“基因是有遗传效应的DNA片段”教学设计

王岳琼

(北京中学 北京 100028)

1 教材分析与设计思路

本节是《普通高中生物学课程标准(2017年版)》(以下简称“课标”)中必修课程模块2“遗传与进化”中核心概念3的内容，主要涉及核心概念3“遗传信息控制生物性状，并代代相传”中的“3.1.1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”。概念3主要阐述了遗传信息的化学本质、功能和特点。“基因是有遗传效应的DNA片段”是人教版高中生物学教材《遗传与进化》第3章第4节的内容。

本节课之前，已经学习了遗传规律(初步提出基因与生物性状的关系)、减数分裂中四分体的非姐妹染色单体互相交换片段、DNA的结构与复制。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。

生物学史上，对基因的认识从1865年孟德尔公开发表自己的研究成果开始，人们对基因本质的探索不断深入。教学中，充分利用科学家对基因研究的阶段性成果，作为学习材料，促进学生思维发展。

以上分析，本节知识内容重在揭示“基因是什么”；在教学过程中，以科学史为主线，以任务驱动的方法组织教学。首先，明确本节的学习任务，解决“基因是什么”；然后，利用问题设置和资料分析，引导学生从基因的化学本质、特点和功能三个方面去回答这一问题。

2 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) 通过资料分析，能用结构与功能相适应的观点认识基因的化学本质，并能利用文字和图示的方式表示基因的本质。

(2) 通过对有关基因重组和基因突变资料的分析和讨论，对实验现象做出解释，提高分析问题的能力并阐明基因的特点和功能。

(3) 通过对基因有关材料的阅读，关注基因的相关研究。

3 教学过程

3.1 提出问题 教师提出本节主要任务： 通过本节课的学习，你需要从基因的化学本质、基因的功能和特点，三个方面回答“基因是什么”。

设置这一问题，学生从本节开始就清楚学习任务，使学习有的放矢。

3.2 温故知新 出示资料回顾之前所学。

资料一 1865年孟德尔提出生物的性状是由遗传因子决定的，遗传因子是彼此独立的。生物体形成生殖细胞时，决定同一性状的成对的遗传因子分离，决定不同性状的遗传因子自由组合，随配子遗传给后代。

教师提出问题： 孟德尔的假说中，谈到基因有哪些特点和功能？

根据以上的回顾，引导学生从基因的特点和功能的角度去重新认识基因——基因具有独立性、可遗传的特点，基因的功能可决定生物的性状。

资料二 ①1903年，美国科学家萨顿提出“基因在染色体上”；②1913年，美国科学家摩尔根依据果蝇杂交实验，提出“基因在染色体上呈线性排列”。请学生分析，截翅和朱红眼基因之间是什么关系？这两个基因是同源染色体上的非等位基因，或者说是同一条染色体上的两个基因。通过回顾基因和染色体关系的内容，并通过分析截翅和朱红眼基因的关系，为学生认识到基因是具有遗传效应的DNA片段，DNA中大多数片段不是基因做铺垫。

请学生进一步分析，减数分裂过程中同源染色体的非姐妹染色单体之间会发生DNA片段的交换。提出问题： 染色体的片段交换和基因有什么关系，体现基因具有什么特点？这一设问，是在上述截翅和朱红眼基因之间关系分析的基础上，在学生关注到基因间是有间隔的之后，结合同源染色体的非姐妹染色单体之间发生DNA片段的交换，进一步联想，同源染色体上的非等位基因会因DNA的片段交换而实现染色体上的非等位基因的重新组合。从而得出基因可重组这一特点。

3.3 归纳总结 资料三 结合DNA的结构和教材中“说明基因与DNA关系”资料分析的内容，请学生用文字或概念图的形式描述脱氧核苷酸、DNA、基因、染色体之间的关系，并以图示的形式表示DNA和基因的关系(要求体现出脱氧核苷酸)。

学生首先用文字说明或概念图总结描述，脱氧核苷酸组成基因和非基因的片段，基因和非基因组成DNA， DNA与蛋白质组成了染色体。随后，学生进行绘图，要表现出DNA的碱基排序，基因是DNA的一个片段，两个基因之间有非基因的片段(图1)。通过对比不同学生绘制的DNA碱基排序，引导学生意识到DNA多样性和特异性的原因均是DNA中碱基排序不同。

图1 DNA、基因、脱氧核苷酸之间的关系

设置这一任务，通过学生的画图，看出学生对DNA与基因之间关系的理解是否准确，便于教师及时发现学生的错误并给予指导。通过这一任务，促进学生进一步理解基因的化学本质。

在这里，延续资料二的问题进一步讨论。结合DNA的结构，同源染色体的非姐妹染色单体中的两个DNA之间怎么交换片段？通过这一问题，引导学生结合DNA的结构进行解释，两个DNA分子之间的片段交换，会涉及到DNA中磷酸二酯键的断裂和重建。结合学生绘制的DNA与基因的关系图，继续提出问题，DNA之间交换片段是发生在DNA的什么部位？学生根据同源染色体非姐妹染色体单体的交叉互换可以联想到： 交换可以发生在基因中，也可以发生在基因外部(即非基因片段中)。

