運用5E教學模式進行“表觀遺傳現(xiàn)象”一節(jié)教學*

馬芳芳

（首都師范大學附屬育新學校 北京 100096）

2018年教育部頒布了《普通高中生物學課程標準（2017年版）》，明確提出“生物學課程是以提高學生生物學核心素養(yǎng)為宗旨的學科課程”［1］的基本理念。生物學核心素養(yǎng)是學生在生物學課程學習過程中逐漸發(fā)展的,在解決真實情境中的問題時所表現(xiàn)出來的必備品格和關(guān)鍵能力,包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任4 個維度。面對新課程標準、新評價方案，如何實施有效的以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的課堂教學是一線教師亟待解決的問題。

5E 教學模式將一節(jié)課或一個單元分為引入（engagement）、探究（exploration）、解釋（explanation）、精致（elaboration）及評價（evaluation）5 個階段，這一模式可用于單個課時、特定單元及全部課程的設(shè)計和教學。該種教學模式遵循學生的認知規(guī)律，充分調(diào)動學生進行調(diào)查、實驗、解決問題等探究活動,主動進行科學概念的構(gòu)建及錯誤概念的轉(zhuǎn)化［2］。5E 教學模式是現(xiàn)代科學教育理論的重要教學模式之一,其最終目標是指向?qū)W生科學概念的構(gòu)建，這也是科學教育的核心任務(wù)。利用5E教學模式進行生物學課程設(shè)計,能促進學生生物學學科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成［3］。

在“表觀遺傳現(xiàn)象”一節(jié)教學中，運用5E 教學模式，設(shè)計探究活動引發(fā)學生對“表觀遺傳現(xiàn)象”的本質(zhì)進行探索，從而構(gòu)建科學概念，應(yīng)用概念解決真實情境下的問題，發(fā)展生物學學科核心素養(yǎng)。

1 內(nèi)容分析

1.1 課程標準要求 “表觀遺傳現(xiàn)象”是《普通高中生物學課程標準（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 對學生學科核心素養(yǎng)發(fā)展的價值 表觀遺傳學的發(fā)展歷程是科學本質(zhì)的典型體現(xiàn)［4］，將其納入高中生物學課程,除了讓學生掌握更多的遺傳學知識之外，還可完善學生的遺傳學知識體系，尤為重要的是能發(fā)揮其提升學生生物學科核心素養(yǎng)方面的作用,學生通過學習表觀遺傳學的內(nèi)容將會更好地理解科學的本質(zhì)。在教學中，針對來自科研進展的問題“人們的飲食、經(jīng)歷是否會遺傳給子代”，引發(fā)認知沖突，學生在探知的過程中發(fā)現(xiàn)經(jīng)典遺傳學知識的局限性,從而引導(dǎo)學生尋找更為合理的科學解釋，進而認識到科學本身“是不斷發(fā)展的”的屬性特征。

通過學習表觀遺傳學的內(nèi)容,學生可從結(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的過程，從基因、環(huán)境和性狀的關(guān)系感悟遺傳、進化與環(huán)境的內(nèi)在聯(lián)系,從而發(fā)展進化與適應(yīng)的生命觀念。在高中階段加入表觀遺傳學內(nèi)容可提升學生的生物學核心素養(yǎng),引導(dǎo)學生更好地理解科學的本質(zhì)、構(gòu)建生命觀念，從而提升學生受益終生的生物學核心素養(yǎng)。

1.3 單元整體教學設(shè)計 本節(jié)課是必修模塊2“遺傳與進化”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?又為后面學習變異、進化等內(nèi)容奠定基礎(chǔ)（圖1）。

圖1 單元教學設(shè)計

2 學情分析

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

3 本節(jié)課學生需理解的重要概念

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

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

4 學習目標及重、難點

4.1 學習目標

1）生命觀念：能運用結(jié)構(gòu)與功能觀解釋DNA甲基化能抑制基因的表達；能闡明環(huán)境因素通過表觀遺傳機制調(diào)控基因的表達，并可遺傳給子代，有利于生物種群的生存和繁衍,體現(xiàn)進化與適應(yīng)觀，能辯證地看待拉馬克的進化理論；能運用穩(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）科學思維：能基于實驗現(xiàn)象和證據(jù)，對材料中的文字、圖片進行分析、比較、歸納和概括，總結(jié)表觀遺傳學的概念和特點；能通過演繹和推理，解釋實際生活中的表觀遺傳現(xiàn)象；能運用批判性思維,辯證地看待表觀遺傳在細胞命運決定中的作用和討論拉馬克的進化理論。

