基于科學思維和社會責任培養的概念教學實踐
——以“表觀遺傳”為例

周子琦

(山西省太原市第五中學校 山西太原 030000)

發展學生生物學學科核心素養離不開建構概念,后者是形成生命觀念的基礎。在科學探究中建構概念,有賴于對學生科學思維方法的訓練和科學思維品質的培養。表觀遺傳是高中生物學新增內容,教師可以優化拓展教材資料,創設有關植物、動物表觀遺傳現象的真實情境,引導學生提取分析信息,歸納概括得出要點,建構表觀遺傳概念。而將概念遷移至有關生活習慣、醫藥衛生等新情境中,也有助于學生運用推理建模等方法訓練科學思維、提升關愛生命的社會責任。

1 學習者分析

學生已知環境可直接改變表型,也可誘發突變改變基因型從而改變表型。對于遺傳和變異現象的分析多基于孟德爾遺傳定律和可遺傳變異等理論知識。學生具備一定的提取信息、分析、歸納的科學思維能力,但是對陌生情境中復雜信息的轉化能力還有待提高,課堂中可通過分解問題、建模、比較等科學思維方法的訓練,突破以上難題。

2 學習內容分析

“表觀遺傳”是人教版高中生物學新教材《遺傳與進化》第四章第二節“基因表達和性狀的關系”的第2 課時內容。第一課時已經介紹了基因表達產物與性狀的關系及基因選擇性表達在細胞水平的結果——細胞分化,第二課時介紹基因表達與否以及表達水平的高低受到表觀遺傳機制調控。表觀遺傳是一種不同于孟德爾經典遺傳的遺傳現象,分析時不能運用經典遺傳學三大定律。表觀遺傳現象在動物、植物中普遍存在,但不同案例的內在機制各不相同,有常見的DNA 甲基化、組蛋白乙酰化,也有RNA 干擾,X 染色體失活等。由于目前相關機制研究尚未成熟,因此學習的重點首先是認識表觀遺傳現象概述其概念,并用于表觀遺傳現象的判斷,其次是認識DNA 甲基化的表觀遺傳作用機制。

3 學習目標

①通過對科學實驗過程以及結果的分析、比較、建模和歸納,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,訓練科學思維方法。

②通過對圖片、表格、文獻等資料中有效信息的提取和轉化,推測DNA 甲基化的機制,強化分析、推理、概括等科學思維。

③通過探討表觀遺傳與生活習慣、癌癥藥物研發等,認同基因與性狀關系的復雜性,養成良好的生活習慣,形成健康生活方式,關注癌癥藥物研發,關愛生命。

4 教學過程

4.1 設疑激趣,以舊喚新

教師以圖片展示同卵雙胞胎,提問:同卵雙胞胎表現出相似性的原因,學生基于已知指出由于基因型相同。而相似性并不稀奇,有研究表明許多同卵雙胞胎中一個患偏執型精神分裂癥,另一個卻完全正常;一個得Ⅰ型糖尿病,另一個完全正常。這兩種都是與遺傳密切相關的疾病,引出關鍵問題:為何基因型完全一樣的個體表現型卻不一致? 學生認為與環境作用相關。教師引導學生思考環境與表型的可能關系——環境直接引起表型的改變,或是環境通過某些機制在不改變基因型的前提下改變了表型。教師由第二種假說引出本節主要學習內容。

設計意圖:教師從已知出發,通過分析同卵雙胞胎相似性和差異性的原因,引導學生以探究差異性原因為出發點,引發學生對環境對表型改變作用途徑的新思考。

4.2 提取分析信息,構建模型解釋植物表觀遺傳現象

要想對以上猜想進行探究,需要使環境嚴格可控,但是對人而言這個操作不可行。當研究對象換為實驗生物,就可通過控制環境來研究環境對基因表達的影響。

4.2.1 觀察分析實驗現象,模擬科學探究過程

教師簡要介紹柳穿魚的兩種花型——開鏡面對稱花的植株A(野生型)和開輻射對稱花的植株B,展示雜交實驗。學生先判斷顯隱性,再推測植株B 出現的原因,結合信息1 提出假說。

教師展示信息1:柳穿魚花型和Lcyc基因密切相關。科學家檢測了兩種類型柳穿魚植株的Lcyc基因表達情況,結果如下:植株A 中Lcyc基因表達;植株B中,Lcyc基因不表達。學生易判斷植株A 呈現的性狀為顯性,B 為隱性,出現原因可能是基因突變。教師補充提問:為什么F1的花與植株A 相似? 預測F2的表型比。學生答F1為雜合子顯現A 的性狀,F2表型比為鏡面對稱花∶輻射對稱花=3 ∶1。教師展示實驗結果:子二代39 株中僅有5 株為輻射對稱(B 種),與3 ∶1 相差較大。

基因突變的假說可能不成立,教師呈現信息2 證實:經檢測,輻射對稱植株B 中Lcyc基因測序結果:未突變。即P、F1、F2的基因型均為Lcyc/Lcyc。提問:為何基因型相同,而表型不同? 學生難以作答,教師繼續出示信息3:植株BLcyc基因不表達的原因是它被高度甲基化(Lcyc基因有多個堿基連接甲基基團)了,并展示Lcyc基因及上游序列DNA 甲基化程度圖(圖1)。

圖1 Lcyc 基因及上游序列的DNA 甲基化程度

4.2.2 結合信息,討論解決問題串

教師提出系列問題,柳穿魚花的A、B 兩種類型和基因序列是否有關? 基因序列是否改變? 結合信息1、3,試解釋不同植株表現出兩種花型的原因。試從Lcyc基因甲基化的角度分析,為什么F1的花與植株A 相似?為什么F2中有些植株的花與植株B 相似?