3.4 拓展认识 资料四 噬菌体感染大肠杆菌，需要噬菌体的多个基因控制多种蛋白质的合成，当这些蛋白质都合成正常，才能感染成功(可以释放出子代噬菌体)。如果两种噬菌体同时感染同一宿主菌，两种噬菌体在大肠杆菌内合成的蛋白质可以共用，且两者的DNA在宿主细胞内偶尔可以发生片段的交换(类似于同源染色体间的交叉互换)，从而出现重组型噬菌体。科学家将各发生一个基因突变的三种突变型噬菌体r51、 r47、 r106分别感染大肠杆菌，均不能成功感染；而将r51和r106混合感染大肠杆菌后，无论是否发生DNA片段交换，均能感染成功；而将r47和r106混合感染大肠杆菌后，只有发生DNA片段交换，才能感染成功。

请学生根据以上资料，分析： ①r51与r106含有的两种突变基因之间的关系；②r47和r106含有的两种突变基因之间的关系；③DNA片段之间的交换可以发生在什么部位，对基因的影响是什么？

结合资料四，引导学生进行小组讨论，请学生用图示的方法解释上述现象。学生在讨论中会逐渐明晰DNA片段交换的位置。r51、 r47、 r106分别感染大肠杆菌，均不能成功感染，表明这三种噬菌体各自发生的基因突变，使得其侵染大肠杆菌后缺少相应的正常蛋白质，而使噬菌体不能感染成功。r51和r106混合感染大肠杆菌后，无论是否发生DNA片段交换，均能感染成功，表明r51和r106两种噬菌体突变的基因不是等位基因，无论是否发生DNA片段交换，两种噬菌体因正常基因互补，可产生正常的蛋白质，使得感染成功。将r47和r106混合感染大肠杆菌后，只有发生DNA片段交换后，才能感染成功，表明两者的突变基因相当于等位基因。因为r47和r106如不发生交换，两者的突变基因均不能产生正常的蛋白质，导致两者侵染大肠杆菌后缺乏正常蛋白质而不能感染成功。发生交换以后，使得其中一种噬菌体，将基因内部突变的序列与另一噬菌体相应的野生型序列做了交换，获得了野生型基因，可以产生正常的蛋白质从而感染成功(图2)。引导学生进一步深入理解基因和非基因在结构上的共性： 均是由脱氧核苷酸链构成的。基因发生交换(重组)部位其实是可以发生在DNA中任意部位，不仅可以发生在基因外部，也可以发生在基因内部[1]。通过这一分析，加深学生对资料三DNA交换部位的理解。

资料五 粗糙型脉孢霉(一种霉菌)细胞内有以下代谢过程： 当细胞中不能合成精氨酸时，脉孢霉不能在基本培养基上生长。

研究发现，野生型脉胞霉可以完成图3所示代谢途径。脉胞霉基因A突变后，细胞内不能由前体物质合成鸟氨酸；基因B突变后，细胞内鸟氨酸不能转变成瓜氨酸；基因C突变后，细胞不能利用瓜氨酸合成精氨酸。

图2 噬菌体重组实验原理示意图

由以上资料，你认为基因如何决定生物性状？通过这一问题，将基因与蛋白质建立联系——基因决定酶的合成，从而决定生物的性状。

3.5 总结提升 请学生根据以上的全部资料进行总结： 基因的化学本质是具有遗传效应的DNA的片段，对于RNA病毒而言基因是RNA片段；基因的功能是通过控制蛋白质的合成来控制生物性状；基因的特点是可以突变、可以重组。利用这样的总结为后续将要学习的基因表达、生物变异的内容做铺垫。

3.6 拓展阅读 提供含有以下要点的资料供学生阅读： ①基因的终产物不仅是蛋白质，还可以是RNA；②某种蛋白质的合成所需的基因可能是几个，而且可以位于不同的染色体上[2]；③基因在染色体上的位置不是固定不变的，有些DNA是可以移动的；④重叠基因[3]；⑤在基因的碱基排序不改变的情况下，由于DNA的甲基化修饰不同也可以导致表型改变；⑥朊病毒与“蛋白质基因”[4]；⑦2017年我国科学家合成了其中4条人工设计的酿酒酵母染色体，成为继美国之后第二个具备真核基因组设计与构建能力的国家。

为学生提供有关DNA研究的相关资料进行阅读或引导学生查找相关资料进行自主学习。请学生谈一谈有关“基因”的未来研究或者应用方向。

学生通过材料阅读或自主学习，拓展对基因的认识，结合教师的引导问题，提高创新能力，激发学生的学习热情。

4 教学反思

本节的教学设计，从《遗传和进化》模块的整体教学入手。分析本节内容在本模块的位置。本节是总结前三章染色体、DNA、基因三者关系的一节，并揭示“基因”是什么。同时利用“遗传效应”引出下一章“基因的表达”的内容。所以本节内容承上启下。确定本节课在本模块中的地位后，教学主线、教学重点就非常明确了，本节重在解决“基因是什么”这一问题。

模块2内容涉及了基因的化学本质、基因的特点、基因的功能三个主要方面。所以本节课的内容选择也从这三个方面入手，选择资料一“孟德尔对基因的认识”、资料二“萨顿对基因本质的猜想”“摩尔根对基因在染色体上的实证”、资料三“基因化学本质的揭示”、资料四“基因特点的再分析”、资料五“基因功能的发现”。从以上几个层面的内容选择，既起到对之前所学知识的复习与再认识，也起到对后续基因表达和变异内容的铺垫。“基因是什么”这一问题解决之后，引导学生进一步拓展阅读，拓宽学生对基因的认知，了解科学研究是在不断修正中进步。同时最后选取了中国科学家在基因研究中的贡献，提升学生的民族自豪感，同时也促进学生思考自己对社会的责任。