3）科學探究：根據(jù)實驗?zāi)康模治鲎宰兞俊⒁蜃兞亢鸵蜃兞康闹笜耍煌ㄟ^自變量的改變，設(shè)計對照實驗；通過推理得到預(yù)期結(jié)果；根據(jù)實際結(jié)果，概括出結(jié)論。

4）社會責任：學生應(yīng)能樹立健康生活的觀念，關(guān)注表觀遺傳學的前沿發(fā)展。

4.2 教學重、難點

1）重點：表觀遺傳學具有基因序列不變、表型改變和可遺傳的特點。

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

5 教學過程

5.1 基于科研進展的引入（引入階段，engagement）

暴露錯誤概念，提出核心問題。教師指出很多人誤以為，不健康的生活習慣，包括抽煙、喝酒、暴食熬夜等不良習慣，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機制傳遞給子代［5］。什么是表觀遺傳學？人們攝入的食物、生活習慣真的會遺傳給子孫嗎？提出核心問題,引發(fā)認知沖突，激發(fā)學習興趣。

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。現(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)學生預(yù)測此2 種小鼠雜交后代的表型，繼而出示實際結(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？學生利用已有知識，可概括得出：

但無法解釋Agouti小鼠的現(xiàn)象,需要進一步尋找更合理的科學解釋。

2）提出假設(shè)，進行DNA 甲基化影響基因表達的探究活動。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,則會出現(xiàn)Agouti基因不同程度的關(guān)閉,因而出現(xiàn)過渡的斑點和完全抑制的黑色毛發(fā)。引導(dǎo)學生分析,提出假設(shè)：DNA 甲基化影響Agouti基因的表達。

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

組織學生小組討論,如何利用假說演繹法設(shè)計探究實驗：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)計對照實驗？3）預(yù)期結(jié)果是什么? 在完善實驗方案的基礎(chǔ)上，展示科研人員的實驗結(jié)果,學生分析得到結(jié)論：DNA 甲基化影響Agouti基因的表達。通過自主的探究活動，學生不僅解決了從現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)的問題,而且提高了設(shè)計探究實驗的能力。

3）利用物理模型，分析表觀遺傳修飾影響基因表達的原因。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，進而影響基因的表達。請一位學生做展示實驗，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生理解微觀過程；學生聯(lián)系已有的知識能利用結(jié)構(gòu)與功能觀解釋DNA 甲基化能抑制基因表達的原因。

5.2.2 表觀遺傳的特點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)學生根據(jù)圖示（圖4）進行分析。學生能推測出需要在細胞內(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 個特點的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學生歸納概括，形成表觀遺傳的概念。

5.3.2 提供真實情境，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），推測細胞區(qū)分父源染色體和母源染色體的機制：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胞增殖引起的。一般情況下，細胞的分裂和增殖是有其正確節(jié)律的。這是由細胞內(nèi)基因網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜平衡調(diào)控實現(xiàn)的。有些基因促進細胞增殖，這些基因被稱為原癌基因。另一類基因則阻止細胞的過度增殖,這些基因被稱為抑癌基因。在健康細胞里，2 類基因的表達呈平衡狀態(tài)。一旦調(diào)節(jié)出現(xiàn)了問題,細胞增殖就會出現(xiàn)失控。設(shè)計問題串：癌癥的形成機制是什么？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 個重要概念：表觀遺傳修飾也是一種遺傳信息，它可適時、適地、適量控制基因表達，從而控制生物的性狀，深入理解概念內(nèi)涵。學生能運用穩(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，揭示表觀遺傳的實質(zhì)和意義，引導(dǎo)學生從進化和適應(yīng)的觀點,辯證地看待環(huán)境因素通過表觀遺傳機制改變親代的性狀，并傳遞給后代（圖5）。

圖5 本課小結(jié)

5.4 應(yīng)用概念解決實際問題（評價階段，evaluation）

課后評價：1）針對主題——表觀遺傳是否能為拉馬克平反，搜集資料，論證觀點。2）關(guān)注表觀遺傳學的前沿進展，收集實例，進行論述。

6 教學反思

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