6.3 种群基因组成的变化教学设计-2025-2026学年高一下学期生物人教版必修2

该高中生物学教学设计聚焦种群基因组成的变化，涵盖种群、基因库、基因频率等概念，通过曼彻斯特桦尺蛾案例导入，从自然选择解释体色变化过渡到表型与基因的关系，引出种群是进化基本单位，搭建从个体到群体的学习支架。 特色是以数字化问题情境驱动科学思维，如基因频率计算、不同条件下模型建构，结合桦尺蛾案例分析自然选择作用，体现进化与适应观。通过学生判断种群、计算分析等活动培养探究实践能力，帮助学生理解进化实质，为教师提供结构化教学流程和可操作活动设计。

教学设计 课程基本信息 学科 生物 年级 高一年级 学期 春季 课题 一 种群基因组成的变化 教学目标 1.阐述种群、种群基因库、基因频率等概念的内涵，阐明种群是生物繁殖和进化的基本单位。 2.运用数学方法计算种群的基因频率和基因型频率，建构不同条件下种群基因频率变化的数学模型。 3．通过比较不同条件下种群基因频率的变化规律，阐明自然选择对种群基因频率变化的影响。 教学重难点 教学重点： 1. 种群、种群基因库、基因频率等概念。 2. 可遗传的变异、自然选择在生物进化中的作用。 教学难点： 1. 运用数学方法讨论种群基因频率的变化。 2. 自然选择对种群基因频率变化的影响。 教学过程 【情境导入】 情境资料：英国的曼彻斯特地区有一种桦尺蛾（其幼虫叫桦尺蠖），其体色表现有黑色和浅色两种。在19世纪中叶以前，曼彻斯特地区的桦尺蛾几乎都是浅色型的，到了20世纪中叶黑色型的桦尺蛾却成了常见的类型。研究者们经过对桦尺蛾生活习性以及当地生态环境的研究发现：桦尺蛾夜间活动，白天栖息在树干上；19世纪时，曼彻斯特地区的树干上长满了浅色的地衣。后来，随着工业的发展，工厂排出的煤烟使地衣不能生存，结果树皮裸露并被熏成黑褐色。 问题1：结合上述信息，尝试运用自然选择学说解释这一现象？ 学生分析、教师点拨得出：随着树干变黑，桦尺蛾种群中黑色个体生存并留下后代的机会多，经过代代繁殖，群体中黑色个体就会越来越多，最终通过逐代积累使得黑色型的桦尺蛾成了常见的类型。 问题目2：在自然选择过程中，直接受选择的是桦尺蛾的基因型还是表型呢？ 学生分析、教师点拨得出：自然选择直接作用的是生物的个体，而且是个体的表型。但是个体会死亡，个体的表型也会随着个体的死亡而消失，能随着生殖而世代延续并且在群体中扩散的是决定表型的基因。因此，研究生物的进化，仅研究个体和表型是不够的，还必须研究群体基因组成的变化。 教师指出：在生物学上，一个种群就是一个繁殖的单位，也就是说，这里的群体是指种群。那，什么是种群呢？ 【学习任务一】种群和种群基因库 学生阅读教材：种群的概念。 学生活动1：【学习任务一】1.判断以下描述是否属于种群： ①一个池塘内的全部青蛙蝌蚪 ②卧龙自然保护区中的全部大、小熊猫 ③一个湖泊中的全部鱼 教师点拨：以上三个描述，均不属于种群，蝌蚪只是该种生物的幼体，没有囊括全部个体；大熊猫和小熊猫是两个物种，不属于同种生物；而鱼是一类生物，包括了多个物种。 教师指出：种群的特点：种群中的个体并不是机械地集合在一起，而是彼此可以交配，并通过繁殖将各自的基因传给后代（实现基因的交流与传递）。种群在繁衍过程中，个体有新老交替，基因却代代相传。 学生得出：【学习任务一】2.种群是生物 繁殖 的基本单位。 教师指出：在曼彻斯特地区生活着的全部桦尺蛾就是一个种群，它们可以通过繁殖将各自的基因遗传给后代。那么，随着繁殖代数的增加，桦尺蛾种群的基因组成会有什么变化吗？如果有变化，那能从基因组成的变化来解释该桦尺蛾种群体色的变化吗？要准确的回答这些问题，需要先学习种群的基因库、基因频率、基因型频率等内容。 学生阅读教材：种群基因库、基因频率的概念。 教师指出：一个种群中全部个体所含有的全部基因，叫作这个种群的基因库，一个种群的基因库包括了这个种群所有个体所含有的所有基因。