基于認知沖突創設問題情境的教學設計
——以“表觀遺傳及其作用機制”為例

王 婷

（南京市第九中學 江蘇南京 210000）

認知沖突是指學生原有認知結構與新知識之間的矛盾與沖突。表觀遺傳是課程標準新增的學習內容，學生常見的前概念有：控制柳穿魚兩種花型的基因堿基序列一定不同；飲食、運動等生活習慣只會對自己產生影響，而不會影響到后代。當學生的前概念和科學概念之間存在矛盾時，就會產生認知沖突，引起認知結構上的不平衡，激發的好奇心和求知欲，讓學生在解決問題的過程中實現概念轉變。因此，筆者以如何利用認知沖突創設問題情境為主線，開展了表觀遺傳概念教學的實踐。

1 教材分析

“表觀遺傳及其作用機制”是蘇教版必修2第二章第三節“遺傳信息控制生物的性狀”中的內容，本節課還與必修2中“基因控制蛋白質的合成”“生物的性狀主要通過蛋白質表現，同時受到環境的影響”等內容密切相關。表觀遺傳學作為對經典遺傳學的補充，是課程標準新增的遺傳學研究熱點，內容較為復雜，且尚處于不斷更新與修正中，是學生學習高中遺傳學的重點與難點。教師引導學生對表觀遺傳進行概念建構，可以幫助學生形成結構與功能相適應的生命觀念，啟發學生關注環境對表觀遺傳的影響。

2 教學目標

①閱讀有關表觀遺傳現象的資料，運用結構與功能觀，多角度認識生物界的表觀遺傳現象。

②通過表觀遺傳的案例探究，建構表觀遺傳概念模型，探討表觀遺傳機制，并建立遺傳信息、基因表達及性狀三者之間的相互關系。

③發展在較復雜情境中獲取、加工新信息并整合得出結論的科學思維。

④討論有關環境、行為等因素對表觀遺傳的影響，認同表觀遺傳的研究價值，養成健康的生活方式。

3 教學過程

3.1 制造認知沖突，導入新課

教師介紹趣味實驗：在桌子上放些橙子櫻桃，老鼠會被水果散發的香氣吸引。當雄性老鼠聞這些氣味的同時，研究人員對它電擊，很快就訓練出老鼠對這種味道的恐懼。并提出問題：這些老鼠的后代會對這種氣味產生害怕嗎？學生紛紛表示不會，認為老鼠對氣味的恐懼是不能遺傳的。教師繼續介紹：這些老鼠的幼崽們哪怕從未接觸過自己的父親，也會對這種氣味產生恐懼。經典遺傳學告訴我們，只有DNA可以遺傳給下一代。為什么向老鼠灌輸的恐懼也能傳遞給后代呢？這個現象就與“表觀遺傳”有關，下面我們進入今天這節課的學習。

設計意圖：學生前概念里認為對氣味的恐懼是不能傳遞給后代的，教師利用這個實驗現象引發學生的認知沖突，讓學生帶著困惑和好奇進入表觀遺傳的學習。

3.2 利用認知沖突，創設問題情境，引導學生在探究中自主構建表觀遺傳的概念

教師展示兩種花型的柳穿魚圖片并介紹：柳穿魚是一種草本植物。現有兩種花型的柳穿魚，植株A是兩側對稱花，植株B是輻射對稱花。柳穿魚花的形態結構受Lcyc基因的控制。科學家將這兩個植株作為親本進行雜交，F1的花與植株A相似；F1自交，F2中A∶B約為34∶5。請相互討論，嘗試提出一種假說能合理解釋植株A和B花型不同的原因，并思考什么樣的證據可以初步證明你的假說。由于學生受到之前學習的孟德爾遺傳實驗的影響，大部分學生提出的假說是控制兩種花型的基因不同從而導致性狀不同，并提出可以在分子水平對基因進行測序來證明。

教師繼續提供資料，引導學生分析資料修正假說。

資料1：通過基因測序，植株A和植株B的Lcyc基因的序列相同。

資料2：檢測柳穿魚花中Lcyc基因轉錄情況，發現，不同發育階段中，植株A的花中皆有Lcyc基因轉錄，植株B的花中均未檢測Lcyc基因轉錄。

資料3：植株B的Lcyc基因被高度甲基化（圖1），Lcyc基因有多個堿基連接甲基。

圖1 DNA甲基化示意圖

學生從資料1中發現，控制兩種花型的基因堿基序列相同，和之前提出的假說不符。根據資料2和3，從基因控制性狀的角度分析，重新提出假說是植株B的Lcyc基因被高度甲基化抑制了基因的轉錄。

教師展示DNA甲基化的示意圖，并介紹DNA甲基化。接著，引導學生根據提出的假說解釋實驗現象：①為什么植株A和B雜交獲得的F1代的花與植株A相似呢？②F1自交的F2中絕大部分植株的花與植株A相似，少部分植株的花與植株B相似，這又說明了什么？學生在解釋的過程中進一步發現Lcyc基因的高度甲基化是可以遺傳給后代的，但是這種遺傳并不穩定，只有一部分高度甲基化的Lcyc基因遺傳給了后代，所以F2中兩種花型的比并不符合孟德爾遺傳定律。

教師啟發學生進一步探究：能不能利用雜交實驗中已有的實驗材料，設計一種簡單的實驗來驗證剛才的假說。在學生提出一些演繹推理的設想后，教師介紹：有科學家將F2中植株B自交，后代出現了介于A和B的一系列過度類型（圖2）。這些過渡類型的出現正是由于Lcyc基因的甲基化程度不同導致的，從而驗證了之前的假說。

