基因表观遗传的论证式教学

年福琪 桑 灿

(安徽省宿城第一中学 安徽宿州 234000)

《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》提出:生物学课程倡导学生为学习主体参与学习,在学习过程中通过提出问题、作出假设、获取信息、寻找证据、验证假设和总结规律等过程中主动构建、理解生物学核心概念并形成生命观念。图尔敏论证模型由6 部分组成,包括资料、主张、理由、支援、限定、反驳六个方面。论证式教学的实质是将科学领域的论证引入课堂,首先教师引导学生从分析“资料”得出“主张”,然后提供“理由”和“支援”解释支持主张,经“反驳”和“限定”后,最后完善或认可主张。开展论证式教学,有利于学生构建、理解表观遗传概念;有利于学生理解证据在科学探究中的重要作用,掌握论证的基本技能;有利于发展学生表达观点、推理能力、批判反思能力与决策能力;帮助学生形成以“能辨别个人意见并能在基于证据的基础上发展出主张,能够应用所学的科学知识,做出具有证据的结论并向他人沟通与解释”等为核心的科学素养。

1 教学内容分析

新课标提出了“大概念—重要概念—次位概念”三级概念体系,表观遗传部分对应次位概念:3.1.5 概述某些基因中碱基序列不变但表型改变的表观遗传现象。一般来说,次位概念对应的是某一小节的全部内容,而表观遗传作为第二节中的部分内容,也以一个次位概念的形式出现,和其他次位概念一起向上构成重要概念,最后形成生命观念“遗传信息控制生物性状,并代代相传”。表观遗传部分对于学生理解基因与性状的关系的十分重要。

本节是人教版新教材必修2 第四章第二节部分内容。学生通过第三章“基因的本质”的学习,对基因的结构、复制等有了分子水平上的了解。通过前两节的学习,学生了解了基因如何控制蛋白质的合成来控制性状,形成了前科学概念,初步建立了基因与性状的线性因果关系。表观遗传将这种关系复杂化,揭示了二者的非线性关系,表观遗传机制复杂、内容抽象、学生学习起来有一定难度。本节面向的高一年级下学期的学生,进行科学论证的学习能够培养学生的逻辑思维和推理能力,能促进科学思维的发展。

2 教学目标确立

结合表观遗传概念,确定本节教学目标如下:

①分析柳穿鱼花的形态结构、小鼠毛色、猫的体色等遗传现象,概述表观遗传概念,形成生命观念。

②基于资料提出主张,寻求理由和支持,或提出反驳和限定,完善所提出的主张,掌握科学论证的方法。

③运用表观遗传知识,解释相关疾病的成因,形成健康生活观,参与相关社会性科学议题的讨论,主动向他人宣传关爱生命和保护环境等相关知识,树立环境保护意识和可持续发展理念,承担社会责任。

本节的重难点是表观遗传概念的科学论证过程。

3 教学实施过程

3.1 概念引入——复习已学建构模型,设疑激发学生学习兴趣

学生已经学习了基因通过控制酶的合成和蛋白质的结构进而控制生物体的性状。教师引导学生将上节所学内容建构成一个简单的科学论证模型:

图1 中心法则科学论证模型

教师提出问题:基因相同的个体,他们的性状是否一定相同? 基因与性状之间的关系是不是一一对应? 学生举例反驳:基因相同的两个个体如同卵双胞胎之间,也会存在表型差异。教师引导学生从基因表达角度分析:基因表达水平发生变化,性状也可能发生改变。同时引导学生对已建构的模型中的主张提出反驳和限定,进而完善提出的主张。引入表观遗传概念的学习。

设计意图:通过复习上节课内容建构科学论证模型,同时对上节课内容的学习进行质疑引导学生对科学论证模型提出反驳和限定,激发学生进一步学习的兴趣。

3.2 概念建构——表观遗传概念的科学论证过程

3.2.1 DNA 的甲基化

教师指导学生阅读教材第73 页资料1,并提出问题:(1)从基因的碱基序列和表型来看,可以提出什么主张?(2)Lcyc 基因多个碱基被甲基化导致其不表达的原因是什么?(3)柳穿鱼F1的花的形态结构与植株A 相似的原因是什么? F2中有些植株的花的形态结构与植株B 相似的原因是什么?

