基于SOLO分類理論的論證式教學

黃子萍

［摘 要］教師圍繞“基因表達與性狀的關系”一節第2課時“表觀遺傳”的內容，運用論證式教學策略，引導學生分析實驗證據及相關生物學現象，讓學生像科學家一樣提出主張，并進行推理和論證，構建表觀遺傳概念模型。在此過程中，教師運用SOLO分類理論對學生科學思維的發展水平進行評價，將論證式教學與科學思維的過程性評價進行有機結合，實現以評促教。

［關鍵詞］論證式教學；SOLO分類理論；表觀遺傳

［中圖分類號］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）14-0076-04

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》中明確指出，科學思維是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。教師在高中生物學教學中要尤為注重對學生科學思維的培養。

教材中呈現的研究實例篇幅有限，學生在學習新知識的過程中需要借助教師提供的研究資料錘煉科學思維，并運用所學知識解決實際問題。以人教版高中生物學必修2第4章第2節第2課時“表觀遺傳”這部分內容為例，學生已經了解到基因可以控制生物的性狀，甚至產生“基因與性狀一一對應”的認知，而“表觀遺傳”部分新增的內容相對微觀、抽象，學生在學習過程中面對認知沖突時會產生困惑，同時內心也充滿了求知欲，但他們推理論證的能力有限，難以通過少量的生物學現象進行概念建構，更難以理解基因、性狀與環境之間的關系。因此，教師可以基于教材進行拓展延伸，給學生提供多樣的研究資料，幫助學生進行深度學習，同時還應密切關注學生在此過程中論證推理、應用知識等方面的表現，必要時給予適當的引導和幫助，以促進學生科學思維的發展。在此過程中，教師應運用SOLO分類理論對學生科學思維的發展水平進行評價，并將論證式教學與科學思維的過程性評價有機結合，以實現以評促教。

一、論證模型和SOLO分類理論

生物學知識源于現象觀察和實驗研究。為了促進學生對生物學知識的理解以及對科學本質的認識，生物教師應引領學生體驗科學家的論證工作。而論證式教學恰能滿足這一要求，更能有效提升學生的科學思維能力。在論證式教學的眾多模型中，CER論證模型（見圖1）與表觀遺傳概念的建構過程契合度較高，都是將自然界中的生物學信息或數據作為證據（Evidence），并通過推理（Reasoning）來解釋證據對主張（Claim）的支持，注重邏輯關聯，有助于學生提升演繹推理、建構模型、歸納總結等科學思維能力。

SOLO分類理論將學生的思維水平從低到高分為5個結構層次：前結構水平、單點結構水平、多點結構水平、關聯結構水平和拓展抽象結構水平。SOLO分類理論可用于評價學生認知發展的階段和水平。

在論證式教學中，學生要分析證據，演繹推理，得出主張并修正主張。在建構“表觀遺傳”這一核心概念的過程中，學生的認知水平和科學思維都在發生動態變化。因此，筆者借助SOLO分類理論，結合“表現遺傳”一課的教學目標，設計了基于科學思維的SOLO分類評價量表，應用于教學評價中。同時，將SOLO分類理論與論證模型相結合，聚焦學生論證主張、建構概念的過程，為有效開展論證式教學的過程性評價奠定基礎。

二、“表觀遺傳”的論證式教學實踐

（一）創設情境，提出問題

資料1：生活習慣不同的同卵雙胞胎，其表型及糖尿病的易感性存在差異，子代患相應疾病的風險也不同，研究表明，這與部分基因的表達水平變化有關。

教師引導學生討論，提出問題。學生提出問題：同卵雙胞胎為什么基因型相同而表現型不同？生活習慣及環境如何影響同卵雙胞胎的性狀？這些影響如何改變基因的表達水平？這些影響是否可遺傳？

學生閱讀教材第73頁“思考·討論”欄目中有關小鼠毛色遺傳的內容。

根據Avy基因控制黃色，a基因控制黑色，AvyAvy與aa雜交，學生不難推測出子一代小鼠的基因型為Avya且理論上小鼠的毛色應為黃色。教師圖片展示真實實驗結果，并提出問題：相同基因型的小鼠為何出現了多種毛色？引導學生結合已有知識和實驗現象提出初步的主張。