圖2 F2中植株B自交后代的花型

①根據DNA復制相關知識，從事先準備好的模擬DNA單鏈的紙片中選取合適的組合成雙鏈，貼入方框1。

②根據維持性甲基化轉移酶（維持性甲基化轉移酶能夠識別CG中被甲基化的胞嘧啶，然后催化對應單鏈上的胞嘧啶甲基化）的作用機理，繼續選取合適的模擬DNA單鏈的紙片組合成雙鏈。學生在模擬的過程中（圖3），體驗DNA復制過程中甲基化是如何進行傳遞的。

圖3 模擬DNA甲基化的傳遞過程

教師引導學生繼續研究：現在科學家已經證明了柳穿魚的這種高度甲基化能通過種子遺傳給后代。請完成活動“模擬DNA甲基化的傳遞過程”：

最后，由學生自主總結出表觀遺傳的概念，教師補充完善。

設計意圖：“為什么基因序列不改變，但是性狀會改變？”和“表觀遺傳為什么能遺傳，DNA甲基化作為一種堿基的修飾，是如何傳遞給后代？”這兩個問題是學生在學習表觀遺傳時最容易感到困惑的地方。教師引導學生分析柳穿魚花型的案例，利用F2出現34∶5而不是3∶1，引發學生的認知沖突，促進學生探究柳穿魚形成兩種不同花型的原因創設問題情境，引導學生運用“假說—演繹法”探究表觀遺傳現象，使學生在提出假說—修正假說—演繹推理—實驗驗證的過程中認識到雖然Lcyc基因在植株A和B中堿基序列相同，但是Lcyc基因的甲基化程度不同也會對表型產生可遺傳變化，從而實現概念轉變。

3.3 深度學習，從分子水平理解表觀遺傳的作用機制

教師提出問題：在不改變基因序列的前提下，表觀遺傳又是如何通過調控基因的表達從而使表型發生改變的呢？并設計好問題串，讓學生聯系已學習的“基因的表達”“基因對性狀的控制”等內容回答：①觀察圖4，DNA高度甲基化為什么會抑制基因的轉錄，是影響了轉錄的哪個環節？②在細胞核中DNA不是裸露存在的，而是和蛋白質形成染色體。構成染色體的組蛋白也會發生修飾，請觀看視頻“組蛋白的修飾”，思考組蛋白的修飾對基因表達有什么影響。③表觀遺傳除了從轉錄水平調控基因的表達，還能從什么水平調控基因的表達呢？

圖4 DNA甲基化對轉錄的影響

設計意圖：轉錄和翻譯都是中心法則的內容。教師利用中心法則銜接學生對表觀遺傳作用機制的學習，建立起新舊知識的聯系，能幫助學生理解在基因堿基序列不變的前提下表觀遺傳修飾通過調控基因表達影響性狀的機制，從而形成結構與功能觀。

3.4 概念運用，探討表觀遺傳在實際生活中的作用

教師提出問題：學習表觀遺傳對人們的生活有什么作用？小組討論資料4和5，相互交流想法。

資料4：我國約7000萬人攜帶乙肝病毒，80%肝癌與它相關。乙肝病毒（HBV）是一種DNA病毒，感染肝細胞后會將其基因插入人體肝細胞基因組序列中導致慢性感染。抑制HBV基因在肝細胞中的表達是治療慢性肝炎的重要手段。請結合表觀遺傳相關知識，以小組為單位討論，討論慢性乙肝的治療策略。

資料5：吸煙會使人的體細胞內DNA甲基化水平升高（尤其是抑制細胞癌變的基因甲基化嚴重），對染色體上的組蛋白也會產生影響。男性吸煙者的精子活力下降，精子中DNA的甲基化水平明顯升高。但是若這些不良習慣被消除，這些表觀遺傳的改變又會逐漸減弱，甚至消失。

教師引導學生思考：結合上述資料，你認同“個體一輩子不管有多少諸如抽煙、喝酒、暴食、熬夜等不健康的生活習慣，只要不改變DNA的堿基序列，最多是自己的身體受到影響，而不會影響后代”這樣的觀點嗎？生物體的性狀會受到哪些方面的影響？

設計意圖：教師引導學生分析乙肝治療方案，使學生關注表觀遺傳的研究價值，培養學生的創新能力，加深學生對表觀遺傳概念的運用。男性吸煙者精子中DNA甲基化水平的變化可以讓學生意識到表觀遺傳會受到環境的影響，并思考生物的性狀會受到哪些方面的影響，引導學生樹立健康的生活態度。

4 教學反思

因為有前概念的存在，教師單方面地灌輸很難讓學生完成自身概念的構建。所以，教師在課堂教學中要運用各種方式激發學生產生認知沖突，創設好問題情境，讓學生在解決問題的過程中進行概念轉變。首先，教師可以挑選學生容易產生認知沖突的內容，上課時以問題的形式直接提出，讓學生思考原因。例如，本節課可以提問“同卵雙胞胎雖然具有相同的DNA序列，為什么還會存在表型的差異？”。其次，通過創設真實的探究情境，激發學生在探索的過程中發現用原有的理解解決不了研究的問題，使學生產生解決矛盾的迫切需要。例如，本節課以“探究柳穿魚形成兩種不同花型的原因”為探究情境，通過讓學生閱讀資料發現控制兩種花型的基因堿基序列并沒有改變，引發學生產生認知沖突“基因堿基序列不改變，為什么性狀還會改變”。另外，教師要注意多讓學生在課堂上表達出自己的觀點，一個班級的學生對同一問題的理解也會有差異，在交流的過程中也能引發認知沖突。例如，本節課在討論環節中有同學提出柳穿魚雜交實驗中F2中A多B少是因為基因致死導致的，這與Lcyc基因在植株A和B中測序結果相同產生矛盾。學生通過討論，在質疑、解釋、論證中不斷完善自己的認知結構，從而形成正確的科學概念。