教师补充资料:在DNMT1 的作用下,DNA 序列的CpG 二核苷酸中胞嘧啶的第5 位碳原子结合甲基形成5′-甲基胞嘧啶(5mC)称为DNA 的甲基化。在基因的启动子区域有多个CpG 二核苷酸序列,正常情况下CpG 不发生甲基化,RNA 聚合酶可以正常结合启动子完成转录,而CpG 岛发生甲基化导致RNA 聚合酶不能识别结合到启动子上,致使基因转录无法进行。甲基化的双链DNA 复制产生的子代双链中,只有亲代的DNA 链是甲基化的,DNMT1 能够识别这种新合成的双链中亲代单链上的甲基化位点,并将子链相应位置的胞嘧啶进行甲基化。师生共同学习、讨论。教师根据资料引导学生建构科学论证模型如图2所示。

图2 DNA 甲基化科学论证模型

接着,学生进行活动1:模型模拟DNA 的甲基化。教师展示CpG 二核苷酸图片和甲基基团图片,引导学生将甲基基团粘贴在胞嘧啶的第5 位碳原子上,模拟DNA 的甲基化。接着,教师引导学生结合孟德尔遗传规律,尝试用遗传图解的形式解释柳穿鱼植株A 和植株B 杂交实验结果。然后,教师指导学生阅读教材资料2 小鼠的毛色与Avy甲基化的关系。通过教材资料1 和资料2 的两个事例,师生共同总结:DNA 甲基化不改变生物体基因的碱基序列,通过影响基因的表达,使生物体的性状发生可遗传变化。

设计意图:教师通过分析教材资料和建构论证模型,引导学生根据资料提出主张,寻找证据来支援主张,培养学生科学思维,提高学生表达能力。通过物理模型模拟甲基化、运用经典遗传学解释杂交实验结果使学生获得直观感受,加深理解。

3.2.2 以X 染色体的随机失活为例

教师指导学生阅读课后习题“拓展应用3”雌猫的黑黄相间体色现象,并提出问题:为什么雌猫会出现黑黄相间的类型? 学生回答:基因型为XBXo的雌猫同时表达了Xo(黄色)和XB(黑色)两个基因。教师反驳:雌猫体色应该介于黑黄之间的颜色,不应有黄色或黑色。

教师补充资料:哺乳动物的体细胞中,雄性性染色体组成为XY,而雌性有两条X 染色体。Y 染色体上的基因很少,X 染色体较大,并携带大量的基因。如果X 染色体上的基因在两种性别的生物中都表达,则雌性的每个基因的表达产物将是雄性的2 倍。观察表明,X 染色体上的基因在两种性别的生物中的表达水平是相等的,这种现象称为剂量补偿效应。研究表明在哺乳动物的体细胞中,雌性两条X 染色体中随机一条上的基因被关闭,而雄性的X 染色体保持活性,这种调控方式称为X 染色体失活。

师生共同完成X 染色体随机失活科学论证模型如图3所示。

图3 X 染色体随机失活科学论证模型

通过上述事例分析,师生共同总结表观遗传概念:表观遗传是生物体基因的碱基序列保持不变,通过对基因的修饰,基因表达和表型发生可遗传变化的现象。

设计意图:通过教材问题情境和补充资料,引导学生解释现象,进一步应用科学论证的方法。并使学生认识到表观遗传的方式在自然界有很多种。学生进而自主总结得出表观遗传概念。

3.3 概念应用与评价——关注相关研究成果、完善模型

3.3.1 关注表观遗传研究成果,落实社会责任

教师展示资料:(1)研究表明吸烟会提高人体细胞内DNA 的甲基化水平。长期吸烟的男性精子活力低下,精子DNA 的甲基化水平明显高于非吸烟者。(2)如果祖父辈在9—12 岁时有大吃大喝的经历,其孙辈的寿命就会比较短,患糖尿病的几率也会相应增加。

农药、杀虫剂等分解产生的环境激素等可能影响人类基因的表达产生变异,而且这种变异可以通过遗传持续数代。学生阅读和分析资料,分析表观遗传在健康、环保等方面的影响。

设计意图:通过阅读材料,引导学生理解健康的生活方式、饮食习惯和良好的家庭环境,影响基因的修饰,进而影响基因的表达,并遗传给后代,使学生习得健康生活观;引导学生关注与表观遗传相关的社会议题,参与讨论并做出解释,主动向他人宣传关爱生命和保护环境等相关知识,树立环境保护意识和可持续发展理念,落实社会责任。

3.3.2 完善模型,首尾呼应

教师带领学生回顾本节开始时建构的“基因与性状的关系的科学论证模型”,引导学生完善模型,如图4所示。

图4 基因与性状的科学论证模型

3.3.3 概念评价——绘制概念图、撰写小论文

教师布置课后作业:(1)绘制基因与性状关系思维导图;(2)查阅资料,撰写一篇关于表观遗传的小论文。

设计意图:通过绘制概念图,推动学生从整个概念框架审视表观遗传概念与其他概念之间的关系,完成概念的升维理解。通过撰写小论文提高学生收集材料和表达观点的能力。

4 教学反思

科学概念的建构,需要证据和理由,在对提出的概念进行质疑、反驳的过程中,修正完善科学概念。在论证式教学设计中,学生能主动参与学习的过程,进行观点的交流与修正,讨论的过程中提高思维的严谨性,最终达成概念的深度理解;培养学生的问题意识、怀疑精神、论证能力和批判性思维。通过本节课学习,学生进一步形成生命的信息观,将科学论证作为培养科学思维的重要策略,帮助学生理解“科学知识可能随着研究的深入而改变”的科学本质,最后联系生活实际,承担社会责任,体现了生物学概念的育人价值。