基于认知冲突创设问题情境的教学设计——以“表观遗传及其作用机制”为例
时间：2023-03-01 08:05:07 来源：千叶帆 本文已影响人
王 婷
（南京市第九中学 江苏南京 210000）
认知冲突是指学生原有认知结构与新知识之间的矛盾与冲突。表观遗传是课程标准新增的学习内容，学生常见的前概念有：控制柳穿鱼两种花型的基因碱基序列一定不同；
饮食、运动等生活习惯只会对自己产生影响，而不会影响到后代。当学生的前概念和科学概念之间存在矛盾时，就会产生认知冲突，引起认知结构上的不平衡，激发的好奇心和求知欲，让学生在解决问题的过程中实现概念转变。因此，笔者以如何利用认知冲突创设问题情境为主线，开展了表观遗传概念教学的实践。
“表观遗传及其作用机制”是苏教版必修2第二章第三节“遗传信息控制生物的性状”中的内容，本节课还与必修2中“基因控制蛋白质的合成”“生物的性状主要通过蛋白质表现，同时受到环境的影响”等内容密切相关。表观遗传学作为对经典遗传学的补充，是课程标准新增的遗传学研究热点，内容较为复杂，且尚处于不断更新与修正中，是学生学习高中遗传学的重点与难点。教师引导学生对表观遗传进行概念建构，可以帮助学生形成结构与功能相适应的生命观念，启发学生关注环境对表观遗传的影响。
①阅读有关表观遗传现象的资料，运用结构与功能观，多角度认识生物界的表观遗传现象。
②通过表观遗传的案例探究，建构表观遗传概念模型，探讨表观遗传机制，并建立遗传信息、基因表达及性状三者之间的相互关系。
③发展在较复杂情境中获取、加工新信息并整合得出结论的科学思维。
④讨论有关环境、行为等因素对表观遗传的影响，认同表观遗传的研究价值，养成健康的生活方式。
3.1 制造认知冲突，导入新课
教师介绍趣味实验：在桌子上放些橙子樱桃，老鼠会被水果散发的香气吸引。当雄性老鼠闻这些气味的同时，研究人员对它电击，很快就训练出老鼠对这种味道的恐惧。并提出问题：这些老鼠的后代会对这种气味产生害怕吗？学生纷纷表示不会，认为老鼠对气味的恐惧是不能遗传的。教师继续介绍：这些老鼠的幼崽们哪怕从未接触过自己的父亲，也会对这种气味产生恐惧。经典遗传学告诉我们，只有DNA可以遗传给下一代。为什么向老鼠灌输的恐惧也能传递给后代呢？这个现象就与“表观遗传”有关，下面我们进入今天这节课的学习。
设计意图：学生前概念里认为对气味的恐惧是不能传递给后代的，教师利用这个实验现象引发学生的认知冲突，让学生带着困惑和好奇进入表观遗传的学习。
3.2 利用认知冲突，创设问题情境，引导学生在探究中自主构建表观遗传的概念
教师展示两种花型的柳穿鱼图片并介绍：柳穿鱼是一种草本植物。现有两种花型的柳穿鱼，植株A是两侧对称花，植株B是辐射对称花。柳穿鱼花的形态结构受Lcyc基因的控制。科学家将这两个植株作为亲本进行杂交，F1的花与植株A相似；
F1自交，F2中A∶B约为34∶5。请相互讨论，尝试提出一种假说能合理解释植株A和B花型不同的原因，并思考什么样的证据可以初步证明你的假说。由于学生受到之前学习的孟德尔遗传实验的影响，大部分学生提出的假说是控制两种花型的基因不同从而导致性状不同，并提出可以在分子水平对基因进行测序来证明。
教师继续提供资料，引导学生分析资料修正假说。
资料1：通过基因测序，植株A和植株B的Lcyc基因的序列相同。
资料2：检测柳穿鱼花中Lcyc基因转录情况，发现，不同发育阶段中，植株A的花中皆有Lcyc基因转录，植株B的花中均未检测Lcyc基因转录。
资料3：植株B的Lcyc基因被高度甲基化（图1），Lcyc基因有多个碱基连接甲基。
图1 DNA甲基化示意图
学生从资料1中发现，控制两种花型的基因碱基序列相同，和之前提出的假说不符。根据资料2和3，从基因控制性状的角度分析，重新提出假说是植株B的Lcyc基因被高度甲基化抑制了基因的转录。
教师展示DNA甲基化的示意图，并介绍DNA甲基化。接着，引导学生根据提出的假说解释实验现象：①为什么植株A和B杂交获得的F1代的花与植株A相似呢？②F1自交的F2中绝大部分植株的花与植株A相似，少部分植株的花与植株B相似，这又说明了什么？学生在解释的过程中进一步发现Lcyc基因的高度甲基化是可以遗传给后代的，但是这种遗传并不稳定，只有一部分高度甲基化的Lcyc基因遗传给了后代，所以F2中两种花型的比并不符合孟德尔遗传定律。
教师启发学生进一步探究：能不能利用杂交实验中已有的实验材料，设计一种简单的实验来验证刚才的假说。在学生提出一些演绎推理的设想后，教师介绍：有科学家将F2中植株B自交，后代出现了介于A和B的一系列过度类型（图2）。这些过渡类型的出现正是由于Lcyc基因的甲基化程度不同导致的，从而验证了之前的假说。
图2 F2中植株B自交后代的花型
①根据DNA复制相关知识，从事先准备好的模拟DNA单链的纸片中选取合适的组合成双链，贴入方框1。