4.2.3 整合信息,構建概念模型解釋問題

小組代表發言后教師作出評價補充問題四:F2中少數植株表現出與B 的相似性,說明什么? 問題1 指向概念要素一——Lcyc基因堿基序列不變;問題2 指向要素二——柳穿魚花型改變的原因是基因表達改變;問題3 四指向要素三——DNA 甲基化修飾可遺傳。簡化信息后,構建如圖2所示的概念模型:

圖2 柳穿魚花型表觀遺傳現象的概念模型

設計意圖:師生通過分析柳穿魚兩種花型不同的原因,對所呈現的科學實驗現象、結果進行探討,綜合有效信息并轉化建立概念模型,解釋兩種柳穿魚花基因型相同花型不同的原因,達成訓練學生科學思維的目標。

4.3 構建模型解釋動物表觀遺傳現象,建構概念

教師展示資料:某種實驗小鼠的毛色受一對等位基因Avy和a 控制,Avy為顯性基因,表現為黃色體毛,a為隱性基因,表現為黑色體毛。將純種黃色體毛和純種黑色體毛的小鼠雜交,F1小鼠基因型均為Avya,則應表現為黃色體毛。但實際結果是,子代小鼠表現出不同的毛色,呈現出介于黃色和黑色的一系列過渡類型。教師提出問題,F1小鼠的基因型和表現型有明確的因果關系嗎? 學生易得F1小鼠的基因型均相同,但是表現型不同,因此兩者無關。

教師補充資料:研究表明,在Avy基因的上游有一段特殊的堿基序列決定著該基因的表達水平,這段堿基序列具有多個可發生DNA 甲基化修飾的位點。當這些位點沒有甲基化時,Avy基因正常表達,小鼠表現為黃色;當這些位點甲基化后,Avy基因的表達就受到抑制,這段堿基序列的甲基化程度越高,Avy基因的表達受到的抑制就越明顯,小鼠體色的顏色就越深。小組結合資料繼續討論解決以下問題:F1不同體色小鼠性狀改變的原因是什么? 試解釋F1中Avya 小鼠會出現黃色和深色(最接近黑色)小鼠的原因。

學生可類比前一實例較快得出答案,Avy基因上游的堿基序列甲基化,影響該基因的表達,不同毛色小鼠的Avy基因甲基化程度不同,體色不同。黃色Avya小鼠Avy基因上游序列沒有甲基化,正常表達;深色小鼠Avy基因上游序列某些位點被高度甲基化,Avy基因表達量很低,表現為深色。

教師引導學生思考F1小鼠Avy基因的甲基化可否遺傳? 試設計實驗探究。學生可簡單提出測交實驗思路:F1與純種黑色小鼠雜交,觀察并統計子二代中小鼠的毛色及其比例。教師肯定并完善學生的實驗方案,展示實驗結論:母本中Avy基因DNA 甲基化修飾可遺傳給子代,但并非穩定遺傳。

學生自主構建解釋小鼠毛色表觀遺傳現象的概念模型,比較歸納兩資料共同點,總結表觀遺傳概念的三大要素——基因的堿基序列保持不變;基因表達和表型發生變化;這種變化可遺傳。隨后建構表觀遺傳概念,突破本節重難點。

設計意圖:教師轉化信息建立解釋小鼠毛色不同原因的概念模型。學生通過比較不同案例,抽提表觀遺傳現象三大要素后,自主歸納概念,達成對分析、比較、建模和歸納等科學思維的強化。

4.4 轉化信息,建模分析推測表觀遺傳機制

教師展示課本DNA 甲基化示意圖及DNA 甲基化對啟動子、DNA 聚合酶作用的影響圖片,引導學生思考DNA 甲基化修飾具體在哪個水平影響了基因表達? 如何影響這一過程? 學生結合圖片可得出:DNA甲基化之后RNA 聚合酶不能與啟動子結合,在轉錄水平抑制基因表達。在DNA 甲基轉移酶(DNMT)作用下,可使DNA 的特定堿基發生甲基化修飾。

