本期荐读丨优秀教学设计：运用论证式教学策略发展科学思维的教学实践——以“表观遗传”为例/李京伟等

“表观遗传”是人教版高中生物学必修 2《遗传与进化》第 4 章“基因的表达”第 2 节“基因表达与性状的关系”的重要内容。《普通高中生物学课程标准（2017 年版 2020 年修订）》对本节内容的具体要求为次位概 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”。 

“表观遗传”是对经典遗传学内容的补充，是在科学、技术不断发展的背景下，对遗传现象进一步研究的前沿成果。围绕此概念的教学将进一步帮助学生理解基因表达调控的机制，深入理解基因表达与生物性状的关系。

学生通过对遗传规律、基因本质等内容的学习，能够初步运用结构与功能观、进化与适应观，以演绎与推理等科学思维方法解释经典遗传学现象。本节内容将从分子水平对表观遗传现象及原理进行揭示，学生的模型与建模、创新等科学思维将得到进一步提升。

利用实证、图片等典型实例，运用结构与功能观、信息观，阐明以 DNA 甲基化为例的表观遗传修饰影响基因表达进而影响性状。 

在“探究 DNA 甲基化是否能够遗传”活动中，能够提出研究问题、作出假设、设计实验方案，分析实验结果并得出正确结论。 

通过分析实验结果，演绎推理、科学论证小鼠毛色多样的原因，构建表观遗传修饰对基因表达与性状关系的概念模型。 

教师引导学生回顾基因控制生物性状的方式和细胞分化的本质，进而提问：基因功能如何选择性地开启或关闭？由此引入以小鼠多样的毛色为例的深入探究。

3.2.1 创设认知冲突，解释小鼠毛色差异现象 

情境：展示小鼠杂交实验图解。选用纯种黄色小鼠与纯种黑色小鼠进行杂交，F1 代出现黄色、斑驳色、伪黑色、黑色等多样的毛色，多次重复后，结果相似。提出问题：如何解释上述现象？ 

有些学生运用“不完全显性”概念进行解释。教师引导学生回顾，不完全显性是由于显性基因数量不同而引起个体表型出现差异的遗传现象，而在此实验中，科学家选用的是纯种小鼠，因此 F1 小鼠的基因型完全相同，用“不完全显性”不能解释上述现象。有些学生从“基因突变”角度分析。教师引导学生回顾基因突变的特征，强调基因突变后可能导致表型改变，但基因突变具有低频性，显然不能解释“多次重复出现”这种现象。学生用经典的遗传学实验及规律无法作出合理解释，产生了认知冲突，据此推 测“可能存在某种调控方式，能够使相同的基因表达出不同的产物，进而控制生物性状”。

教师提问：基因相同，表达产物是否一定相同？若要确定这种调控机制的存在，需要获取哪些证据？ 

学生结合基因的概念和基因表达的过程提出，通过检测基因碱基序列是否改变，以判断基因结构是否发生变化；通过检测相应 mRNA 和 蛋白质的含量，以判断基因表达过程是否受到影响。

3.2.2 资料分析，探究小鼠 F1 代不同毛色的原因

教师引导学生学习教材资料“小鼠毛色的遗传”和学历案的补充资料并完成任务。教师设问：在杂种 F1代小鼠（A^vy a）中，A^vy 基因甲基化程度越大，毛色越深，即 DNA 分子甲基化能够影响性状，则 DNA 分子的甲基化是什么？展示 DNA 分子甲基化的模式图，引导学生明确：在 DNA 甲基化转移酶的催化下，组成 DNA 分子的胞嘧啶可结合一个甲基基团，甲基化不会影响 DNA 双螺旋内的碱基互补配对，但是会抑制基因的转录，进而使表达产物减少。甲基化的程度越大，抑制的程度就越大。因此杂种小鼠出现介于黄色和黑色之间的一系列毛色。

上述学习是初步论证的过程，学生运用经典遗传规律无法解释情境中的问题，产生疑问。通过学习资料，结合已有概念“基因通过转录和翻译产生蛋白质，进而控制生物性状”，作出新的判断：小鼠毛色差异的原因是 DNA 分子的甲基化。

3.3.1 根据已知，提出不同主张 

教师提出问题 并组织学生讨论。亲、子代间通过减数分裂与受精作用，维持染色体数目的稳定性。如果亲代 DNA 分子发生了甲基化，能否传递给子代？ 

支持上述观点的学生认为，DNA 是亲、子代之间传承的遗传物质，甲基化修饰了 DNA 分子，因此会遗传给子代。不支持的学生认为，若 DNA 分子甲基化能够遗传，在不变的环境（存在甲基化因素）下，会持续发生新的 DNA 甲基化过程，加上从亲代遗传的甲基化的 DNA，将使 A^vy  基因甲基化程度持续加剧，最终生物体内的 Avy 基因功能将丧失，这与现实不符，因此甲基化不能遗传。 

