基于深度学习理论的表观遗传教学设计

基于深度学习理论的表观遗传教学设计

李琦

浙江省宁波市镇海区龙赛中学   3115201

【文章摘要】以具体的问题情境为导向，开展表观遗传的概念教学。通过概念构建—概念理解—概念应用，培养学生归纳与概括、演绎与推理等科学思维，实现对概念的深度学习和有效构建，提升生物学学科核心素养。

【关键词】深度学习　表观遗传　概念教学　核心素养

深度学习是指在教师的引领下，学生围绕具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程。相对于简单学习，深度学习具有关注批判理解、概念构建、迁移运用的特点，是学习和生成复杂概念的有效途径。“表观遗传学”是一个新兴的热点研究领域，对生物的发育、遗传和进化机制等有了新的解释，为人们进一步理解生命本质提供新的视角。

一、教材和学情分析

“表观遗传”是人教版高中生物学必修 2《遗传与进化》模块第4章第2节“基因表达与性状的关系”中的内容。学生在学习这部分内容之前，初步建立了“基因通过控制蛋白质的结构或酶的合成调节代谢过程,进而控制性状”等观念，“表观遗传”可以让学生认识到，在基因的碱基对序列相同的情况下，某些原因可以影响遗传信息的表达，进而改变生物的性状。基于表观遗传生物学事实，归纳概括表观遗传的特点，建立次位概念，并以此来构建系统的概念框架，促进学生生命观念的形成。根据教材和课标规定的内容要求，构建了表观遗传概念的层级关系（如下图）。

二、教学目标

(1) 通过对柳穿鱼花和小鼠毛色这两个实例的分析,说明基因相同但基因的甲基化等会导致基因表达水平改变，认同结构与功能相统一的生命观念。

(2)基于材料，结合动画、视频等资源，尝试通过分析、比较、归纳等方法构建表观遗传的概念，同时进一步认识到科学是重视证据的。

(3)通过对吸烟酗酒等导致的甲基化案例的分析，认识到良好的饮食习惯、健康的生活方式对人类及后代健康都有长远的影响，确立健康生活的态度。

三、教学过程

（一）创设情境，导入新课

教师呈现资料：蜜蜂的蜂王和工蜂都是由受精卵发育而来的雌蜂，它们命运的差异发生在出生3天后。3天后很少一部分雌幼虫被继续饲喂蜂王浆，它们将发育成蜂王，而其他雌幼虫改为喂食蜂蜜和花粉，它们发育成工蜂。教师引导学生思考：生物的遗传物质是什么? 蜂王和工蜂为何食物不同，发育的结局却如此不同?

设计意图: 运用真实的生物学现象创设情境，引发学生认知冲突，激发学生的学习兴趣和探究欲，并促进学生联系前概念，为新课学习做好铺垫。

（二）资料分析，构建概念

1、阅读与分析植物柳穿鱼的表观遗传现象：指导学生阅读教材提供的柳穿鱼花的形态结构与Lcyc基因的表达直接相关的资料，思考与讨论：①两株柳穿鱼花性状不同的原因是什么？②柳穿鱼F1的花为什么与植株A相似？③柳穿鱼F2中为什么有些植株的花与植株B相似？指导学生以遗传实验图解模型比较分析柳穿鱼杂交实验得出：①两株柳穿鱼花的性状不同的原因是Lcyc基因的表达情况不同造成的。②柳穿鱼F1的花与植株A相似是因为F1植株同时含有来自植株A和植株B的Lcyc基因。植株A的Lcyc基因能够表达，植株B的Lcyc基因由于部分碱基被甲基化，基因表达受到抑制。因此，同时含有这两种基因的F1的花与植株A相似。③柳穿鱼F2中有些植株的花与植株B相似，是因为这些植株含有两个来自植株B的Lcyc基因，由于该基因的部分碱基被甲基化，基因表达受到抑制，故这部分植株的花与植株B相似。指导学生归纳总结“高度甲基化Lcyc基因不表达，并可以遗传给后代”。教师通过播放动画、视频等方式将抽象的机制直观化，并引导学生从结构与功能相适应的角度理解基因甲基化后，阻碍了RNA聚合酶与DNA结合，会影响基因的表达。

