和科学探究的能力。

（4）运用DNA分子的特性解释DNA指纹技术和测序技术在罪犯刑侦、亲子鉴定等方面的应用，认同科学技术在人类社会生活中的应用价值。

三 学习重点和难点

1. 学习重点  深度理解基因、DNA、染色体三者之间关系

2. 学习难点  理解基因中脱氧核苷酸序列与遗传信息多样性的关系

四 教学过程

（一）情境创设，引出问题

水稻是我国重要的粮食作物之一，提高水稻产量是一项关系国计民生的重要科研工作。某科研团队在水稻田发现几株黄化水稻，苗期就慢慢死亡，不能结穗，严重影响粮食产量，阐明水稻叶片黄化机制，可帮助科研人员找寻进一步提高水稻高产的途径和方法。

资料一：对水稻的基因进行检测后发现，黄化水稻CS3基因异常。已有研究表明CS3基因位于叶绿体内，其控制的CS3蛋白参与光合色素的合成，CS3基因正常的水稻称为野生型，CS3基因异常的水稻称为突变体。提出问题：CS3基因异常是不是导致水稻黄化的原因？

设计意图：引出水稻CS3基因与水稻黄化的真实科研情境，在问题引领下，引导学生像科学家那样经历研究过程，激起他们的探究热情。

（二）分析问题，建构概念

1、“基因有遗传效应”

学生提出假说：CS3基因异常是导致水稻黄化的原因。如何设计实验证明CS3基因异常导致水稻黄化？该探究实验的自变量与因变量分别是什么？如何对自变量进行控制？要求学生独立思考、小组讨论并写出实验思路，各组交流、教师指导修正后确定方案：根据自变量控制中的减法原理，在野生型背景下进行基因敲除获得敲除水稻；根据加法原理，在突变体背景下进行基因互补获得互补水稻，并观察敲除水稻、野生型、突变体和互补水稻表型。接着展示不同株系水稻表型图片（图1），学生分析：敲除水稻和突变体表型一致，叶片均呈现黄化，互补水稻叶片颜色表型恢复至野生型水平，能正常结穗。得出实验结论：水稻CS3基因异常会导致叶片黄化。

              图1                                      图2

接着追问：水稻CS3基因异常为什么会导致叶片黄化？引导学生进一步探寻水稻CS3基因缺陷导致叶片黄化的原因。展示不同株系水稻光合色素含量柱形图（图2），学生分析：突变体光合色素含量远低于野生型，基因互补后水稻光合色素恢复，得出结论：水稻CS3基因通过参与光合色素合成控制绿色叶片性状。继而教师引导得出“基因具有遗传效应”。再追问：DNA是遗传信息的携带者，基因与DNA的关系是怎样的？

2、“基因是DNA的片段”

资料二：水稻CS3基因是DNA上一段长度为2981个碱基对的片段。水稻基因组的12条染色体上共有12个DNA分子，大约含有4.3亿个碱基对，其中的一些碱基对组成了约3.8万个基因。

让学生独立思考：①基因与DNA在数量上有何关系？②推理基因与DNA在结构上的关系是什么？学生分析后说出：基因数目远多于DNA数目，基因可能是DNA上的片段。

接着展示资料三：研究发现基因在DNA上的分布是不连续的，由碱基序列将其分开（图3）。

图3

教师提出：根据以上资料，请从DNA水平上给基因下一个定义，要求既能反映基因与DNA的关系，又能体现基因的作用。学生总结出基因初步概念：基因是有遗传效应的DNA片段。

3、“基因通常是有遗传效应的DNA片段”

资料四：水稻的基因是DNA片段，但2019-CoV 、HIV、流感病毒内只有RNA，这些病毒体内同样含有控制蛋白质合成的基因。提出问题：基因是否一定是有遗传效应的DNA片段？在问题引领下，完善基因概念：基因通常是有遗传效应的DNA片段。

设计意图：本环节通过实验探究明晰水稻CS3基因功能，通过资料分析初探CS3基因结构，以问题引领驱动学生自主学习、交流合作，引导学生主动参与探究过程、提取材料关键信息，逐步理解基因与DNA的关系，水到渠成地得出基因的概念，培养学生的实验设计能力，结构与功能观和获取信息的能力。此环节遵循从个性到共性、从功能到结构的顺序安排教学活动，引导学生逐步探明基因本质。

