基于認(rèn)知沖突創(chuàng)設(shè)問題情境的教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“表觀遺傳及其作用機(jī)制”為例

王 婷

（南京市第九中學(xué) 江蘇南京 210000）

認(rèn)知沖突是指學(xué)生原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)與新知識(shí)之間的矛盾與沖突。表觀遺傳是課程標(biāo)準(zhǔn)新增的學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)生常見的前概念有：控制柳穿魚兩種花型的基因堿基序列一定不同；飲食、運(yùn)動(dòng)等生活習(xí)慣只會(huì)對(duì)自己產(chǎn)生影響，而不會(huì)影響到后代。當(dāng)學(xué)生的前概念和科學(xué)概念之間存在矛盾時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生認(rèn)知沖突，引起認(rèn)知結(jié)構(gòu)上的不平衡，激發(fā)的好奇心和求知欲，讓學(xué)生在解決問題的過程中實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變。因此，筆者以如何利用認(rèn)知沖突創(chuàng)設(shè)問題情境為主線，開展了表觀遺傳概念教學(xué)的實(shí)踐。

1 教材分析

“表觀遺傳及其作用機(jī)制”是蘇教版必修2第二章第三節(jié)“遺傳信息控制生物的性狀”中的內(nèi)容，本節(jié)課還與必修2中“基因控制蛋白質(zhì)的合成”“生物的性狀主要通過蛋白質(zhì)表現(xiàn)，同時(shí)受到環(huán)境的影響”等內(nèi)容密切相關(guān)。表觀遺傳學(xué)作為對(duì)經(jīng)典遺傳學(xué)的補(bǔ)充，是課程標(biāo)準(zhǔn)新增的遺傳學(xué)研究熱點(diǎn)，內(nèi)容較為復(fù)雜，且尚處于不斷更新與修正中，是學(xué)生學(xué)習(xí)高中遺傳學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)表觀遺傳進(jìn)行概念建構(gòu)，可以幫助學(xué)生形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念，啟發(fā)學(xué)生關(guān)注環(huán)境對(duì)表觀遺傳的影響。

2 教學(xué)目標(biāo)

①閱讀有關(guān)表觀遺傳現(xiàn)象的資料，運(yùn)用結(jié)構(gòu)與功能觀，多角度認(rèn)識(shí)生物界的表觀遺傳現(xiàn)象。

②通過表觀遺傳的案例探究，建構(gòu)表觀遺傳概念模型，探討表觀遺傳機(jī)制，并建立遺傳信息、基因表達(dá)及性狀三者之間的相互關(guān)系。

③發(fā)展在較復(fù)雜情境中獲取、加工新信息并整合得出結(jié)論的科學(xué)思維。

④討論有關(guān)環(huán)境、行為等因素對(duì)表觀遺傳的影響，認(rèn)同表觀遺傳的研究價(jià)值，養(yǎng)成健康的生活方式。

3 教學(xué)過程

3.1 制造認(rèn)知沖突，導(dǎo)入新課

教師介紹趣味實(shí)驗(yàn)：在桌子上放些橙子櫻桃，老鼠會(huì)被水果散發(fā)的香氣吸引。當(dāng)雄性老鼠聞這些氣味的同時(shí)，研究人員對(duì)它電擊，很快就訓(xùn)練出老鼠對(duì)這種味道的恐懼。并提出問題：這些老鼠的后代會(huì)對(duì)這種氣味產(chǎn)生害怕嗎？學(xué)生紛紛表示不會(huì)，認(rèn)為老鼠對(duì)氣味的恐懼是不能遺傳的。教師繼續(xù)介紹：這些老鼠的幼崽們哪怕從未接觸過自己的父親，也會(huì)對(duì)這種氣味產(chǎn)生恐懼。經(jīng)典遺傳學(xué)告訴我們，只有DNA可以遺傳給下一代。為什么向老鼠灌輸?shù)目謶忠材軅鬟f給后代呢？這個(gè)現(xiàn)象就與“表觀遺傳”有關(guān)，下面我們進(jìn)入今天這節(jié)課的學(xué)習(xí)。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生前概念里認(rèn)為對(duì)氣味的恐懼是不能傳遞給后代的，教師利用這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，讓學(xué)生帶著困惑和好奇進(jìn)入表觀遺傳的學(xué)習(xí)。

