馬芳芳

（首都師范大學(xué)附屬育新學(xué)校 北京 100096）

2018年教育部頒布了《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》，明確提出“生物學(xué)課程是以提高學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)為宗旨的學(xué)科課程”［1］的基本理念。生物學(xué)核心素養(yǎng)是學(xué)生在生物學(xué)課程學(xué)習(xí)過程中逐漸發(fā)展的,在解決真實(shí)情境中的問題時(shí)所表現(xiàn)出來的必備品格和關(guān)鍵能力,包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任4 個(gè)維度。面對(duì)新課程標(biāo)準(zhǔn)、新評(píng)價(jià)方案，如何實(shí)施有效的以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的課堂教學(xué)是一線教師亟待解決的問題。

5E 教學(xué)模式將一節(jié)課或一個(gè)單元分為引入（engagement）、探究（exploration）、解釋（explanation）、精致（elaboration）及評(píng)價(jià)（evaluation）5 個(gè)階段，這一模式可用于單個(gè)課時(shí)、特定單元及全部課程的設(shè)計(jì)和教學(xué)。該種教學(xué)模式遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生進(jìn)行調(diào)查、實(shí)驗(yàn)、解決問題等探究活動(dòng),主動(dòng)進(jìn)行科學(xué)概念的構(gòu)建及錯(cuò)誤概念的轉(zhuǎn)化［2］。5E 教學(xué)模式是現(xiàn)代科學(xué)教育理論的重要教學(xué)模式之一,其最終目標(biāo)是指向?qū)W生科學(xué)概念的構(gòu)建，這也是科學(xué)教育的核心任務(wù)。利用5E教學(xué)模式進(jìn)行生物學(xué)課程設(shè)計(jì),能促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成［3］。

在“表觀遺傳現(xiàn)象”一節(jié)教學(xué)中，運(yùn)用5E 教學(xué)模式，設(shè)計(jì)探究活動(dòng)引發(fā)學(xué)生對(duì)“表觀遺傳現(xiàn)象”的本質(zhì)進(jìn)行探索，從而構(gòu)建科學(xué)概念，應(yīng)用概念解決真實(shí)情境下的問題，發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 內(nèi)容分析

1.1 課程標(biāo)準(zhǔn)要求 “表觀遺傳現(xiàn)象”是《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》最新加入的內(nèi)容，相關(guān)表述為：

核心概念：3 遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳。

重要概念：3.1 親代傳遞給子代的遺傳信息主要編碼在DNA 分子上。

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。

1.2 對(duì)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的價(jià)值 表觀遺傳學(xué)的發(fā)展歷程是科學(xué)本質(zhì)的典型體現(xiàn)［4］，將其納入高中生物學(xué)課程,除了讓學(xué)生掌握更多的遺傳學(xué)知識(shí)之外，還可完善學(xué)生的遺傳學(xué)知識(shí)體系，尤為重要的是能發(fā)揮其提升學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)方面的作用,學(xué)生通過學(xué)習(xí)表觀遺傳學(xué)的內(nèi)容將會(huì)更好地理解科學(xué)的本質(zhì)。在教學(xué)中，針對(duì)來自科研進(jìn)展的問題“人們的飲食、經(jīng)歷是否會(huì)遺傳給子代”，引發(fā)認(rèn)知沖突，學(xué)生在探知的過程中發(fā)現(xiàn)經(jīng)典遺傳學(xué)知識(shí)的局限性,從而引導(dǎo)學(xué)生尋找更為合理的科學(xué)解釋，進(jìn)而認(rèn)識(shí)到科學(xué)本身“是不斷發(fā)展的”的屬性特征。

通過學(xué)習(xí)表觀遺傳學(xué)的內(nèi)容,學(xué)生可從結(jié)構(gòu)與功能的角度解釋表觀遺傳修飾如何影響基因表達(dá)的過程，從基因、環(huán)境和性狀的關(guān)系感悟遺傳、進(jìn)化與環(huán)境的內(nèi)在聯(lián)系,從而發(fā)展進(jìn)化與適應(yīng)的生命觀念。在高中階段加入表觀遺傳學(xué)內(nèi)容可提升學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng),引導(dǎo)學(xué)生更好地理解科學(xué)的本質(zhì)、構(gòu)建生命觀念，從而提升學(xué)生受益終生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。