而在一个种群基因库中，某个基因占全部等位基因数的比值，叫做基因频率。如果用列数学式的方法来表达，那就是该基因的总数比上该对等位基因的总数，再乘以100%；与之类似的，该基因型个体数比上该种群个体总数，再乘以100%，就是某种基因型个体的基因型频率。 学生活动2：【学习任务一】3.【数字化问题情境1】杂交实验表明，桦尺蛾的体色受一对等位基因S和s控制，黑色（ S ）对浅色（ s ）是显性的。 （1）假设从曼彻斯特地区的桦尺蛾种群中随机抽取100个个体，测得基因型为SS、Ss、ss的个体分别是30、60和10个,那么S、s的基因频率分别是多少？ （2）假设从曼彻斯特地区的桦尺蛾种群中随机抽取若干个体，测得基因型为SS的个体占 25% 、Ss占50% 、ss占25%，那么S、s的基因频率分别是多少？ 教师点拨：在第（1）问的计算中，就S和s这对等位基因来说，每个个体可以看作含有2个基因，那么，这100个个共有200个基因，其中30个SS个体含有60个S基因，60个Ss个体含有60个S基因，于是，S基因的数量是120个，频率是60%，同理，s基因的频率为40%。 在第（2）问的计算中，就S和s这对等位基因来说，SS个体中只含有S基因，Ss个体中S基因占1/2，于是，S基因的频率= 30% +60% × 1/2 = 60%，同理，s基因的频率为40%。 教师设问：随着种群的繁殖，桦尺蛾种群的基因组成会有什么变化吗？ 学生活动3：【学习任务一】3.（3）假设该桦尺蛾①种群非常大， ②所有的雌雄个体间都能自由交配并产生后代， ③没有迁入和迁出， ④不同体色的个体生存和繁殖的机会是均等的， ⑤基因S和s都不产生突变（基因突变和染色体变异的统称），根据孟德尔的分离定律计算。 亲代基因型的比值 SS（30%） Ss（60%） ss（10%） 配子的比值 S（ ） S（ ） s（ ） s（ ） 子代基因型频率 SS（ ） Ss（ ） ss（ ） 子代基因频率 S（ ） s（ ） 根据计算结果分析： ①想一想，子二代、子三代以及若干代以后，种群的基因频率会同子一代一样吗？ ②上述计算结果是建立在5个假设条件基础上的。对自然界的种群来说，这5个条件都成立吗？你能举出哪些实例？ ③如果该种群出现新的突变型（基因型为S2s或S2S2），也就是产生新的等位基因S2，种群的基因频率会发生变化吗？基因S2的频率可能会怎样变化？ 教师点拨：就S和s这对等位基因来说，SS个体产生的配子全都含有S基因，Ss个体产生的配子中只有1/2含有S基因，于是，亲本产生的配子中含有S基因的占60%，同理，含s基因的配子占40%。受精时，雌雄配子的结合是随机的，由此可计算出子代的基因型频率分别为36%、48%、16%，紧接着，可继续根据子代的基因型频率计算出子代的基因频率分别为60%和40%。 分析计算结果，不难发现，子一代的基因频率与亲代是一样，由此可以推测，如此繁殖下去，种群的基因频率会同子一代一样，不发生变化。但是，上述计算结果是建立在5个假设条件基础上的。对自然界的种群来说，这5个条件会同时成立吗？显然是不可能的，例如，桦尺蛾体色与环境色彩较一致的，被天敌发现的机会就少一些，而生存和繁殖的机会就大一些。 再比如，基因突变具有普遍性，如果该种群产生了新的等位基因S2，由于新基因产生后也会加入种群基因的交流与传递，所以种群的基因频率是会发生变化的，并且新基因的频率是上升还是下降，要看这一突变对生物体是有益的还是有害的，也就是看这一突变是否适应其生存环境。从以上3个问题的分析，不难发现，同时满足5个假设条件是一种理想状态，而自然条件下，这样的种群是不存在的，这也从反面说明了在自然界中，种群的基因频率迟早要发生变化。 教师设问：那么，哪些方面的变化会引起种群基因频率的变化呢？ 【学习任务二】种群基因频率的变化 学生活动4：学生阅读课本112页，并思考【学习任务二】中的以下问题 1.可遗传的变异有哪些来源？