基于科學思維培養的表觀遺傳教學設計

安徽 程 燕 黃賢輝

1.教材分析與設計思路

本節課為新人教版高中生物學教材必修2第4章第2節“基因表達與性狀的關系”第2課時，《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)的基本理念之一是內容聚焦大概念。在《課程標準》中的大概念是“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”，重要概念是“親代傳遞給子代的遺傳信息主要編碼在DNA分子上”。而表觀遺傳在《課程標準》中屬于次位概念，教學目標為“概述某些基因中堿基序列不變但表型改變的表觀遺傳現象”。在此之前，學生已學習了遺傳信息的轉錄和翻譯兩個重要過程、中心法則和基因表達產物與性狀的關系，這些都為本節課的教學奠定了良好的基礎。

本節課針對表觀遺傳概念的構建采用科學探究模式，基于同卵雙胞胎表型的差異和從信息傳遞的角度提出問題，作出假設；在實驗探究階段基于教材給出的兩則資料，通過設置問題串、小組合作交流和模型建構的方式展開概念教學。學生在分析資料、解決問題的過程中，逐步透過現象看本質，建立表觀遺傳的概念。

“科學探究”是指能夠發現現實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及對結果的交流與討論的能力。基于此，筆者通過本年級的兩對同卵雙胞胎自述彼此的差異導入新課，引發學生的認知沖突，激發學生探究的興趣，順勢提出問題和作出假設；隨后呈現教材的兩則資料，創設問題情境引導學生基于事實和證據運用歸納與概括、模型與建模和批判性思維等科學思維方法，分析表觀遺傳現象的特點及其產生的分子機制，探討表觀遺傳修飾對基因決定生物體性狀的觀點的評價等概念內涵，完成概念的構建；最后，通過對不良生活方式和吸煙等社會議題的討論，引導學生分析和解決現實生活中的生物學問題，以提高社會責任意識。

2.教學目標

筆者依據《課程標準》的內容要求、學業要求及學業質量標準并圍繞培養學生學科核心素養的要求，制訂了如下教學目標：

(1)通過分析資料及實驗結果，運用DNA甲基化解釋柳穿魚花形態改變和F1小鼠毛色不同的分子機制，提高學生的歸納與概括能力。

(2)運用“結構與功能相適應”的生物學觀念，利用概念模型闡釋表觀遺傳現象的本質，提高學生建模的思維能力。

(3)通過實例分析，感受基因控制性狀的復雜性，并參與社會議題的討論。

3.教學設計流程(圖1)

圖1 教學設計流程圖

4.教學過程

本節課以“科學探究—資料分析—模型建構”為主線設計教學。創設生活情境，以認知沖突促進學生從現實生活中發現可以探究的問題，遵循科學探究的一般步驟。基于資料分析，采用問題串進行逐級遞進分析，在發展學生科學探究能力的同時，也可以培養學生的科學思維。

4.1同卵雙胞胎導入，激發“質疑”精神

借助本年級兩對同卵雙胞胎的采訪視頻短片和照片引入主題，播放短視頻和照片，提出問題：同卵雙胞胎擁有相同的基因組成，但他們在成長過程中，在外表和性格上或多或少都會有所差別。這是為什么？“導入環節”的流程圖如圖2所示。

圖2 “導入環節”流程圖

4.2呈現科學探究資料，培養“實證”意識

要想證明哪一種假設成立，需要實驗證據。接下來以兩則實驗資料一探究竟。在新知識的學習上，教師通過呈現科學探究實驗的事實和證據，基于學生已有的知識儲備，鼓勵學生在科學探究資料中獲取新知識，運用歸納與概括、模型與建模、批判性思維等科學思維方法，用證據支持自己的觀點，為研究問題構建合理的解釋，并發展科學思維。

【資料1】柳穿魚花的遺傳——學生自主閱讀教材第73頁，在閱讀教材的同時設計問題串供學生以小組為單位展開討論交流：

(1)分別對兩植株的Lcyc基因進行測序，結果怎樣？你如何看待這一結果？

(2)分別檢測兩植株Lcyc基因的表達情況：何時表達？在什么細胞中表達？表達情況是否相同？

(3)基于以上事實，請分析植株B的Lcyc基因不表達的原因。

在學生順利解決上述問題的基礎上，教師追問：什么是DNA甲基化？請結合真核生物基因結構模型確認DNA甲基化的位點在哪里？DNA甲基化對基因表達的影響是什么？學生接下來介紹真核生物基因的結構和發生甲基化的位點。實物模型可以化抽象為具體，易于學生理解DNA甲基化(圖3)。

圖3 柳穿魚Lcyc基因甲基化模式圖

教師繼續追問：

(4)植株A、B雜交，F1的花為什么與植株A相似？

(5)在F2中，為什么有些植株的花與植株B的相似？

(6)Lcyc基因的高度甲基化修飾能夠遺傳嗎？

【資料2】小鼠毛色的遺傳——閱讀教材第73頁，在閱讀教材的同時設計問題串供學生以小組為單位展開討論交流：

(1)分別對基因型相同的F1小鼠的Avy基因測序，結果怎樣？你如何看待這一結果？

(2)請借助模型(圖4)分析Avy基因表達不同的原因是什么。

圖4 小鼠Avy基因不同甲基化程度模式圖

(3)為何基因型相同(Avya)的F1小鼠會產生不同的毛色性狀？

教師在教學中通過組織學生閱讀資料，結合自制的實物模型和思考討論問題串等活動，幫助學生理解柳穿魚花型改變和F1不同毛色小鼠產生的結構基礎和分子機制，體會花型的改變和不同毛色小鼠的產生是以真核生物基因的結構為基礎的，無形中樹立起結構與功能相統一的觀念。在兩則資料分析的基礎上，學生歸納資料1和資料2展示的遺傳現象的共同點，并嘗試構建表觀遺傳現象的分子機制模型(圖5)。