1.3 單元整體教學(xué)設(shè)計(jì) 本節(jié)課是必修模塊2“遺傳與進(jìn)化”第3 章“遺傳的分子基礎(chǔ)”第2 單元“遺傳信息控制生物性狀”的最后一節(jié)課，本節(jié)課內(nèi)容承接前面基因?qū)π誀畹目刂?又為后面學(xué)習(xí)變異、進(jìn)化等內(nèi)容奠定基礎(chǔ)（圖1）。

圖1 單元教學(xué)設(shè)計(jì)

2 學(xué)情分析

學(xué)生的生物學(xué)基礎(chǔ)較好，知道通過基因的表達(dá)合成蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)控制生物的性狀；通過第1 章的學(xué)習(xí)，已了解性狀由基因決定，同時(shí)受環(huán)境影響。具備一定的理性思維能力和科學(xué)探究方法；但對(duì)于陌生情境下遷移、應(yīng)用概念的能力有待提高。

3 本節(jié)課學(xué)生需理解的重要概念

1）表觀遺傳學(xué)通過表觀遺傳修飾影響基因的表達(dá)，從而具有基因序列不變、表型改變和可遺傳的特點(diǎn)。

2）表觀遺傳修飾也是一種遺傳信息,它可適時(shí)、適地、適量控制基因表達(dá)，從而控制生物性狀。

4 學(xué)習(xí)目標(biāo)及重、難點(diǎn)

4.1 學(xué)習(xí)目標(biāo)

1）生命觀念：能運(yùn)用結(jié)構(gòu)與功能觀解釋DNA甲基化能抑制基因的表達(dá)；能闡明環(huán)境因素通過表觀遺傳機(jī)制調(diào)控基因的表達(dá)，并可遺傳給子代，有利于生物種群的生存和繁衍,體現(xiàn)進(jìn)化與適應(yīng)觀，能辯證地看待拉馬克的進(jìn)化理論；能運(yùn)用穩(wěn)態(tài)與平衡觀，分析表觀遺傳在癌癥發(fā)生、發(fā)展、治療中的作用。

2）科學(xué)思維：能基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和證據(jù)，對(duì)材料中的文字、圖片進(jìn)行分析、比較、歸納和概括，總結(jié)表觀遺傳學(xué)的概念和特點(diǎn)；能通過演繹和推理，解釋實(shí)際生活中的表觀遺傳現(xiàn)象；能運(yùn)用批判性思維,辯證地看待表觀遺傳在細(xì)胞命運(yùn)決定中的作用和討論拉馬克的進(jìn)化理論。

3）科學(xué)探究：根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模治鲎宰兞?、因變量和因變量的指?biāo)；通過自變量的改變，設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)；通過推理得到預(yù)期結(jié)果；根據(jù)實(shí)際結(jié)果，概括出結(jié)論。

4）社會(huì)責(zé)任：學(xué)生應(yīng)能樹立健康生活的觀念，關(guān)注表觀遺傳學(xué)的前沿發(fā)展。

4.2 教學(xué)重、難點(diǎn)

1）重點(diǎn)：表觀遺傳學(xué)具有基因序列不變、表型改變和可遺傳的特點(diǎn)。

2）難點(diǎn)：從進(jìn)化和適應(yīng)的觀點(diǎn)，辯證地看待環(huán)境因素通過表觀遺傳機(jī)制改變親代的性狀,并傳遞給后代。

5 教學(xué)過程

5.1 基于科研進(jìn)展的引入（引入階段，engagement）

暴露錯(cuò)誤概念，提出核心問題。教師指出很多人誤以為，不健康的生活習(xí)慣，包括抽煙、喝酒、暴食熬夜等不良習(xí)慣，只是自己的身體受到影響，并

不影響后代。教師出示Science最新研究進(jìn)展:能

遺傳的不僅僅是基因，飲食、疾病或生活方式等，環(huán)境因素可通過表觀遺傳學(xué)機(jī)制傳遞給子代［5］。什么是表觀遺傳學(xué)？人們攝入的食物、生活習(xí)慣真的會(huì)遺傳給子孫嗎？提出核心問題,引發(fā)認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