学生对同一问题产生了不同的观点,第 1 组 学生依据“小鼠的遗传物质是 DNA”，结合遗传物质的相对稳定性进行了论述，第 2 组在第 1 组论述基础上演绎推理，进行反驳。由于缺乏相关知识的支持，虽然第 2 组未能直接解释上述现象，但在辩驳中的分歧，已经具备了继续深度论证的基础。 

3.3.2 设计探究实验，论证主张 

学生活动：小组合作，利用 2 种纯合的亲本鼠，以及基因型相同但毛色不同的 F1代小鼠，结合学历案设计实验，并预测实验结果。

在讨论交流中，大部分学生设计选择 F1代杂 种小鼠中伪黑色（或斑驳色）与纯种黑色小鼠进行测交。因为测交后代基因型为 2 种等比例的 A^vy  a 和 aa，可预测：若测交后代的表型为伪黑色 （或斑驳色）∶黑色=1∶1，则 DNA 甲基化能够遗传；若测交后代的表型为黄色∶黑色=1∶1，则 A^vy  基因的甲基化不能遗传。 

学生认同上述测交实验方法的合理性，但有些小组提出疑问：亲代纯种黄色与纯种黑色小鼠杂交产生的 F1 代小鼠中出现了斑驳色、伪黑色，所以环境中必然存在某种相对稳定的、能够促进 DNA 产生甲基化的因素，在选取 F1 代小鼠进行测交时，其后代仍将受到上述因素的影响。若亲代甲基化能够遗传，不论选择 F1 代中的伪黑色还是斑驳色，测交后代均无法出现理想的性状分离比 1∶1。如以 F1 代斑驳色小鼠进行测交，因为控制斑驳色的A^vy  基因会受遗传和环境作用而使甲基化程度加强，可使其表现为伪黑 色，则测交后代不仅有斑驳色、纯黑色，还应有伪黑色，且斑驳色与伪黑色数量约等于纯黑色。 

学生一致认同上述质疑和补充观点，第 3 组学生又继续提出新的问题：若后代的甲基化由遗传和环境 2 个因素共同影响，能否借助 F1斑驳色测交后代出现的表型比，计算出环境因素的影响系数 N？进而判断是环境因素单独影响，还是环境和遗传因素共同影响。学生以数学公式阐述此观点。 

由于亲代产生 F1代时，亲本小鼠均未发生甲基化，F1代出现的斑驳色和伪黑色均是环境因素导致的甲基化引起的，则 F1代中环境引起基因甲基化的影响系数 N 的计算公式如下：

N= (F1 斑驳色数量 + F1 伪黑色数量) /F1 所有小鼠数量。

N 取值范围为 0~1，0 表示无环境影响；N 值越大，代表环境因素影响越大。

用 F1 代斑驳色小鼠（其 A^vy  基因已发生甲基化）与纯黑色小鼠进行测交，如果符合下列公式，则表明甲基化基因可以遗传。

N< （测交后代斑驳色数量 + 测交后代伪黑色数量）/测交后代所有小鼠数量。

第 3 组在前面论证的基础上，创造性地设计了上述数学模型，建立了能够表示环境引起基因甲基化的影响系数。由于 F1 测交时，选取的 F1 代小鼠均已发生甲基化，若在相同环境下继续与纯黑色小鼠（aa）杂交，且基因甲基化可以遗传，则测交后代出现甲基化影响的表型个体数量所占比例将大于上述影响系数。 

在此探究环节中，第 1 组选用熟悉的遗传图解进行判断；第 2 组结合前面学习的研究成果，提出毛色遗传需要同时考虑遗传物质和环境因素对性状的影响；第 3 组在上述基础上，初步设计了 简要的数学模型。学生科学思维水平在彼此合作、交流碰撞中逐步深入，实现进阶。 

通过分析学生的学历案，全班 70% 以上小组能够准确选择出 F1 代不同毛色的小鼠作为亲本鼠，以纯种黑色小鼠为工具鼠进行测交，并能够准确选择子代毛色作为检测指标。不同小组选择 F1代小鼠种类、实验预期存在差异。 

3.3.3 分析实证，检验模型

教师展示科学研究的真实实验方案和实验结果（表 1），引导学生进行数据分析，论证实验结果是否支持自己的观点。

当 A^vy  a 为雌性时，在组合①的结果中，杂种黄色个体测交后代中出现的斑驳色占 43%，支持学生的“环境因素会导致甲基化产生”的推论。在组合②、③的子代中，斑驳色与伪黑色所占比例之和分别为 56% 和 60%，2 组数据均大于组合① 中的 43%，由此可见，亲本甲基化程度越大，子代出现因甲基化而导致的深色个体所占比例就越大。实验结果支持 DNA 分子甲基化能够遗传。学生得到了肯定，激发了深度探究的欲望。 