（三）分析结构，探明特性

1、“碱基的排列顺序千变万化，构成DNA分子多样性”

资料五：水稻中存在3.8万个基因，包含ATP合成酶基因、水稻器官发育基因、抗病基因、耐寒性基因等，这些基因携带不同的遗传信息，控制不同的性状。这说明DNA必然蕴含了大量的遗传信息。DNA只含有4种脱氧核苷酸，为什么能够储存大量的遗传信息呢？

学生活动1：请同学们利用代表磷酸、脱氧核糖和碱基的模型搭建水稻DNA片段的平面结构（图4），并尝试回答上述问题。学生构建模型后总结：基因内部4种碱基的排列顺序蕴藏遗传信息。继续追问：100个碱基对可能有多少种排列顺序？学生通过数学计算，明晰碱基的排列顺序千变万化，构成DNA分子的多样性。

2、“碱基的特定的排列顺序，构成DNA分子特异性”

学生活动2：请同学们继续利用代表磷酸、脱氧核糖和碱基的模型搭建水稻CS3基因片段（5'-ATGG-3'  

3'-TACC-5'）的平面结构。并结合资料六：事实上，大部分随机排列的脱氧核苷酸序列从来不曾出现在生物体内，而有些序列都会在生物体内重复数千次甚至数百万次。资料七：研究表明，每个人的 DNA都不完全相同，因此DNA也可以像指纹一样用来识别身份，这种方法就是 DNA指纹技术。因为每个人的 DNA指纹都是独一无二的，所以我们可以根据分析指纹图谱的吻合程度来帮助确认身份。思考：你认为基因是碱基对随机排列成的DNA片段吗？为什么？学生分析得出：每个基因有特定的碱基序列，即基因具有特异性。

3、DNA分子多样性和特异性的应用

    带领学生分析DNA测序技术在肉源鉴定﹑亲子鉴定﹑辅助生殖等方面的应用，使学生感悟DNA分子特性的应用。

设计意图：通过基因结构模型构建、数学计算和资料分析的方法，让学生进一步理解、认同DNA分子的特性。介绍相关技术，拓宽学生眼界，培养学生的社会责任。此环节遵循从共性到个性、从功能到结构、从理论到应用的顺序安排教学活动，引导学生逐步探明基因特性。

（四）构建概念，提升认知

安排任务：仔细观察图片（图4），建构染色体、DNA、基因、脱氧核苷酸、碱基的关系。教师引导学生通过建构本节课的概念图来做最后总结和深化（图5）。

图4

图5

五 课后习题

1、如图所示细胞中与基因有关的物质或结构，请分析并回答下列问题：

（1）细胞内的遗传物质是[ ]________，基因和b的关系是_________________________。

（2）遗传物质的主要载体是[ ]________，基因和a的关系是________________________。

（3）c和b的关系是_____________________________，b被彻底水解后的产物是________(填字母)。

（4）如果基因存在于________上，则其遗传方式与性别相关联，这就是________。这种遗传方式既遵循________定律，又有特殊性。

答案 (1)b DNA 基因通常是有遗传效应的DNA(b)片段 (2)a 染色体　基因在染色体(a) 上呈线性排列 (3)脱氧核苷酸(c)是组成DNA(b)的基本单位 d、e、f (4)性染色体　伴性遗传　基因分离

2、如图表示一个DNA分子上三个片段A、B、C，请回答下列相关问题：

（1）片段A和片段B之所以能称为基因，是因为它们都是____________________________。

（2）片段A和片段B的不同之处是_______________________________________________。

（3）片段C和片段A的不同之处是_______________________________________________。

（4）在人类染色体DNA不控制生物体性状的片段中有一部分是串联重复的序列，它们在个体之间具有显著的差异性，这种短序列应该位于图中的___________________________。

答案 (1)一段具有遗传效应的DNA片段，能控制一定的生物性状 (2)其内部的遗传信息(或脱氧核苷酸的排列顺序)不同 (3)片段C中的碱基序列不携带遗传信息，不具有遗传效应 (4)基因间区C

六 板书设计