基因表觀遺傳的論證式教學(xué)

年福琪 桑 燦

(安徽省宿城第一中學(xué) 安徽宿州 234000)

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》提出:生物學(xué)課程倡導(dǎo)學(xué)生為學(xué)習(xí)主體參與學(xué)習(xí),在學(xué)習(xí)過程中通過提出問題、作出假設(shè)、獲取信息、尋找證據(jù)、驗證假設(shè)和總結(jié)規(guī)律等過程中主動構(gòu)建、理解生物學(xué)核心概念并形成生命觀念。圖爾敏論證模型由6 部分組成,包括資料、主張、理由、支援、限定、反駁六個方面。論證式教學(xué)的實質(zhì)是將科學(xué)領(lǐng)域的論證引入課堂,首先教師引導(dǎo)學(xué)生從分析“資料”得出“主張”,然后提供“理由”和“支援”解釋支持主張,經(jīng)“反駁”和“限定”后,最后完善或認可主張。開展論證式教學(xué),有利于學(xué)生構(gòu)建、理解表觀遺傳概念;有利于學(xué)生理解證據(jù)在科學(xué)探究中的重要作用,掌握論證的基本技能;有利于發(fā)展學(xué)生表達觀點、推理能力、批判反思能力與決策能力;幫助學(xué)生形成以“能辨別個人意見并能在基于證據(jù)的基礎(chǔ)上發(fā)展出主張,能夠應(yīng)用所學(xué)的科學(xué)知識,做出具有證據(jù)的結(jié)論并向他人溝通與解釋”等為核心的科學(xué)素養(yǎng)。

1 教學(xué)內(nèi)容分析

新課標(biāo)提出了“大概念—重要概念—次位概念”三級概念體系,表觀遺傳部分對應(yīng)次位概念:3.1.5 概述某些基因中堿基序列不變但表型改變的表觀遺傳現(xiàn)象。一般來說,次位概念對應(yīng)的是某一小節(jié)的全部內(nèi)容,而表觀遺傳作為第二節(jié)中的部分內(nèi)容,也以一個次位概念的形式出現(xiàn),和其他次位概念一起向上構(gòu)成重要概念,最后形成生命觀念“遺傳信息控制生物性狀,并代代相傳”。表觀遺傳部分對于學(xué)生理解基因與性狀的關(guān)系的十分重要。

本節(jié)是人教版新教材必修2 第四章第二節(jié)部分內(nèi)容。學(xué)生通過第三章“基因的本質(zhì)”的學(xué)習(xí),對基因的結(jié)構(gòu)、復(fù)制等有了分子水平上的了解。通過前兩節(jié)的學(xué)習(xí),學(xué)生了解了基因如何控制蛋白質(zhì)的合成來控制性狀,形成了前科學(xué)概念,初步建立了基因與性狀的線性因果關(guān)系。表觀遺傳將這種關(guān)系復(fù)雜化,揭示了二者的非線性關(guān)系,表觀遺傳機制復(fù)雜、內(nèi)容抽象、學(xué)生學(xué)習(xí)起來有一定難度。本節(jié)面向的高一年級下學(xué)期的學(xué)生,進行科學(xué)論證的學(xué)習(xí)能夠培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和推理能力,能促進科學(xué)思維的發(fā)展。

2 教學(xué)目標(biāo)確立

結(jié)合表觀遺傳概念,確定本節(jié)教學(xué)目標(biāo)如下:

①分析柳穿魚花的形態(tài)結(jié)構(gòu)、小鼠毛色、貓的體色等遺傳現(xiàn)象,概述表觀遺傳概念,形成生命觀念。

②基于資料提出主張,尋求理由和支持,或提出反駁和限定,完善所提出的主張,掌握科學(xué)論證的方法。

③運用表觀遺傳知識,解釋相關(guān)疾病的成因,形成健康生活觀,參與相關(guān)社會性科學(xué)議題的討論,主動向他人宣傳關(guān)愛生命和保護環(huán)境等相關(guān)知識,樹立環(huán)境保護意識和可持續(xù)發(fā)展理念,承擔(dān)社會責(zé)任。

本節(jié)的重難點是表觀遺傳概念的科學(xué)論證過程。

3 教學(xué)實施過程

3.1 概念引入——復(fù)習(xí)已學(xué)建構(gòu)模型,設(shè)疑激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了基因通過控制酶的合成和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進而控制生物體的性狀。教師引導(dǎo)學(xué)生將上節(jié)所學(xué)內(nèi)容建構(gòu)成一個簡單的科學(xué)論證模型:

圖1 中心法則科學(xué)論證模型

教師提出問題:基因相同的個體,他們的性狀是否一定相同? 基因與性狀之間的關(guān)系是不是一一對應(yīng)? 學(xué)生舉例反駁:基因相同的兩個個體如同卵雙胞胎之間,也會存在表型差異。教師引導(dǎo)學(xué)生從基因表達角度分析:基因表達水平發(fā)生變化,性狀也可能發(fā)生改變。同時引導(dǎo)學(xué)生對已建構(gòu)的模型中的主張?zhí)岢龇瘩g和限定,進而完善提出的主張。引入表觀遺傳概念的學(xué)習(xí)。

設(shè)計意圖:通過復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容建構(gòu)科學(xué)論證模型,同時對上節(jié)課內(nèi)容的學(xué)習(xí)進行質(zhì)疑引導(dǎo)學(xué)生對科學(xué)論證模型提出反駁和限定,激發(fā)學(xué)生進一步學(xué)習(xí)的興趣。

3.2 概念建構(gòu)——表觀遺傳概念的科學(xué)論證過程

3.2.1 DNA 的甲基化

教師指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材第73 頁資料1,并提出問題:(1)從基因的堿基序列和表型來看,可以提出什么主張?(2)Lcyc 基因多個堿基被甲基化導(dǎo)致其不表達的原因是什么?(3)柳穿魚F1的花的形態(tài)結(jié)構(gòu)與植株A 相似的原因是什么? F2中有些植株的花的形態(tài)結(jié)構(gòu)與植株B 相似的原因是什么?

教師補充資料:在DNMT1 的作用下,DNA 序列的CpG 二核苷酸中胞嘧啶的第5 位碳原子結(jié)合甲基形成5′-甲基胞嘧啶(5mC)稱為DNA 的甲基化。在基因的啟動子區(qū)域有多個CpG 二核苷酸序列,正常情況下CpG 不發(fā)生甲基化,RNA 聚合酶可以正常結(jié)合啟動子完成轉(zhuǎn)錄,而CpG 島發(fā)生甲基化導(dǎo)致RNA 聚合酶不能識別結(jié)合到啟動子上,致使基因轉(zhuǎn)錄無法進行。甲基化的雙鏈DNA 復(fù)制產(chǎn)生的子代雙鏈中,只有親代的DNA 鏈?zhǔn)羌谆?DNMT1 能夠識別這種新合成的雙鏈中親代單鏈上的甲基化位點,并將子鏈相應(yīng)位置的胞嘧啶進行甲基化。師生共同學(xué)習(xí)、討論。教師根據(jù)資料引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)科學(xué)論證模型如圖2所示。

圖2 DNA 甲基化科學(xué)論證模型

接著,學(xué)生進行活動1:模型模擬DNA 的甲基化。教師展示CpG 二核苷酸圖片和甲基基團圖片,引導(dǎo)學(xué)生將甲基基團粘貼在胞嘧啶的第5 位碳原子上,模擬DNA 的甲基化。接著,教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合孟德爾遺傳規(guī)律,嘗試用遺傳圖解的形式解釋柳穿魚植株A 和植株B 雜交實驗結(jié)果。然后,教師指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材資料2 小鼠的毛色與Avy甲基化的關(guān)系。通過教材資料1 和資料2 的兩個事例,師生共同總結(jié):DNA 甲基化不改變生物體基因的堿基序列,通過影響基因的表達,使生物體的性狀發(fā)生可遺傳變化。

設(shè)計意圖:教師通過分析教材資料和建構(gòu)論證模型,引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)資料提出主張,尋找證據(jù)來支援主張,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維,提高學(xué)生表達能力。通過物理模型模擬甲基化、運用經(jīng)典遺傳學(xué)解釋雜交實驗結(jié)果使學(xué)生獲得直觀感受,加深理解。

3.2.2 以X 染色體的隨機失活為例

教師指導(dǎo)學(xué)生閱讀課后習(xí)題“拓展應(yīng)用3”雌貓的黑黃相間體色現(xiàn)象,并提出問題:為什么雌貓會出現(xiàn)黑黃相間的類型? 學(xué)生回答:基因型為XBXo的雌貓同時表達了Xo(黃色)和XB(黑色)兩個基因。教師反駁:雌貓體色應(yīng)該介于黑黃之間的顏色,不應(yīng)有黃色或黑色。

