“表觀遺傳”復習課教學設計

中圖分類號：G633.91文獻標識碼：B

1教材分析

“表觀遺傳”屬于人教版普通高中教科書《生物學·必修2·遺傳與進化》（以下簡稱“教材\"第4章第2節的內容，在《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》中對應的內容要求為“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象”。本節內容旨在幫助學生整合已有認知，以達到更深層次的整體認識，同時也為學生更好地理解“生物的變異\"相關知識奠定基礎。然而，此部分的表觀遺傳學內容屬于較新的研究領域，其在教材中的描述及市面上的相關試題均相對較少，因此教師需要多加引導，以幫助學生更好地理解該內容。

2學情分析

學生此前已經完成了“基因的本質”等內容的學習，初步形成了生命觀念，但多數學生沒有構建出比較系統的知識體系。因此，教師需要進一步引導學生思考概念間的內在邏輯關系，整合已有知識并形成整體認識。此外，學生通過對“細胞分化”等內容的學習，已經理解細胞分化是基因選擇性表達的結果，但并不清楚基因的選擇性表達是如何實現的。因此，教師需要通過具體的表觀遺傳實例引導學生透過現象看本質，進而了解表觀遺傳的機制。

3教學目標與教學重難點

3.1教學目標

（1）生命觀念：通過對柳穿魚DNA的甲基化現象進行分析，認識生物的性狀是基因、環境和表觀遺

傳修飾共同作用的結果。

（2）科學思維：通過分析實驗結果，培養分析與歸納思維；通過構建基因控制性狀的模型，培養整體性思維。

（3）科學探究：基于柳穿魚花型的問題情境，體驗科學研究過程；嘗試提出出高膽固醇患者的用藥建議，發展科學探究能力。

（4）社會責任：通過了解高膽固醇與心血管疾病之間的關系，加強社會責任意識。

3.2教學重難點

本節內容的教學重點為環境、基因、蛋白質與性狀之間的關系，教學難點為表觀遺傳相關內容的理解。

4教學過程

4.1發現問題

教師展示柳穿魚兩種花型的圖片（見圖1），引導學生觀察并提出問題：花的對稱類型是形態學分類的重要依據，為何圖中同一物種開出了呈兩側對稱以及呈輻射對稱的花？教師引導學生結合中心法則的相關知識及基因表達產物與性狀的關系等內容進行解釋。

設計意圖：教師通過展示圖片激發學生的學習興趣，引導學生結合所學知識思考柳穿魚產生不同花型的原因。

4.2提出假說

教師引導學生根據中心法則相關知識及基因表達產物與性狀之間的關系，嘗試對柳穿魚不同花型的機制提出假說。學生在教師的引導下進行小組討論，最后總結：環境通過影響柳穿魚的基因，進而影響相關蛋白質的合成，最終導致柳穿魚因蛋白質合成異常而形成不同的花型。

設計意圖：教師引導學生結合所學知識，對柳穿魚產生不同花型的原因提出合理的推測，同時培養學生的團隊協作意識。

4.3演繹推理

教師展示資料一：相關研究證明，金魚草花的對 稱類型由cyc基因控制。金魚草花中的cyc基因序 列突變引起cyc沉默進而形成輻射對稱花型。科學 家在柳穿魚DNA中找到了與cyc基因相似度高達 87% 的核苷酸序列，并將柳穿魚中類似的核苷酸序 列稱為Lcyc基因。教師引導學生思考并提出問題： 突變型柳穿魚花產生的可能原因是什么？