圖5 表觀遺傳現象共性模型

4.3案例分析，鞏固提升

教師提供蜂王和工蜂級型分化的實例，學生判斷其是否屬于表觀遺傳現象并探討DNA甲基化的影響因素。一個蜂群由蜂王、工蜂和雄蜂組成，蜂王和工蜂都是由受精卵發育而來，但它們在形態、結構、生育能力和壽命等方面截然不同。命運的差異發生在出生3天后，只有為數極少的雌性幼蟲能繼續取食蜂王漿發育為蜂王；而絕大多數幼蟲只能取食花蜜和花粉，發育為工蜂。蜂王和工蜂的級型分化與是否持續取食蜂王漿有關，請結合資料3，利用表觀遺傳機制，解釋蜂王漿的營養效應之一是什么。

【資料3】蜂王和工蜂的腦中都有Dnmt3基因，Dnmt3基因表達的產物是Dnmt3蛋白，Dnmt3蛋白是一種DNA甲基轉移酶，能在沒有被甲基化的DNA區域添加甲基基團。敲除Dnmt3基因后，蜜蜂幼蟲發育為蜂王，這跟取食蜂王漿有相同的效果。研究還發現，蜂王基因組甲基化的程度明顯低于工蜂。

教師請學生結合表觀遺傳現象的共性模型，解釋蜂王漿促進幼蟲發育為蜂王的分子機制，學生不難分析出蜂王漿的營養效應之一與DNA甲基化有關，可以使DNA甲基轉移酶活性降低，降低DNA甲基化水平等。此時，教師強調DNA甲基化是最早被鑒定出來的表觀遺傳修飾形式，也是最常見、最重要的表觀遺傳形式之一，除此之外還有組蛋白修飾等。

【資料4】植物的春化作用——低溫也能促使植物開花。冬小麥(一種越冬作物)的Flc基因所在部位的組蛋白被修飾。

【資料5】組蛋白形成染色體——組蛋白是構成真核生物染色體的基本結構蛋白，可以和酸性的DNA緊密結合，形成核小體，核小體是染色質組裝的基本結構單位，電鏡顯示“串珠”結構。它們會螺旋形成螺線管，再螺旋形成超螺線管，進一步螺旋折疊形成染色體。組蛋白乙酰化是指在組蛋白乙酰化酶的作用下，將乙酰基團(CH3CO—)連到組蛋白某些氨基酸殘基上，使DNA與組蛋白結合松弛，有利于DNA分子的轉錄。

學生對抽象的組蛋白、核小體等概念陌生，為使之具體化，特請興趣小組的同學用磁力扣代表組蛋白，用扭扭棒代表DNA模擬制作核小體串珠狀模型(圖6)。組蛋白修飾作為表觀遺傳修飾的另一機制，在調控基因表達中也扮演重要的角色，除了乙酰化，還有去乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化等。

圖6 核小體模型

4.4討論表觀遺傳機制對生物性狀的影響，發展批判性思維

在此之前，學生形成的前概念是基因控制生物的性狀，所以性狀改變必然是控制生物體性狀的基因發生了改變。對此，教師提出討論話題：如何評價基因決定生物體性狀這一觀點。

學生聯系所學表觀遺傳機制得出“控制生物體性狀的基因的堿基序列保持不變，但生物的表型改變”的可能情況：①基因的選擇性表達，例如，柳穿魚花的差異；②基因表達水平的高低，例如，小鼠毛色的不同；③營養物質和溫度等導致的表型改變，例如，蜂王和工蜂的級型分化和爬行動物的性別分化；④生物體的性狀是由基因與環境共同決定的，例如，同一株水毛茛兩種類型葉的形成……

學生綜合運用所學的生物學知識及實例進行論證，進一步完善和修正已有的前概念，發展其批判性思維。

4.5組織學生概念建模，發展模型與建模能力

概念教學的重要任務之一是將學生認知結構中不成體系的知識形成結構化、邏輯化的知識體系。教師引導學生回顧本節所學內容，運用模型與建模的思想，將各概念要素按照邏輯關系進行連接，構建“表觀遺傳”的概念結構圖(圖7)，完善概念體系。學生嘗試、修正和完善模型的過程能使其深刻體會課堂專注的重要性，也體現了交流與互動、深度學習的新課程理念。

圖7 表觀遺傳概念結構圖

4.6拓展提升，責任擔當——討論不良的生活方式和吸煙等社會議題

筆者呈現2001年瑞典科學家拜格林發表的對諾伯頓人的壽命進行研究所得的結果。同時，請學生閱讀教材第74頁的“與社會的聯系”欄目，思考：吸煙對人體細胞內DNA甲基化有何影響，能遺傳給子代嗎？最后再引導學生討論表觀遺傳調控機制對人們生活有什么啟示？學生各抒己見，讓學生深度思考、學以致用并拓展提升，在此過程中滲透社會責任教育，培養社會責任感。

5.教學反思