3.2 利用認(rèn)知沖突，創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生在探究中自主構(gòu)建表觀遺傳的概念

教師展示兩種花型的柳穿魚圖片并介紹：柳穿魚是一種草本植物。現(xiàn)有兩種花型的柳穿魚，植株A是兩側(cè)對(duì)稱花，植株B是輻射對(duì)稱花。柳穿魚花的形態(tài)結(jié)構(gòu)受Lcyc基因的控制。科學(xué)家將這兩個(gè)植株作為親本進(jìn)行雜交，F(xiàn)1的花與植株A相似；F1自交，F(xiàn)2中A∶B約為34∶5。請(qǐng)相互討論，嘗試提出一種假說能合理解釋植株A和B花型不同的原因，并思考什么樣的證據(jù)可以初步證明你的假說。由于學(xué)生受到之前學(xué)習(xí)的孟德爾遺傳實(shí)驗(yàn)的影響，大部分學(xué)生提出的假說是控制兩種花型的基因不同從而導(dǎo)致性狀不同，并提出可以在分子水平對(duì)基因進(jìn)行測(cè)序來證明。

教師繼續(xù)提供資料，引導(dǎo)學(xué)生分析資料修正假說。

資料1：通過基因測(cè)序，植株A和植株B的Lcyc基因的序列相同。

資料2：檢測(cè)柳穿魚花中Lcyc基因轉(zhuǎn)錄情況，發(fā)現(xiàn)，不同發(fā)育階段中，植株A的花中皆有Lcyc基因轉(zhuǎn)錄，植株B的花中均未檢測(cè)Lcyc基因轉(zhuǎn)錄。

資料3：植株B的Lcyc基因被高度甲基化（圖1），Lcyc基因有多個(gè)堿基連接甲基。

圖1 DNA甲基化示意圖

學(xué)生從資料1中發(fā)現(xiàn)，控制兩種花型的基因堿基序列相同，和之前提出的假說不符。根據(jù)資料2和3，從基因控制性狀的角度分析，重新提出假說是植株B的Lcyc基因被高度甲基化抑制了基因的轉(zhuǎn)錄。

教師展示DNA甲基化的示意圖，并介紹DNA甲基化。接著，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)提出的假說解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：①為什么植株A和B雜交獲得的F1代的花與植株A相似呢？②F1自交的F2中絕大部分植株的花與植株A相似，少部分植株的花與植株B相似，這又說明了什么？學(xué)生在解釋的過程中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)Lcyc基因的高度甲基化是可以遺傳給后代的，但是這種遺傳并不穩(wěn)定，只有一部分高度甲基化的Lcyc基因遺傳給了后代，所以F2中兩種花型的比并不符合孟德爾遺傳定律。

教師啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步探究：能不能利用雜交實(shí)驗(yàn)中已有的實(shí)驗(yàn)材料，設(shè)計(jì)一種簡單的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證剛才的假說。在學(xué)生提出一些演繹推理的設(shè)想后，教師介紹：有科學(xué)家將F2中植株B自交，后代出現(xiàn)了介于A和B的一系列過度類型（圖2）。這些過渡類型的出現(xiàn)正是由于Lcyc基因的甲基化程度不同導(dǎo)致的，從而驗(yàn)證了之前的假說。