学生在分析数据时发现，当 A^vy  a 为雄性时，组合 ① 后代中斑驳色与伪黑色所占比例之和为 61%，远大于 A^vy  a  为雌性时组合①的 43%，且 3 组实验中斑驳色和伪黑色所占比例接近。分析结果可知，当 A^vy  a  为雄性时，测交后代甲基化水平受环境中甲基化因素的影响，并未因 F1代甲基化程度增加而增加，实验结果与前面预期出现差异。

在学生充分讨论的基础上进行小结：在小鼠毛色遗传过程中，只有当携带甲基化基因的个体为雌性时才能遗传给子代，因而这种遗传是不稳定的。

基于表观遗传可遗传但不能稳定遗传这一特点，学生提出新的探究问题：何种因素引起A^vy   基因的甲基化？教师展示科学家的实验结果（图 1），提问：研究者在孕期小鼠的食物中，添加 了富含甲基的物质，实验结果说明了什么？组织学生对实验结果进行分析与解读。

教师给予学生肯定：与对照组相比，实验组黄色、轻斑驳这类个体所占比例减少，而伪黑色、重斑驳的个体所占比例显著增加，说明从个体水平来看，富含甲基的食物能够促进 A^vy  基因的甲基化。教师提供证明富含甲基化的食物能够促进 DNA 分子甲基化的直接证据——研究者对子代小鼠 A^vy  基因上 7 个位置的甲基化检测结果，与对照组相比，实验组甲基化所占比例均显著增加。在论证的基础上得出结论：DNA 分子甲基化能够遗传给子代，控制子代的表型，还受到食物等环境因素的影响。 

在上述学习中，学生设计出解决问题的实验方案（或模型），结合教师出示的系列真实的实验数据进行分析、检验，最终证明基因的甲基化是可遗传的。这一过程为学生创造了丰富的体 验，在深入理解遗传规律本质的基础上，运用论证式教学策略，结合演绎与推理、模型与建模等多种方法，对表观遗传现象的本质进行揭示，实现对学习对象的深度加工，发展了科学思维等核心素养。

教师展示蜜蜂种群中蜂王和工蜂分化机制的资料：蜂群中的蜂王和工蜂均由受精卵发育而来，但它们在形态、结构、生理和行为等方面截然不同。研究发现，饲喂蜂王浆的幼虫将发育为蜂王，以花蜜和花粉为食则发育为工蜂。研究者给 DNA 甲基化转移酶活性受抑制的受精卵发育而来的幼虫，饲喂花蜜和花粉，结果发现其同样能够发育为蜂王。

提出问题：1）蜂群中各种蜜蜂是由什么发育而来？它们有什么不同？2）它们的发育结果是由什么引起的？3）不同蜜蜂个体发育的分化对蜂群有何意义？ 

分析资料得知，蜜蜂种群内的分化与不同食物引起的甲基化程度有关，进而影响基因的表达。从适应与进化角度来看，这有助于种群内的分工合作，有利于种群生存与繁衍。同理，学生认同小鼠受食物等因素影响产生不同的毛色，有助于借助保护色适应不同的环境。 

教师引导学生对 F1 代小鼠出现一系列毛色现象及蜜蜂种群中蜂王和工蜂的分化 2 个实例进行归纳与概括，构建表观遗传的概念。教师展示表观遗传其他修饰方式的示意图等资料，引导学生认识到除 DNA 分子甲基化以外，还有其他的表观修饰类型。例如，组蛋白可以看作 DNA 螺旋缠绕的线轴，若组蛋白发生了化学修 饰，则会影响 DNA 分子的解旋，进而影响表达产物的生成。有资料显示，组蛋白修饰有不同的形式，对于基因的表达也具有不同的作用，如组蛋白乙酰化修饰与基因转录激活相关，而去乙酰化则与基因沉默相关。细胞内也存在翻译水平的调控，如可以通过产生小 RNA 与 信 使 RNA 互补，进而调整翻译的过程。

学生通过分析资料得知，细胞内复杂而有序的表观修饰机制，参与调节、维持细胞内基因的选择性表达过程。当环境因素影响了表观遗传修饰，必然会影响基因与性状的关系。本节课通过对表观遗传的学习，以及对基因控制生物性状方式的学习，进一步完善基因、环境与性状的关系，并构建关系图。学生运用论证方法构建概念，运用所学知识原理分析问题、评价生活经验、选择正确生活方式，有利于提升科学思维，形成自觉参与社会活动的意识，有助于发展核心素养。

本节课运用论证式教学策略，分析表观遗传现象，研究相应机制，并运用其原理指导生活。在教学中，学生无法用经典遗传学的内容解释资料中的现象产生认知冲突，进而通过学习、分析相关资料与实验寻找证据，运用演绎与推理、模型与建模等科学思维方法探秘生物学现象，构建并完善生物学概念，促进学科核心素养的 发展。在论证活动中，教师设计的关键问题及学历案、核查单等工具，将学生思考、学习的过程外显化，既突出了教学重点，又能够直观、真实地记录学生的学习过程，有助于组织论证活动及对学 生科学思维水平的评价，实现了为促进学习而开展教学评价的目的。

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