學生通過分析資料提出假說：突變型柳穿魚花產生的原因可能是Lcyc基因發生了突變。

教師引導各小組根據假說進行演繹推理。學生通過小組討論得出，如果上述假說成立，野生型與突變型的相關基因序列、相關mRNA含量以及相關蛋白質含量應該存在差異。

設計意圖：教師通過引導學生分析資料并思考問題，培養學生分析類比的科學思維能力。

4.4實驗驗證

在探究過程中，教師通過逐步展示相關材料，同時以問題串的形式引導學生進行思考與討論，讓學生感受科學探究的過程，培養其科學探究能力與邏輯思維能力。

4.4.1探究野生型與突變型柳穿魚中相關基因序列是否一致

教師展示資料二：科學家將兩種不同花型的柳穿魚進行雜交， 中柳穿魚均是野生型。科學家再將 自交獲得 ，結果發現 中野生型和突變型個體的比例約為 34：5 且 中的野生型與親代的野生型并不完全相同，可以明確區分為多種不同的形態。教師引導學生思考其中的原因，并提出問題：如何證明不同花型由基因突變導致？

學生通過分析資料得出，雜交實驗結果并不符合孟德爾遺傳規律，因此突變型柳穿魚花的出現可能不是因為Lcyc基因的突變，后續可以嘗試用測序的方式來證明這一結論。

教師繼續展示資料三：科學家通過比較野生型和突變型柳穿魚的Lcyc基因的堿基序列，發現兩者僅有一個堿基存在差異，而且這個差異堿基并不在編碼序列中。

學生通過分析資料，明確突變型柳穿魚的出現并非因為Lcyc基因發生了突變。

4.4.2探究野生型與突變型柳穿魚花中Lcyc基因的 表達情況是否一致

教師展示資料四：科學家為了研究Lcyc基因的表達情況，對轉錄產生的mRNA進行檢測，結果發現在不同的發育階段，野生型中的Lcyc基因均可以在特定的部位表達，而突變型中均未檢測到Lcyc基因的表達。

學生通過分析資料，得出突變體柳穿魚的出現與Lcyc基因轉錄異常有關。

4.4.3對Lcyc基因進行限制酶酶切分析

教師展示資料五：酶切位點處若發生甲基化修飾，會使得限制酶無法識別對應酶切位點完成切割，科學家接下來又對Lcyc基因進行限制酶酶切分析。已知Lcyc基因中存在HindⅢ和 P s tI 兩種限制酶的酶切位點（見圖2），使用HindⅢ和 P s tI 兩種限制酶酶切后的探針雜交結果如圖3所示，其中“ + ”表示野生型，“P\"表示突變型， 表示由 相互雜交得到的其中4個 家系。教師引導學生觀察野生型與突變型的探針雜交結果（見圖3），并提出問題：與野生型相比，突變型均缺少了 1.5kb 和 0.7kb 兩種大小的DNA片段，這說明了什么？

學生能夠通過分析資料得出，與野生型相比，突變型缺少 1.5kb 的原因是前一個 P s tI 酶切位點未被成功切開，進而推出前一個 P s tI 酶切位點發生了甲基化；同理，缺少 0.7kb 片段的原因是兩個 P s tI 酶切位點中至少有一個未被成功切開，進而推出兩個 P s tI 酶切位點中至少有一個發生了甲基化。

教師引導學生分析Lcyc基因表達與Lcyc基因甲基化之間的關系，最后得出結論：突變型中Lcyc基因的不表達，可能源于該基因的甲基化。

設計意圖：教師通過展示并引導學生分析酶切實驗結果，培養學生的分析思維，在復習的同時加強不同章節之間的聯系，打破學生的思維局限。

4.4.4對 突變體的穩定性研究

教師展示資料六：科學家對 中的部分突變型進行觀察，發現其在表型上并不穩定，表現為某些枝條上的花更接近兩側對稱，另一些枝條接近輻射對稱（見圖4）。科學家對這些表型有差異的枝條進行進一步檢測后發現，花的輻射對稱程度越高，其Lcyc基因的甲基化水平越高。教師引導學生分析并提出問題：為什么會出現介于野生型和突變型之間的過渡類型？

學生通過分析資料得出，突變型中Lcyc基因發生的甲基化不是單一位點的甲基化，而是多位點甲基化。出現介于野生型和突變型之間的過渡類型的原因是甲基化發生不同程度的擦除，表明基因的甲基化修飾是可遺傳且可逆的過程。