圖2 F2中植株B自交后代的花型

①根據(jù)DNA復(fù)制相關(guān)知識(shí)，從事先準(zhǔn)備好的模擬DNA單鏈的紙片中選取合適的組合成雙鏈，貼入方框1。

②根據(jù)維持性甲基化轉(zhuǎn)移酶（維持性甲基化轉(zhuǎn)移酶能夠識(shí)別CG中被甲基化的胞嘧啶，然后催化對(duì)應(yīng)單鏈上的胞嘧啶甲基化）的作用機(jī)理，繼續(xù)選取合適的模擬DNA單鏈的紙片組合成雙鏈。學(xué)生在模擬的過程中（圖3），體驗(yàn)DNA復(fù)制過程中甲基化是如何進(jìn)行傳遞的。

圖3 模擬DNA甲基化的傳遞過程

教師引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)研究：現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)證明了柳穿魚的這種高度甲基化能通過種子遺傳給后代。請(qǐng)完成活動(dòng)“模擬DNA甲基化的傳遞過程”：

最后，由學(xué)生自主總結(jié)出表觀遺傳的概念，教師補(bǔ)充完善。

設(shè)計(jì)意圖：“為什么基因序列不改變，但是性狀會(huì)改變？”和“表觀遺傳為什么能遺傳，DNA甲基化作為一種堿基的修飾，是如何傳遞給后代？”這兩個(gè)問題是學(xué)生在學(xué)習(xí)表觀遺傳時(shí)最容易感到困惑的地方。教師引導(dǎo)學(xué)生分析柳穿魚花型的案例，利用F2出現(xiàn)34∶5而不是3∶1，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，促進(jìn)學(xué)生探究柳穿魚形成兩種不同花型的原因創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用“假說—演繹法”探究表觀遺傳現(xiàn)象，使學(xué)生在提出假說—修正假說—演繹推理—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的過程中認(rèn)識(shí)到雖然Lcyc基因在植株A和B中堿基序列相同，但是Lcyc基因的甲基化程度不同也會(huì)對(duì)表型產(chǎn)生可遺傳變化，從而實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變。

3.3 深度學(xué)習(xí)，從分子水平理解表觀遺傳的作用機(jī)制

教師提出問題：在不改變基因序列的前提下，表觀遺傳又是如何通過調(diào)控基因的表達(dá)從而使表型發(fā)生改變的呢？并設(shè)計(jì)好問題串，讓學(xué)生聯(lián)系已學(xué)習(xí)的“基因的表達(dá)”“基因?qū)π誀畹目刂啤钡葍?nèi)容回答：①觀察圖4，DNA高度甲基化為什么會(huì)抑制基因的轉(zhuǎn)錄，是影響了轉(zhuǎn)錄的哪個(gè)環(huán)節(jié)？②在細(xì)胞核中DNA不是裸露存在的，而是和蛋白質(zhì)形成染色體。構(gòu)成染色體的組蛋白也會(huì)發(fā)生修飾，請(qǐng)觀看視頻“組蛋白的修飾”，思考組蛋白的修飾對(duì)基因表達(dá)有什么影響。③表觀遺傳除了從轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控基因的表達(dá)，還能從什么水平調(diào)控基因的表達(dá)呢？

圖4 DNA甲基化對(duì)轉(zhuǎn)錄的影響

設(shè)計(jì)意圖：轉(zhuǎn)錄和翻譯都是中心法則的內(nèi)容。教師利用中心法則銜接學(xué)生對(duì)表觀遺傳作用機(jī)制的學(xué)習(xí)，建立起新舊知識(shí)的聯(lián)系，能幫助學(xué)生理解在基因堿基序列不變的前提下表觀遺傳修飾通過調(diào)控基因表達(dá)影響性狀的機(jī)制，從而形成結(jié)構(gòu)與功能觀。