5.2 基于材料的探究（探究階段，exploration）

5.2.1 表觀遺傳的特點(diǎn)1：基因不變，表型改變

1）從現(xiàn)象入手，提出問題。教師提供資料：正常小鼠Agouti基因周期性開啟,毛發(fā)出現(xiàn)黑黃黑的環(huán)狀條帶?，F(xiàn)有2 種突變體小鼠：一種為Agouti基因完全失活，產(chǎn)生全黑的毛發(fā)；另一種是Agouti被持續(xù)開啟，呈現(xiàn)出過度激活的狀態(tài)，產(chǎn)生黃色毛發(fā)。引導(dǎo)學(xué)生預(yù)測此2 種小鼠雜交后代的表型，繼而出示實(shí)際結(jié)果：雜交后代出現(xiàn)3 種表型。從現(xiàn)象入手,提出問題：為什么基因型相同,但表型不同？學(xué)生利用已有知識(shí)，可概括得出：

但無法解釋Agouti小鼠的現(xiàn)象,需要進(jìn)一步尋找更合理的科學(xué)解釋。

2）提出假設(shè)，進(jìn)行DNA 甲基化影響基因表達(dá)的探究活動(dòng)。教師展示圖2，研究發(fā)現(xiàn)，在Agouti基因前插入了一段DNA 序列，使Agouti基因持續(xù)開啟，因而產(chǎn)生黃色毛發(fā)；如果這段DNA 序列被甲基化所修飾,則會(huì)出現(xiàn)Agouti基因不同程度的關(guān)閉,因而出現(xiàn)過渡的斑點(diǎn)和完全抑制的黑色毛發(fā)。引導(dǎo)學(xué)生分析,提出假設(shè)：DNA 甲基化影響Agouti基因的表達(dá)。

圖2 不同的DNA 甲基化程度（黑色圓圈表示）影響Agouti 基因的表達(dá)

組織學(xué)生小組討論,如何利用假說演繹法設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)：1）自變量、因變量是什么？2）如何利用加法原則和減法原則設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)？3）預(yù)期結(jié)果是什么? 在完善實(shí)驗(yàn)方案的基礎(chǔ)上，展示科研人員的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,學(xué)生分析得到結(jié)論：DNA 甲基化影響Agouti基因的表達(dá)。通過自主的探究活動(dòng)，學(xué)生不僅解決了從現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)的問題,而且提高了設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)的能力。

3）利用物理模型，分析表觀遺傳修飾影響基因表達(dá)的原因。結(jié)合圖片，回憶轉(zhuǎn)錄過程中，RNA聚合酶需要結(jié)合到DNA 單鏈的特定位置；推測表觀遺傳修飾阻止RNA 聚合酶的結(jié)合，進(jìn)而影響基因的表達(dá)。請(qǐng)一位學(xué)生做展示實(shí)驗(yàn)，先拉一段正常的拉鏈（模擬DNA），很容易打開雙鏈；在拉鏈上粘上帶有表觀遺傳修飾的貼紙，不能打開雙鏈。從而形象地說明表觀遺傳修飾就像一個(gè)帽子,戴上它，基因關(guān)閉；去掉它，基因開啟。教師通過物理模型具體形象地幫助學(xué)生理解微觀過程；學(xué)生聯(lián)系已有的知識(shí)能利用結(jié)構(gòu)與功能觀解釋DNA 甲基化能抑制基因表達(dá)的原因。

5.2.2 表觀遺傳的特點(diǎn)2：表觀遺傳修飾可遺傳 教師出示Agouti小鼠子代性狀示意圖（圖3），學(xué)生小組討論、分析，獲知表觀遺傳修飾可遺傳。

圖3 Agouti 小鼠子代性狀［6］

為探究DNA 復(fù)制過程中，DNA 甲基化特征如何被保持，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)圖示（圖4）進(jìn)行分析。學(xué)生能推測出需要在細(xì)胞內(nèi)存在DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶，即可保證DNA 甲基化特征能在DNA 復(fù)制和細(xì)胞分裂中被保留下來。

圖4 DNA 復(fù)制過程中DNA 甲基化特征被保持的示意圖[6]