2、阅读与分析小鼠毛色表观遗传实验图解模型：应用教材提供的小鼠毛色遗传的资料，组织学生阅读与小组讨论: ①从小鼠毛色变化来看，纯种黄色体毛小鼠与纯种黑色体毛小鼠杂交，F1小鼠基因型是什么？②出示F1不同毛色小鼠Ａvy基因转录的ｍRNA与表达的蛋白质比较结果，分析F1的基因型都是Ａvyａ，小鼠的毛色为何会出现介于黄色和黑色之间的一系列过渡类型? 指导学生得出：调控Avy基因表达的碱基序列甲基化后，会抑制A基因的表达，使小鼠毛色发生变化，甲基化的程度越高小鼠毛色发生变化越大。

3、归纳总结表观遗传概念：指导学生总结柳穿鱼花的形态结构与小鼠毛色变化遗传现象的共同点是:基因序列没有变化，但部分碱基发生甲基化，抑制了基因的表达，进而对表型产生影响，并且这种DNA甲基化修饰可以遗传给后代，使后代出现同样的表型。指导学生归纳法得出表观遗传概念。

设计意图：知识的本质是在创设的情境下学生通过自己的思考所领会到的东西，不能单纯依靠记忆与理解，更多的是依靠学生的思维和感悟。给予特定的情境，让学生进行分析和推理，培养学生分析问题、推理判断的能力，从而实现表观遗传概念的有效构建。

（三）利用资料，应用概念

教师展示资料：“Dnm3蛋白是一种DNA甲基转移酶，它是Dnm3基因的表达产物，能在没有被甲基化的DNA区域添加甲基基团。蜂王和工蜂的脑细胞中具有不同的DNA甲基化特征，敲除Dnm3基因后，蜜蜂幼虫发育为蜂王，其DNA甲基化特征与那些以蜂王浆为食的正常蜂王相似。”可见持续取食蜂王浆的营养效应之一与DNA甲基化有关。

设计意图：回应课堂导入，做到首尾呼应。引导学生对资料的分析，让学生尝试运用已经学过的知识，运用结构和功能相统一的观点，解释DNA甲基化对基因表达的影响。

（四）表观遗传和人类健康

教师展示相关资料,资料1“有吸烟史的人甲基化程度和组蛋白修饰变化”,资料2“非吸烟人群与吸烟人群精子的DNA甲基化程度对比”,教师提问：吸烟对人有什么影响,甲基化程度和组蛋白修饰的变化能不能遗传下去? 资料3“乙醇降低胚胎DNA甲基化水平”。提问:为什么孕妇不能饮酒。引导学生得出过量饮酒有害健康。学习小组上台展示课前收集的资料“大吃大喝的祖辈易生出患糖尿病的后代”,理解健康生活的重要性。

设计意图:以事实资料为依据,在分析讨论中让学生认识到健康的生活方式、良好的饮食习惯对人类及后代的健康都有长远的影响，从而确立健康生活的态度。

四、教学反思

本堂课是以核心素养下如何实现深度学习为目标进行的教学设计。以问题情境为导向，开展表观遗传的概念教学，主要体现两个注重。一是注重概念教学，通过概念构建—概念理解—概念应用的路线开展学习。以柳穿鱼花型和小鼠毛色遗传构建表观遗传概念，去理解蜂王和工蜂命运不同的原因，最后运用表观遗传调控机制提出健康生活的重要性。二是注重核心素养的落实，聚焦在通过科学探究培养学生的科学思维。教师利用实例中层层递进的问题培养学生的自主思维能力,引导学生从现象到本质,理解表观遗传现象,进而理解生命的本质。