3.4 概念運(yùn)用，探討表觀遺傳在實(shí)際生活中的作用

教師提出問題：學(xué)習(xí)表觀遺傳對(duì)人們的生活有什么作用？小組討論資料4和5，相互交流想法。

資料4：我國約7000萬人攜帶乙肝病毒，80%肝癌與它相關(guān)。乙肝病毒（HBV）是一種DNA病毒，感染肝細(xì)胞后會(huì)將其基因插入人體肝細(xì)胞基因組序列中導(dǎo)致慢性感染。抑制HBV基因在肝細(xì)胞中的表達(dá)是治療慢性肝炎的重要手段。請(qǐng)結(jié)合表觀遺傳相關(guān)知識(shí)，以小組為單位討論，討論慢性乙肝的治療策略。

資料5：吸煙會(huì)使人的體細(xì)胞內(nèi)DNA甲基化水平升高（尤其是抑制細(xì)胞癌變的基因甲基化嚴(yán)重），對(duì)染色體上的組蛋白也會(huì)產(chǎn)生影響。男性吸煙者的精子活力下降，精子中DNA的甲基化水平明顯升高。但是若這些不良習(xí)慣被消除，這些表觀遺傳的改變又會(huì)逐漸減弱，甚至消失。

教師引導(dǎo)學(xué)生思考：結(jié)合上述資料，你認(rèn)同“個(gè)體一輩子不管有多少諸如抽煙、喝酒、暴食、熬夜等不健康的生活習(xí)慣，只要不改變DNA的堿基序列，最多是自己的身體受到影響，而不會(huì)影響后代”這樣的觀點(diǎn)嗎？生物體的性狀會(huì)受到哪些方面的影響？

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生分析乙肝治療方案，使學(xué)生關(guān)注表觀遺傳的研究價(jià)值，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，加深學(xué)生對(duì)表觀遺傳概念的運(yùn)用。男性吸煙者精子中DNA甲基化水平的變化可以讓學(xué)生意識(shí)到表觀遺傳會(huì)受到環(huán)境的影響，并思考生物的性狀會(huì)受到哪些方面的影響，引導(dǎo)學(xué)生樹立健康的生活態(tài)度。

4 教學(xué)反思

因?yàn)橛星案拍畹拇嬖冢處焼畏矫娴毓噍敽茈y讓學(xué)生完成自身概念的構(gòu)建。所以，教師在課堂教學(xué)中要運(yùn)用各種方式激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，創(chuàng)設(shè)好問題情境，讓學(xué)生在解決問題的過程中進(jìn)行概念轉(zhuǎn)變。首先，教師可以挑選學(xué)生容易產(chǎn)生認(rèn)知沖突的內(nèi)容，上課時(shí)以問題的形式直接提出，讓學(xué)生思考原因。例如，本節(jié)課可以提問“同卵雙胞胎雖然具有相同的DNA序列，為什么還會(huì)存在表型的差異？”。其次，通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)的探究情境，激發(fā)學(xué)生在探索的過程中發(fā)現(xiàn)用原有的理解解決不了研究的問題，使學(xué)生產(chǎn)生解決矛盾的迫切需要。例如，本節(jié)課以“探究柳穿魚形成兩種不同花型的原因”為探究情境，通過讓學(xué)生閱讀資料發(fā)現(xiàn)控制兩種花型的基因堿基序列并沒有改變，引發(fā)學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突“基因堿基序列不改變，為什么性狀還會(huì)改變”。另外，教師要注意多讓學(xué)生在課堂上表達(dá)出自己的觀點(diǎn)，一個(gè)班級(jí)的學(xué)生對(duì)同一問題的理解也會(huì)有差異，在交流的過程中也能引發(fā)認(rèn)知沖突。例如，本節(jié)課在討論環(huán)節(jié)中有同學(xué)提出柳穿魚雜交實(shí)驗(yàn)中F2中A多B少是因?yàn)榛蛑滤缹?dǎo)致的，這與Lcyc基因在植株A和B中測(cè)序結(jié)果相同產(chǎn)生矛盾。學(xué)生通過討論，在質(zhì)疑、解釋、論證中不斷完善自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，從而形成正確的科學(xué)概念。