設計意圖：教師通過展示并分析資料，引導學生得出“甲基化修飾是可遺傳且可逆的過程”這一重要結論，培養學生的分析與歸納思維。

4.4.5得出實驗結論

教師展示資料七：金魚草輻射對稱花的形成是由于cyc基因序列突變引起cyc沉默。然而與金魚草明顯不同的是，柳穿魚輻射對稱花的形成是因為Lcyc基因甲基化。這種甲基化導致Lcyc基因不能被轉錄和翻譯，因此Lcyc基因不能表達。在正常柳穿魚花的發育過程中，Lcyc基因可以在花的分生組織和背部區域表達，抑制背部區域花器官的形成和發生。

學生通過分析資料得出結論：柳穿魚輻射對稱 花型的產生機制是Lcyc基因的堿基序列不發生改 變，而是以增加該基因的甲基化水平的方式抑制 Lcyc基因表達，促使柳穿魚花的背腹側發育程度一 致，進而形成輻射對稱花型。

教師展示表觀遺傳的概念，并引導學生對比資料七中柳穿魚輻射對稱花型與金魚草輻射對稱花型形成機制的差異，結合中心法則以及基因表達產物與性狀的關系的相關知識點，得出基因突變可以影響相關基因的表達，進而影響生物性狀。此外，表觀遺傳修飾也可以影響相關基因的表達，進而影響生物性狀。

設計意圖：教師通過引導學生分析資料，得出“基因突變與表觀遺傳修飾均可以影響生物性狀”這一重要結論，從而培養學生的分析歸納思維。

4.4.6思維訓練與課堂總結

教師展示教材第75頁的“思維訓練\"欄目，引導學生分析溫度對果蠅翅型的影響，最后得出環境會直接影響性狀這一結論。

基于上述討論的問題，教師總結表觀遺傳的定義以及基因、蛋白質、性狀和環境之間的關系，引導學生理解并認同基因表達與性狀之間的關系。

5 隨堂作業設計

問題1：肝臟細胞的代謝過程如圖5所示，已知PCSK9蛋白的功能失調與多種心血管疾病的風險增加密切相關，請據此分析PCSK9蛋白影響血漿中膽固醇含量的機制是什么。

問題2：根據PCSK9蛋白影響血漿中膽固醇含量的機制，能否從中心法則和表觀遺傳的角度，提出一條藥物研發思路？

設計意圖：教師通過創設新的問題情境，培養學生遷移運用所學知識的能力，發展其科學思維與科學探究能力。學生通過了解高膽固醇與心血管疾病之間的關系，進一步強化社會責任意識。

6.2 課后

（1）教師以資料和問題串的形式展示探究小鼠毛色的科研歷程，引導學生獨立完成相關問題。（2）教師引導學生自主查閱資料，初步認識肺癌與表觀遺傳的相關性，并據此討論有效的治療措施。（3）教師以紙筆測驗的形式考查學生對表觀遺傳相關知識的掌握程度。

7板書設計

教師可根據本節課教學內容繪制以下課堂板書（見圖6，并引導學生思考與討論。

8教學反思

本節課基于“柳穿魚花型差異\"這一真實現象創設真實情境，以培養學生核心素養為目標。教師以問題情境為導向，帶領學生體驗科學探究的過程。在這一過程中，教師應注重學生的主體地位，引導學生進行小組討論，分析得出相應的實驗結論，著重培養學生的生物學學科核心素養和團隊合作能力。此外，本節教學設計仍然存在不足之處，如課堂知識較多且難度較大，需要學生課前進行預習，同時對學生的已學知識也有一定的要求。

6教學評價設計

6.1課上

（1）學生通過分析教師提供的資料，進行小組討論并得出相應結論，進行組間交流與評價。

（2）教師通過設置隨堂作業中的思考題，考查學生對相關知識的內化與應用能力。

參考文獻

[1]CUBASP，VINCENTC，COENE.An epigenetic mutation responsible fornatural variation in floral symmetry[J].Nature， 1999（401）：157-161.