學生通過學習經典遺傳學得知，基因可通過基因表達產物控制生物性狀，因此他們認為是由于基因中遺傳信息的改變（堿基序列改變）或表型受到不同環境的影響而導致小鼠毛色出現差異。

學生針對F1小鼠出現不同毛色的現象提出兩種主張：①F1小鼠基因序列發生改變；②F1小鼠所處環境不同，故表現出不同毛色。

教師補充資料2：實驗中F1小鼠所處環境相同，且Avy基因堿基序列的檢測結果相同（堿基序列不變），同時引導學生思考：如何驗證是否存在環境影響？學生提出主張：將子一代小鼠放在相同的環境中培養。教師提供相關實驗環境數據，說明實驗培養條件實際上是一致的。學生根據實驗證據進行討論，進一步修正主張，根據小鼠體色深淺變化的現象，推斷應對F1小鼠的Avy基因表達水平進行研究。

（二）基于證據，科學論證

教師引導學生分組圍繞相同基因型小鼠的毛色差異進行深度學習和科學論證。

資料3：檢測不同F1小鼠Avy基因表達產物mRNA和對應的Asp蛋白含量。

教師引導各小組分析實驗數據，得出結論：F1小鼠Avy基因的表達水平不同，表達水平越高，毛色越接近黃色；反之，F1小鼠的毛色越接近黑色。教師補充資料4，從DNA甲基化水平分析基因表達水平發生變化的原因。

資料4：不同F1小鼠Avy基因的甲基化水平。

教師進一步提出問題：這種Avy基因DNA甲基化水平是否可以遺傳？如何進行研究？

學生由孟德爾測交實驗思路獲得啟發，提出可通過測交實驗分析DNA甲基化的可遺傳性，并給出設計思路。

資料5：對F1小鼠進行測交，觀察并統計測交子代中Avya小鼠的體色。

學生以小組為單位進行合作，結合以上資料進行論證，提出主張（見圖3）。

資料6：將小鼠分為實驗組和對照組，實驗組小鼠在孕期飼喂富含甲基的食物，對照組則不做處理，發現實驗組小鼠的后代中深色個體比例更高。

學生通過對資料的分析，歸納總結出DNA甲基化的特點：不改變基因堿基序列、可改變基因表達水平、可改變生物表現型、可遺傳、容易受到環境的影響。

教師為學生的論證提供邏輯嚴密的“腳手架”，讓學生基于已有知識分析實驗現象，并通過演繹推理，不斷提出主張，尋找證據，在進一步的反駁中體會推理的不易和科學嚴謹的重要性。

（三）歸納模型，完善主張

通過對上述真實研究證據的論證，學生總結出了DNA甲基化的特點，并用自己的語言總結提煉了表觀遺傳的概念。對此，教師進一步通過板書引導學生回顧基因表達的過程，并提出問題：DNA甲基化如何調控基因的表達？

學生運用拉鏈和文件夾建構DNA甲基化模型，教師引導學生思考和總結該模型的特征及內涵，并歸納DNA甲基化對基因表達的影響。

學生通過模型建構以及觀看教師提供的動畫視頻，提出針對表觀遺傳調控基因表達的主張：DNA甲基化通過抑制基因轉錄來降低基因表達水平。

由研究性學習小組的成員展示環境因素影響DNA甲基化的研究及數據，其他小組討論，總結環境因素影響表觀遺傳的流程圖（見圖4），并嘗試提出建議。

資料7（節選）：吸煙會導致精子中DNA甲基化水平升高；高血糖和高血脂疾病與部分基因DNA甲基化水平有關，而不良飲食習慣、睡眠不足等會加重DNA甲基化程度，導致身體質量指數（BMI）增加等。

經過以上論證，學生能充分認識到：與經典遺傳學中基因控制生物性狀有所不同，在表觀遺傳中DNA甲基化在基因堿基序列不變的情況下，可對基因表達進行調控，并且受到環境因素的影響。進而學生進一步認識到健康生活的重要性。