教師補充資料:哺乳動物的體細胞中,雄性性染色體組成為XY,而雌性有兩條X 染色體。Y 染色體上的基因很少,X 染色體較大,并攜帶大量的基因。如果X 染色體上的基因在兩種性別的生物中都表達,則雌性的每個基因的表達產(chǎn)物將是雄性的2 倍。觀察表明,X 染色體上的基因在兩種性別的生物中的表達水平是相等的,這種現(xiàn)象稱為劑量補償效應(yīng)。研究表明在哺乳動物的體細胞中,雌性兩條X 染色體中隨機一條上的基因被關(guān)閉,而雄性的X 染色體保持活性,這種調(diào)控方式稱為X 染色體失活。

師生共同完成X 染色體隨機失活科學(xué)論證模型如圖3所示。

圖3 X 染色體隨機失活科學(xué)論證模型

通過上述事例分析,師生共同總結(jié)表觀遺傳概念:表觀遺傳是生物體基因的堿基序列保持不變,通過對基因的修飾,基因表達和表型發(fā)生可遺傳變化的現(xiàn)象。

設(shè)計意圖:通過教材問題情境和補充資料,引導(dǎo)學(xué)生解釋現(xiàn)象,進一步應(yīng)用科學(xué)論證的方法。并使學(xué)生認識到表觀遺傳的方式在自然界有很多種。學(xué)生進而自主總結(jié)得出表觀遺傳概念。

3.3 概念應(yīng)用與評價——關(guān)注相關(guān)研究成果、完善模型

3.3.1 關(guān)注表觀遺傳研究成果,落實社會責(zé)任

教師展示資料:(1)研究表明吸煙會提高人體細胞內(nèi)DNA 的甲基化水平。長期吸煙的男性精子活力低下,精子DNA 的甲基化水平明顯高于非吸煙者。(2)如果祖父輩在9—12 歲時有大吃大喝的經(jīng)歷,其孫輩的壽命就會比較短,患糖尿病的幾率也會相應(yīng)增加。

農(nóng)藥、殺蟲劑等分解產(chǎn)生的環(huán)境激素等可能影響人類基因的表達產(chǎn)生變異,而且這種變異可以通過遺傳持續(xù)數(shù)代。學(xué)生閱讀和分析資料,分析表觀遺傳在健康、環(huán)保等方面的影響。

設(shè)計意圖:通過閱讀材料,引導(dǎo)學(xué)生理解健康的生活方式、飲食習(xí)慣和良好的家庭環(huán)境,影響基因的修飾,進而影響基因的表達,并遺傳給后代,使學(xué)生習(xí)得健康生活觀;引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注與表觀遺傳相關(guān)的社會議題,參與討論并做出解釋,主動向他人宣傳關(guān)愛生命和保護環(huán)境等相關(guān)知識,樹立環(huán)境保護意識和可持續(xù)發(fā)展理念,落實社會責(zé)任。

3.3.2 完善模型,首尾呼應(yīng)

教師帶領(lǐng)學(xué)生回顧本節(jié)開始時建構(gòu)的“基因與性狀的關(guān)系的科學(xué)論證模型”,引導(dǎo)學(xué)生完善模型,如圖4所示。

圖4 基因與性狀的科學(xué)論證模型

3.3.3 概念評價——繪制概念圖、撰寫小論文

教師布置課后作業(yè):(1)繪制基因與性狀關(guān)系思維導(dǎo)圖;(2)查閱資料,撰寫一篇關(guān)于表觀遺傳的小論文。

設(shè)計意圖:通過繪制概念圖,推動學(xué)生從整個概念框架審視表觀遺傳概念與其他概念之間的關(guān)系,完成概念的升維理解。通過撰寫小論文提高學(xué)生收集材料和表達觀點的能力。

4 教學(xué)反思

科學(xué)概念的建構(gòu),需要證據(jù)和理由,在對提出的概念進行質(zhì)疑、反駁的過程中,修正完善科學(xué)概念。在論證式教學(xué)設(shè)計中,學(xué)生能主動參與學(xué)習(xí)的過程,進行觀點的交流與修正,討論的過程中提高思維的嚴謹性,最終達成概念的深度理解;培養(yǎng)學(xué)生的問題意識、懷疑精神、論證能力和批判性思維。通過本節(jié)課學(xué)習(xí),學(xué)生進一步形成生命的信息觀,將科學(xué)論證作為培養(yǎng)科學(xué)思維的重要策略,幫助學(xué)生理解“科學(xué)知識可能隨著研究的深入而改變”的科學(xué)本質(zhì),最后聯(lián)系生活實際,承擔(dān)社會責(zé)任,體現(xiàn)了生物學(xué)概念的育人價值。