教師以中心法則作為線索,啟發學生認識到表觀遺傳除影響基因的轉錄過程外,還可影響翻譯過程,并補充其他表觀遺傳的機制——組蛋白甲基化、組蛋白乙酰化,RNA 干擾等。

設計意圖:學生利用圖片提取信息歸納DNA 甲基化影響基因表達的機制,進一步強化分析、推理、概括的科學思維。

4.5 學以致用,提升社會責任

4.5.1 理性思辨,養成健康生活理念

資料3:有研究表明,吸煙會使人體細胞內DNA甲基化水平升高,對染色體上的組蛋白也會產生影響。不僅如此,男性吸煙者的精子活力下降,精子中的DNA 甲基化水平明顯升高。研究人員選取若干具有相同遺傳條件(遺傳信息相同)及健康狀況的大鼠,雄性大鼠被給予高脂飲食,并出現超重、體脂率高以及許多類似人類Ⅱ型糖尿病的癥狀,雌性大鼠正常飲食。雌雄大鼠交配的后代體重正常,但是也出現糖尿病樣的異常,且發現體內參與控制新陳代謝和能量代謝的基因表達出現了異常。

資料4:在西方世界,懷孕期間過量飲酒是導致出生缺陷和智力發育遲緩(胎兒酒精綜合征)的主要可預防因素。研究表明,乙醇可以誘導表觀遺傳發生明顯改變。例如,乙醇的體內代謝產物乙醛,可顯著抑制細胞內DNA 甲基化酶的活性,從而降低DNA 甲基化程度。此外,小鼠動物實驗證明,孕鼠過量攝入乙醇會顯著降低胚胎的DNA 甲基化水平,被認為是導致包括發育遲緩、顱面畸形和中樞神經系統受損等胚胎畸形的重要原因之一。

資料5:對于進行有性生殖的個體來說,在精子入卵后極短時間內,精子所攜帶的大多數表觀遺傳修飾會被第一次移除。在胚胎發育早期內細胞團中的一部分細胞分化形成原始生殖細胞時,表觀遺傳修飾將會被第二次移除(比第一次更徹底,但可能并非100%)。

學生通過閱讀資料3、4、5,思考以下系列問題。根據資料3、4,你如何看待親代不良生活習慣的影響?綜合資料5,談談你對“及時改善不良生活習慣是否有意義”的看法。獨立思考后,小組討論交流觀點。教師組織學生就“親代不良生活習慣的影響”和“及時改善不良生活習慣的意義”展開辯論。

教師總結親代不良生活習慣可能會通過表觀遺傳機制傳給子代,從而產生不良后果。但健康和壽命不僅僅由基因決定,親代表觀遺傳修飾不一定會遺傳給子代。因此及時改善不良生活習慣不僅利于當代人的健康,也可能會改善原有表觀遺傳修飾,從而盡可能減少對子代健康的影響。

4.5.2 淺析藥物研發思路,關注科研進展,關愛生命

教師出示資料6:研究表明,超過20%的結腸癌患者的許多不同抑癌基因同時具有啟動子DNA 的高甲基化水平,而DNA 甲基轉移酶可提高DNA 甲基化修飾的程度。在乳腺癌中,一種叫做ARHI 的抑癌基因相關的組蛋白呈現低水平乙酰化(乙酰化水平越低,基因表達量越少)。引導學生嘗試從表觀遺傳角度提出研制治療癌癥藥物的思路。

學生結合資料可知癌癥中抑癌基因在DNA 甲基轉移酶的用下,使得其DNA 甲基化水平升高,表達下調。因此可以過抑制DNA 甲基轉移酶的作用,降低DNA 甲基化水平,使得抑癌基因表達上調。進而提出具體操作:注入DNA 甲基轉移酶的抑制劑,教師補充這正是目前市面上一種抗癌藥物——5-阿扎胞苷的作用機理。

設計意圖:在辯論中學生基于事實、證據等,運用科學思維方法,探討表觀遺傳和健康生活的關系,增強科學思維品質,同時有助于樹立吸煙喝酒有害健康的生活理念。以癌癥藥物研發為背景,學生在解決問題過程中加深了對概念的理解,可增強學以致用的成就感并激發對科研的熱情與關注,同時也可建立關愛癌癥病人的社會責任。

4.6 深化認知,課堂小結

細胞分化的實質是基因選擇性表達,而表觀遺傳可調控基因表達與否以及表達水平的高低,因此表觀遺傳并非獨立于已知的內容。教師圍繞中心法則,幫助學生梳理基因、基因表達產物、環境與性狀之間的復雜關系,提升概念學習的系統性和完整性。環境可直接改變個體的性狀;可通過誘發突變改變性狀;還可在不改變基因堿基序列的前提下,通過表觀遺傳機制改變基因的表達引起性狀改變。

5 教學反思

本節課以教材中柳穿魚花型、小鼠毛色、吸煙與表觀遺傳資料為主要依據,進行合理拓展,提供相關科學實驗過程及結果。學生在科學探究過程中運用比較、分析、綜合、歸納的科學思維方法,構建“表觀遺傳”概念,同時“尊重事實和證據、講求邏輯分析、質疑和批判”的科學思維品質得以培養。在探討“表觀遺傳和吸煙飲酒等生活習慣、癌癥藥物研發的關系”等實際問題時,需以表觀遺傳概念和機制作為基礎,批判地認識、分析表觀遺傳現象與性狀的關系。同時引導學生關注癌癥藥物研發,認同及時改善不良生活習慣形成健康生活方式的必要性,達成建立相關社會責任的目標。