“生物体存在表观遗传现象”的论证式教学设计*

周忠芬 谢晓宏

（1 浙江省德清县高级中学 浙江湖州 313200 2 浙江省德清县第一中学 浙江湖州 313200）

经典遗传学认为：遗传信息储存于核酸序列中，并通过生殖将遗传信息传递至下一代。因此，子代的表型除受环境因素影响外，主要由来自于亲代的基因型决定。然而，有一些例外的遗传现象却一直困扰着研究者。科学家发现了存在于DNA核苷酸序列之外且能传递至后代的生物学信息，这些可世代相传的信息和DNA 蕴含的遗传信息相互作用，共同决定生物的表型。表观遗传学就是研究其中的奥秘。

表观遗传学主张的提出与CER 论证模型［1］（图1）非常契合。在此模型中，主张（claim）即观点；证据（evidence）是支持主张的、关于自然界的信息，通常由数据组成，包括对自然界的观察、测量或实验的研究结果；推理（reasoning）是解释证据如何支持主张的过程，需要使用恰当的科学概念或原理建立证据和主张的逻辑联系。本文采用论证式策略展开教学探究，所围绕的基本“主张”是：经典遗传学（遗传学的根本基础）→表观遗传学（经典遗传学的完善和补充）。

图1 CER 论证模型

1 教学内容分析与设计思路

表观遗传现象是《普通高中生物学课程标准（2017年版）》新增的内容，课程标准的具体要求是 “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”［2］。表观遗传是目前生命科学研究的热点领域，对表观遗传现象的研究使得人们对基因与性状的关系、生物的进化机制和很多疾病的病因有了新的认识。学习表观遗传学内容有助于学生完善遗传学概念体系、感悟科学的发展性，以及体会生物学研究的社会价值。

表观遗传学的概念相对微观、抽象而且复杂，利用表观遗传修饰的机制对特定现象作出解释是教学的重、难点。笔者尝试利用CER 论证模型，通过精选经典遗传学和表观遗传学的典型实例，引发认知冲突，引导学生对表观遗传学实例作出解释，并利用教材内容进行推理，再将此模型用于解释生活中的经典遗传现象和热点问题。利用CER 论证模型组织本节课的教学，目的是帮助学生在构建概念的同时，发展其科学思维，提升社会责任。

2 教学目标

1）通过对表观遗传现象及其机理的分析，认识生命的多样性和复杂性，进一步形成结构与功能观。

2）通过对表观遗传现象典型实例的分析，概述表观遗传现象，提升演绎推理和科学论证能力。

3）通过对生活中的表观遗传实例的分析，认识到不良生活习惯对后代的可能影响，养成健康文明的生活方式。

3 教学过程

3.1 导入新课，提出质疑

资料1：紫花豌豆植株和白花豌豆植株杂交，子一代植株全开紫花，子一代紫花植株自交，子二代植株中开紫花与开白花的比例为3∶1。

资料2：2001年，瑞典科学家拜格林发表了对位于瑞典北部的诺伯顿地区的居民寿命研究调查的结果。调查结果表明：1）如果祖父辈在青春期前有大吃大喝的经历，其子孙的寿命就比较短，患糖尿病的概率也会相应增加。2）在青春期前挨饿的祖父，其孙子患心血管疾病的概率会相应降低；而在青春期前大吃大喝的祖母，其孙女死于心血管疾病的概率则明显增加。3）如果父亲在11 岁前就开始抽烟，其儿子在9 岁时体重超标的概率会增加［3］。

以经典遗传学与表观遗传学的典型案例，激发学生的学习兴趣，引发其认知冲突，对经典遗传学产生质疑。引导学生根据2 个资料提出相应的主张，并提出证据进行推理。

3.2 提出主张，进行推理 通过对资料1 的分析，学生不难得出“遗传信息储存于核酸序列中，并通过生殖将遗传信息传递给下一代”的主张。推理过程是亲本紫花植株的基因型是CC，白花植株的基因型是cc，CC和cc各自将C和c通过配子传递至F1，F1紫花植株的基因型是Cc，F1在产生配子时C和c基因彼此分离，分别进入不同的配子中，雌、雄配子随机结合，F2中CC∶Cc∶cc=1∶2∶1。