5.3 基于真實(shí)情境的現(xiàn)象解釋（解釋與精致階段，explanation and elaboration）

5.3.1 歸納概括，形成概念 在得到表觀遺傳的2 個(gè)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生歸納概括，形成表觀遺傳的概念。

5.3.2 提供真實(shí)情境，理解概念的內(nèi)涵

1）通過表觀遺傳如何將雙胞胎變得不同，引導(dǎo)學(xué)生遷移概念，解釋現(xiàn)象：雙胞胎的基因相同，但表觀遺傳修飾不同，因而性狀出現(xiàn)差異。

2）通過人類遺傳病——普萊德-威利綜合征（Prader-Willi syndrome，PWS）和安格曼綜合征（Angelman syndrome，AS），推測細(xì)胞區(qū)分父源染色體和母源染色體的機(jī)制：不同來源的染色體上表觀遺傳修飾不同。

3）閱讀表觀遺傳與癌癥的資料：癌癥是由異常而無法控制的細(xì)胞增殖引起的。一般情況下，細(xì)胞的分裂和增殖是有其正確節(jié)律的。這是由細(xì)胞內(nèi)基因網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜平衡調(diào)控實(shí)現(xiàn)的。有些基因促進(jìn)細(xì)胞增殖，這些基因被稱為原癌基因。另一類基因則阻止細(xì)胞的過度增殖,這些基因被稱為抑癌基因。在健康細(xì)胞里，2 類基因的表達(dá)呈平衡狀態(tài)。一旦調(diào)節(jié)出現(xiàn)了問題,細(xì)胞增殖就會(huì)出現(xiàn)失控。設(shè)計(jì)問題串：癌癥的形成機(jī)制是什么？表觀遺傳在癌癥發(fā)生中的作用是什么？如何通過表觀遺傳機(jī)制治療癌癥？設(shè)置開放性的討論，從不同角度共同旨向本節(jié)課的第2 個(gè)重要概念：表觀遺傳修飾也是一種遺傳信息，它可適時(shí)、適地、適量控制基因表達(dá)，從而控制生物的性狀，深入理解概念內(nèi)涵。學(xué)生能運(yùn)用穩(wěn)態(tài)與平衡觀，分析表觀遺傳在癌癥發(fā)生、發(fā)展、治療中的作用。

4）總結(jié)環(huán)境因素通過表觀遺傳修飾影響基因表達(dá)，揭示表觀遺傳的實(shí)質(zhì)和意義，引導(dǎo)學(xué)生從進(jìn)化和適應(yīng)的觀點(diǎn),辯證地看待環(huán)境因素通過表觀遺傳機(jī)制改變親代的性狀，并傳遞給后代（圖5）。

圖5 本課小結(jié)

5.4 應(yīng)用概念解決實(shí)際問題（評(píng)價(jià)階段，evaluation）

課后評(píng)價(jià)：1）針對(duì)主題——表觀遺傳是否能為拉馬克平反，搜集資料，論證觀點(diǎn)。2）關(guān)注表觀遺傳學(xué)的前沿進(jìn)展，收集實(shí)例，進(jìn)行論述。

6 教學(xué)反思

高中生物學(xué)課程的目標(biāo)應(yīng)該是發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。本節(jié)課中，學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)過程，自主構(gòu)建概念模型，習(xí)得生物學(xué)知識(shí)，加深對(duì)“生命觀念”的理解；創(chuàng)設(shè)真實(shí)具體的問題情境：為什么Agouti小鼠基因型相同但表型不同,引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)了完整的科學(xué)探究過程,有利于培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)思維”和“科學(xué)探究”素養(yǎng)；雙胞胎的實(shí)例、染色體遺傳病-PWS 綜合征和AS 綜合征、癌癥，鼓勵(lì)學(xué)生用科學(xué)的觀點(diǎn)、知識(shí)、思路和方法，面對(duì)或解決現(xiàn)實(shí)生活中的問題，提高學(xué)生的“社會(huì)責(zé)任”素養(yǎng)。作為一線教師，應(yīng)該給學(xué)生充滿生物學(xué)科味道的魅力課堂，關(guān)注學(xué)生的品格和能力提升，發(fā)展學(xué)生受益終身的學(xué)科核心素養(yǎng)。