②根据维持性甲基化转移酶（维持性甲基化转移酶能够识别CG中被甲基化的胞嘧啶，然后催化对应单链上的胞嘧啶甲基化）的作用机理，继续选取合适的模拟DNA单链的纸片组合成双链。学生在模拟的过程中（图3），体验DNA复制过程中甲基化是如何进行传递的。
图3 模拟DNA甲基化的传递过程
教师引导学生继续研究：现在科学家已经证明了柳穿鱼的这种高度甲基化能通过种子遗传给后代。请完成活动“模拟DNA甲基化的传递过程”：
最后，由学生自主总结出表观遗传的概念，教师补充完善。
设计意图：“为什么基因序列不改变，但是性状会改变？”和“表观遗传为什么能遗传，DNA甲基化作为一种碱基的修饰，是如何传递给后代？”这两个问题是学生在学习表观遗传时最容易感到困惑的地方。教师引导学生分析柳穿鱼花型的案例，利用F2出现34∶5而不是3∶1，引发学生的认知冲突，促进学生探究柳穿鱼形成两种不同花型的原因创设问题情境，引导学生运用“假说—演绎法”探究表观遗传现象，使学生在提出假说—修正假说—演绎推理—实验验证的过程中认识到虽然Lcyc基因在植株A和B中碱基序列相同，但是Lcyc基因的甲基化程度不同也会对表型产生可遗传变化，从而实现概念转变。
3.3 深度学习，从分子水平理解表观遗传的作用机制
教师提出问题：在不改变基因序列的前提下，表观遗传又是如何通过调控基因的表达从而使表型发生改变的呢？并设计好问题串，让学生联系已学习的“基因的表达”“基因对性状的控制”等内容回答：①观察图4，DNA高度甲基化为什么会抑制基因的转录，是影响了转录的哪个环节？②在细胞核中DNA不是裸露存在的，而是和蛋白质形成染色体。构成染色体的组蛋白也会发生修饰，请观看视频“组蛋白的修饰”，思考组蛋白的修饰对基因表达有什么影响。③表观遗传除了从转录水平调控基因的表达，还能从什么水平调控基因的表达呢？
图4 DNA甲基化对转录的影响
设计意图：转录和翻译都是中心法则的内容。教师利用中心法则衔接学生对表观遗传作用机制的学习，建立起新旧知识的联系，能帮助学生理解在基因碱基序列不变的前提下表观遗传修饰通过调控基因表达影响性状的机制，从而形成结构与功能观。
3.4 概念运用，探讨表观遗传在实际生活中的作用
教师提出问题：学习表观遗传对人们的生活有什么作用？小组讨论资料4和5，相互交流想法。
资料4：我国约7000万人携带乙肝病毒，80%肝癌与它相关。乙肝病毒（HBV）是一种DNA病毒，感染肝细胞后会将其基因插入人体肝细胞基因组序列中导致慢性感染。抑制HBV基因在肝细胞中的表达是治疗慢性肝炎的重要手段。请结合表观遗传相关知识，以小组为单位讨论，讨论慢性乙肝的治疗策略。
资料5：吸烟会使人的体细胞内DNA甲基化水平升高（尤其是抑制细胞癌变的基因甲基化严重），对染色体上的组蛋白也会产生影响。男性吸烟者的精子活力下降，精子中DNA的甲基化水平明显升高。但是若这些不良习惯被消除，这些表观遗传的改变又会逐渐减弱，甚至消失。
教师引导学生思考：结合上述资料，你认同“个体一辈子不管有多少诸如抽烟、喝酒、暴食、熬夜等不健康的生活习惯，只要不改变DNA的碱基序列，最多是自己的身体受到影响，而不会影响后代”这样的观点吗？生物体的性状会受到哪些方面的影响？
设计意图：教师引导学生分析乙肝治疗方案，使学生关注表观遗传的研究价值，培养学生的创新能力，加深学生对表观遗传概念的运用。男性吸烟者精子中DNA甲基化水平的变化可以让学生意识到表观遗传会受到环境的影响，并思考生物的性状会受到哪些方面的影响，引导学生树立健康的生活态度。
因为有前概念的存在，教师单方面地灌输很难让学生完成自身概念的构建。所以，教师在课堂教学中要运用各种方式激发学生产生认知冲突，创设好问题情境，让学生在解决问题的过程中进行概念转变。首先，教师可以挑选学生容易产生认知冲突的内容，上课时以问题的形式直接提出，让学生思考原因。例如，本节课可以提问“同卵双胞胎虽然具有相同的DNA序列，为什么还会存在表型的差异？”。其次，通过创设真实的探究情境，激发学生在探索的过程中发现用原有的理解解决不了研究的问题，使学生产生解决矛盾的迫切需要。例如，本节课以“探究柳穿鱼形成两种不同花型的原因”为探究情境，通过让学生阅读资料发现控制两种花型的基因碱基序列并没有改变，引发学生产生认知冲突“基因碱基序列不改变，为什么性状还会改变”。另外，教师要注意多让学生在课堂上表达出自己的观点，一个班级的学生对同一问题的理解也会有差异，在交流的过程中也能引发认知冲突。例如，本节课在讨论环节中有同学提出柳穿鱼杂交实验中F2中A多B少是因为基因致死导致的，这与Lcyc基因在植株A和B中测序结果相同产生矛盾。学生通过讨论，在质疑、解释、论证中不断完善自己的认知结构，从而形成正确的科学概念。
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