对于资料2 学生非常感兴趣，但相对较陌生，要得出主张和进行推理并不容易。教师适时提出：以往的知识和经验显示，一代人的生活经历只是对自身产生一些影响，一般不会遗传至下一代。但拜格林的调查研究结果表明，祖辈或父辈的生活印记在一定条件下可能以某种方式遗传至子孙。教师提问：是否生活经历导致其DNA 序列发生了改变？ 你有何证据？ 学生回答：应该不是。第1，生活经历并不是导致DNA 序列发生改变的诱变因子；第2，DNA 是很稳定的分子，在高等生物中基因序列变化的速度很慢，仅1～2 代是难以完成的。教师提问：是否可得出这样的主张：父母的生活经历可通过DNA 序列以外的方式遗传至后代？学生同意。教师进一步提问：结合遗传信息的表达过程分析，DNA 序列未改变而表型改变并遗传至子代的原因是什么？引导学生进行推理：是某些生活经历将本来能表达的基因关闭了，而另一些生活经历将本来不能表达的基因开启了。而且，这种开启或关闭基因的印记是能遗传给子代的。教师适时指出：如果这些印记发生在体细胞，是否会遗传至子代？ 引导学生理清：不会，这些印记只有发生在生殖（母）细胞，才可能遗传至子代。教师引导学生阅读高中生物学浙科版必修2 教材［3］第82～83 页的内容，学生能给出支持“父母的生活经历可通过DNA 序列以外的方式遗传至后代”主张的推理是：组蛋白的乙酰化，使基因中的信息可被读取（进行转录）；DNA 的甲基化，使基因内存储的信息无法被读取（不能进行转录）等。

教师组织学生进行小组讨论：为什么祖父辈在青春期前有大吃大喝的经历，其子孙的寿命就比较短，患糖尿病的概率也会相应增加？ 学生推理：可能是祖父辈在青春前大吃大喝的生活经历，使得相关染色体的组蛋白乙酰化，衰老基因进行转录，寿命相对比较短；同时，这种生活经历使得胰岛素基因甲基化，胰岛素基因无法转录，无法降低血糖，从而患糖尿病的概率相应增加，并且这些遗传印记能通过精子传递至子代。

教师提出疑惑：祖辈所有的不良习惯是否都能通过表观遗传的方式简单地遗传给后代？ 学生讨论后得出：不能。①拜格林的发现概率并不高；②这样的“表观遗传修饰”要发生在明显与重要生理功能相关的基因或其调控因素上；③要正好发生在生殖（母）细胞上；④被修饰的精子或卵子能成为受精卵。

要让学生经历类似科学家的论证过程，就要让学生学会一步步通过资料提出主张，再进行推理。教师在此过程中的作用主要是提供脚手架。设计小组讨论，目的在于要让学生应用论证方法解决实际问题，进而分析表观遗传现象的实质。最后，教师让学生明确，表观遗传学的提出并未推翻经典遗传学，经典遗传学仍占主导地位，表观遗传学是经典遗传学的完善和补充（图2）。

图2 表观遗传学是经典遗传学的完善和补充论证式教学流程

3.3 学会论证，解释现象 教师提供事实：刺鼠的毛色受一对等位基因A和a控制，A为显性基因，表现为黄色体毛；a为隐性基因，表现为黑色体毛。将纯种的黄色体毛的小鼠与纯种的黑色体毛的小鼠杂交，子一代小鼠的基因型都是Aa，却表现出不同的毛色：介于黑色和黄色之间的一系列过渡类型。研究表明，在A基因的“上游”有一段特殊的碱基序列决定着该基因的表达水平，这段碱基序列具有多个可发生DNA 甲基化修饰的位点［4］。

引导学生用CER 论证模型解释此现象（图3）。

图3 刺鼠毛色的CER 论证模型解释

在论证过程中，对学生来说推理是最困难的，通过让学生解释现象，进一步学会论证的方法，并认识到表观遗传现象在生物界的存在并非个例。

3.4 应用论证，解决问题 教师给出议题：癌症的发生与原癌基因和抑癌基因有关，不良的饮食、生活习惯和心态，会促进肿瘤的发生、发展，是癌症发病的关键决定因素之一。组织学生讨论：结合表观遗传学内容，论述如何有效预防癌症的发生？（图4）

图4 癌症发生的CER 论证模型应用

经过论证，学生深刻理解保持良好的饮食、生活习惯和心态，改变组蛋白修饰或DNA 甲基化的作用，可有效预防癌症的发生。当然，也要防止学生误入歧途，认为一旦在个体中因表观遗传修饰而提高了患癌机会，就会传递至后代。要有清晰的基本逻辑和概率逻辑认识。

通过讨论“如何有效预防癌症的发生？”这一社会热点问题，引导学生应用论证方法，发展科学思维；同时了解到保护环境、健康生活的生物学依据，切实担当起社会责任。

值得注意的是，教师在教学过程中需要有效地安排教学流程和时间分配，运用恰当的策略让学生发表不同的意见，并适时引导论证的方向使课堂有条有理，还要预设各环节中可能会遇到的问题等。学生能否全员参与，发表观点，合作讨论，张弛有度，是课堂成败的关键。

尝试表观遗传学教学中论证式策略的运用，受益匪浅。此教学策略有利于训练学生运用证据支持主张，促进其科学思维的发展，加深其对遗传学知识及其发展脉络的理解。