它们与生物进化有怎样的关系？ 2.生物自发突变的频率很低，而且许多突变是有害的，那么，它为什么还能够作为生物进化的原材料呢？ 3.基因重组如何使种群中出现多种多样可遗传的变异类型？ 4.突变和重组都是随机的、不定向的，那么，种群基因频率的改变是否也是不定向的呢？ 教师点拨：可遗传的变异来源于基因突变、基因重组和染色体变异，其中，基因突变和染色体变异统称为突变。达尔文曾明确指出，可遗传的变异提供了生物进化的原材料，而现代遗传学研究也表明，基因突变是产生新基因的途径，从而可能使生物体出现新的性状，为生物的进化提供了丰富的原材料。染色体变异会引起染色体数目、染色体上的基因数目或排列顺序发生改变，从而导致性状的变异，为生物的进化提供原材料。 生物自发突变的频率很低，而且许多突变是有害的，那么，它为什么还能够作为生物进化的原材料呢？这是因为，一个种群是由许多个体组成的，每个个体的细胞中都有成千上万个基因，这样，尽管自发突变的频率很低，但每一代仍会产生大量的突变。至于突变的有害和有利，可以借助课本114页的课后习题4.来分析（学生思考这道练习题）。同一突变体在不同的气温条件下生存能力有明显的差异，这无疑说明了突变的有害或有利并不是绝对的，这往往取决于生物的生存环境。 基因突变产生的新基因，通过有性生殖过程中的基因重组可以形成多种多样的基因型，进而使种群中出现多种多样可遗传的变异类型，因此，基因重组同样可作为生物进化的原材料。 教师设问：突变和基因重组都是随机的、不定向的，那么种群基因频率的改变是否也是不定向的呢？ 【学习任务三】自然选择对种群基因频率变化的影响 学生活动5：【学习任务三】1.【数字化问题情境2】假设：1870年，桦尺蛾种群的基因型频率为SS 10%，Ss 20%，ss70%，S基因的频率为20%。在树干变黑这一环境条件下，假如树干变黑不利于浅色桦尺蛾的生存，使得种群中浅色个体每年减少10%，黑色个体每年增加10%。第2~10年间，该种群每年的基因型频率各是多少？每年的基因频率是多少？ 提示：不同年份该种群的个体总数可能有所变化。 （1）计算，将计算结果填入表中（课本113页） （2）分析计算结果，得出结论 （3）根据计算结果，对环境的选择作用的大小进行适当调整，比如，把浅色个体每年减少的数量百分比定高些，重新计算种群基因型频率和基因频率的变化，与（1）中所得的数据进行比较。 教师点拨：计算时需注意，不同年份该种群的个体总数会有所变化。分析结果不难发现，随着树干变黑导致的浅色个体减少、黑色个体增加，S基因的频率逐渐升高，而s基因的频率逐渐降低。由此，可以得出结论：环境的选择作用使桦尺蛾种群中s基因频率越来越低，S基因的频率越来越高，也就是说，自然选择使桦尺蛾种群的基因频率发生定向改变，从而使桦尺蛾种群体色发生了变化。 那环境选择作用的大小对种群基因频率的变化会有什么影响吗？同学们可以对环境的选择作用的大小进行适当调整，比如，把浅色个体每年减少的数量百分比定高些，重新计算种群基因型频率和基因频率的变化，与（1）中所得的数据进行比较，这一任务留给学生课后完成。 教师指出：随着工厂排出的煤烟导致树干变黑最终却引起了桦尺蛾种群体色的变化，这一案例告诉我们，人类的生活和生产活动会对生态环境造成影响，因此，建设生态文明，践行经济、社会和生态相互协调的可持续发展理念，应成为全社会的共识！ 学生活动5：【学习任务三】2. 归纳阐述自然选择对种群基因频率变化的影响？ 回归教材：在自然选择的作用下，种群的基因频率会发生定向改变（进化的实质），导致生物朝着一定的方向不断进化。具体表现为：在自然选择的作用下，具有有利变异的个体有更多的机会产生后代，种群中相应基因的频率会不断提高；相反，具有不利变异的个体留下后代的机会少，种群中相应基因的频率会下降。 【课堂小结】构建可遗传的变异、自然选择、种群基因频率变化三者间的概念图 学科网（北京）股份有限公司 $