（四）應用概念，解決問題

待學生對表觀遺傳的概念和調節生物性狀的模型有初步的認識后，教師創設真實的問題情境，引導學生運用概念和知識解決實際問題。

情境1：在研究克隆猴的過程中，我國研究團隊發現克隆胚胎基因組上存在大量的基因H3K9三甲基化，同時組蛋白乙酰化水平較高，這些問題影響了胚胎的發育，已知去DNA甲基化酶可催化去DNA甲基化的反應，組蛋白乙酰化酶可催化組蛋白修飾相關反應。

學生分組討論，結合表觀遺傳、酶的作用等相關知識，提出問題解決思路。教師援引資料：我國研究團隊在培育克隆猴“中中”和“華華”的過程中，給它們注射了去甲基化酶Kdm4d和組蛋白乙酰化酶抑制劑TSA，最終克服了表觀遺傳修飾的障礙，使得克隆胚胎的發育得到優化。學生提出的問題解決思路與這一結果相吻合，使學生獲得了突破真實科研困境的成就感。

情境2：對同卵雙胞胎患某種糖尿病的風險差異及相關基因表達情況的研究表明：PDX-1基因、瘦素基因的表達水平異常。已知這兩種基因表達異常分別與組蛋白修飾、DNA甲基化有關，據此，你能提出什么解決辦法？

學生根據研究資料進行討論，運用表觀遺傳知識提出疾病治療、預防的思路，增強了學生的科學思維能力和社會責任感。

三、基于SOLO分類理論的教學評價

本節課的教學聚焦表觀遺傳現象，為學生提供了豐富的課外研究真實數據和資料，旨在創設情境，讓學生像科學家一樣去推理、論證，在討論中修正主張。

為了解學生完成課堂學習后所達到的認知水平，筆者基于SOLO分類理論，依據學生的科學思維發展水平對應的四種層次按照由低到高的順序設計了科學思維發展水平評價量表（見表1）

值得注意的是，有部分學生的科學思維發展水平是介于兩個水平之間的，且具有明顯的個體差異，因此教師在運用上述量表進行評價時還需要關注學生的“最近發展區”，了解學生已經達到的科學思維發展水平，以及需要借助其他力量才能達到的科學思維發展水平，進一步反思課堂教學，以評促教。

此外，在本節課中，還可以通過小組合作互評、教師語言點評、隨堂紙筆評價等多元化方式對學生的論證分析、模型建構、概念應用等方面的表現進行評價，聚焦學生論證過程中演繹推理、歸納總結能力的提升，并結合評價結果對后續教學做進一步的優化。

四、教學反思

本節課采用論證式教學策略，引導學生小組合作分析證據，并通過層層推理，論證及修正主張，同時建構DNA甲基化模型，分析多種表觀遺傳現象的原因，最終使學生能夠有效建構表觀遺傳的概念，提升科學思維能力。同時，教師還進一步引導學生分析環境對表觀遺傳的影響，總結歸納基因表達調控的原理，讓學生從學習經典遺傳學的知識過渡到理解表觀遺傳現象，再到理解基因、性狀與環境之間的關系，進而不斷完善主張。

此外，本節課以同卵雙胞胎及其后代患某種糖尿病的差異的大情境貫穿始終，引導學生體驗克隆猴科研難題、疾病治療問題等的解決思路，使教學目標在實踐過程中得以落實。同時，運用SOLO分類理論對學生的科學思維發展水平進行過程性評價，將論證式教學與科學思維的過程性評價有機結合，實現以評促教。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準：2017年版［M］.北京：人民教育出版社，2018.

［2］? 陳欣，劉恩山.探索基于論證的探究教學途徑［J］.生物學通報，2016（10）：14-16.

［3］? 周忠芬，謝曉宏.“生物體存在表觀遺傳現象”的論證式教學設計［J］.生物學通報，2020（12）：15-17.

［4］? MORGAN H D，SUTHERLAND H G，MARTIN D I，et al. Epigenetic inheritance at the agouti locus in the mouse［J］.Nature genetics，1999（3）：314-318.

［5］? 丁晴.基于SOLO分類理論進行“生物的協同進化”論證式教學［J］.生物學通報，2021（11）：12-14.

（責任編輯 黃春香）

［基金項目］本文系廣西教育科學規劃2018年度專項課題“廣西普通高中生物學科教學關鍵問題實踐研究-3”（課題編號：2018ZJY238）的研究成果。