运用5E教学模式进行“表观遗传现象”一节教学*

马芳芳

（首都师范大学附属育新学校 北京 100096）

2018年教育部颁布了《普通高中生物学课程标准（2017年版）》，明确提出“生物学课程是以提高学生生物学核心素养为宗旨的学科课程”［1］的基本理念。生物学核心素养是学生在生物学课程学习过程中逐渐发展的,在解决真实情境中的问题时所表现出来的必备品格和关键能力,包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任4 个维度。面对新课程标准、新评价方案，如何实施有效的以核心素养为导向的课堂教学是一线教师亟待解决的问题。

5E 教学模式将一节课或一个单元分为引入（engagement）、探究（exploration）、解释（explanation）、精致（elaboration）及评价（evaluation）5 个阶段，这一模式可用于单个课时、特定单元及全部课程的设计和教学。该种教学模式遵循学生的认知规律，充分调动学生进行调查、实验、解决问题等探究活动,主动进行科学概念的构建及错误概念的转化［2］。5E 教学模式是现代科学教育理论的重要教学模式之一,其最终目标是指向学生科学概念的构建，这也是科学教育的核心任务。利用5E教学模式进行生物学课程设计,能促进学生生物学学科核心素养的养成［3］。

在“表观遗传现象”一节教学中，运用5E 教学模式，设计探究活动引发学生对“表观遗传现象”的本质进行探索，从而构建科学概念，应用概念解决真实情境下的问题，发展生物学学科核心素养。

1 内容分析

1.1 课程标准要求 “表观遗传现象”是《普通高中生物学课程标准（2017年版）》最新加入的内容，相关表述为：

核心概念：3 遗传信息控制生物性状，并代代相传。

重要概念：3.1 亲代传递给子代的遗传信息主要编码在DNA 分子上。

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。

1.2 对学生学科核心素养发展的价值 表观遗传学的发展历程是科学本质的典型体现［4］，将其纳入高中生物学课程,除了让学生掌握更多的遗传学知识之外，还可完善学生的遗传学知识体系，尤为重要的是能发挥其提升学生生物学科核心素养方面的作用,学生通过学习表观遗传学的内容将会更好地理解科学的本质。在教学中，针对来自科研进展的问题“人们的饮食、经历是否会遗传给子代”，引发认知冲突，学生在探知的过程中发现经典遗传学知识的局限性,从而引导学生寻找更为合理的科学解释，进而认识到科学本身“是不断发展的”的属性特征。

通过学习表观遗传学的内容,学生可从结构与功能的角度解释表观遗传修饰如何影响基因表达的过程，从基因、环境和性状的关系感悟遗传、进化与环境的内在联系,从而发展进化与适应的生命观念。在高中阶段加入表观遗传学内容可提升学生的生物学核心素养,引导学生更好地理解科学的本质、构建生命观念，从而提升学生受益终生的生物学核心素养。

1.3 单元整体教学设计 本节课是必修模块2“遗传与进化”第3 章“遗传的分子基础”第2 单元“遗传信息控制生物性状”的最后一节课，本节课内容承接前面基因对性状的控制,又为后面学习变异、进化等内容奠定基础（图1）。

图1 单元教学设计

2 学情分析

学生的生物学基础较好，知道通过基因的表达合成蛋白质，蛋白质控制生物的性状；通过第1 章的学习，已了解性状由基因决定，同时受环境影响。具备一定的理性思维能力和科学探究方法；但对于陌生情境下迁移、应用概念的能力有待提高。

3 本节课学生需理解的重要概念

1）表观遗传学通过表观遗传修饰影响基因的表达，从而具有基因序列不变、表型改变和可遗传的特点。

2）表观遗传修饰也是一种遗传信息,它可适时、适地、适量控制基因表达，从而控制生物性状。

4 学习目标及重、难点

4.1 学习目标

1）生命观念：能运用结构与功能观解释DNA甲基化能抑制基因的表达；能阐明环境因素通过表观遗传机制调控基因的表达，并可遗传给子代，有利于生物种群的生存和繁衍,体现进化与适应观，能辩证地看待拉马克的进化理论；能运用稳态与平衡观，分析表观遗传在癌症发生、发展、治疗中的作用。

2）科学思维：能基于实验现象和证据，对材料中的文字、图片进行分析、比较、归纳和概括，总结表观遗传学的概念和特点；能通过演绎和推理，解释实际生活中的表观遗传现象；能运用批判性思维,辩证地看待表观遗传在细胞命运决定中的作用和讨论拉马克的进化理论。

3）科学探究：根据实验目的，分析自变量、因变量和因变量的指标；通过自变量的改变，设计对照实验；通过推理得到预期结果；根据实际结果，概括出结论。

4）社会责任：学生应能树立健康生活的观念，关注表观遗传学的前沿发展。

4.2 教学重、难点

1）重点：表观遗传学具有基因序列不变、表型改变和可遗传的特点。

2）难点：从进化和适应的观点，辩证地看待环境因素通过表观遗传机制改变亲代的性状,并传递给后代。

5 教学过程

5.1 基于科研进展的引入（引入阶段，engagement）

暴露错误概念，提出核心问题。教师指出很多人误以为，不健康的生活习惯，包括抽烟、喝酒、暴食熬夜等不良习惯，只是自己的身体受到影响，并

不影响后代。教师出示Science最新研究进展:能

遗传的不仅仅是基因，饮食、疾病或生活方式等，环境因素可通过表观遗传学机制传递给子代［5］。什么是表观遗传学？人们摄入的食物、生活习惯真的会遗传给子孙吗？提出核心问题,引发认知冲突，激发学习兴趣。

5.2 基于材料的探究（探究阶段，exploration）

5.2.1 表观遗传的特点1：基因不变，表型改变

1）从现象入手，提出问题。教师提供资料：正常小鼠Agouti基因周期性开启,毛发出现黑黄黑的环状条带。现有2 种突变体小鼠：一种为Agouti基因完全失活，产生全黑的毛发；另一种是Agouti被持续开启，呈现出过度激活的状态，产生黄色毛发。引导学生预测此2 种小鼠杂交后代的表型，继而出示实际结果：杂交后代出现3 种表型。从现象入手,提出问题：为什么基因型相同,但表型不同？学生利用已有知识，可概括得出：

但无法解释Agouti小鼠的现象,需要进一步寻找更合理的科学解释。

2）提出假设，进行DNA 甲基化影响基因表达的探究活动。教师展示图2，研究发现，在Agouti基因前插入了一段DNA 序列，使Agouti基因持续开启，因而产生黄色毛发；如果这段DNA 序列被甲基化所修饰,则会出现Agouti基因不同程度的关闭,因而出现过渡的斑点和完全抑制的黑色毛发。引导学生分析,提出假设：DNA 甲基化影响Agouti基因的表达。

图2 不同的DNA 甲基化程度（黑色圆圈表示）影响Agouti 基因的表达

组织学生小组讨论,如何利用假说演绎法设计探究实验：1）自变量、因变量是什么？2）如何利用加法原则和减法原则设计对照实验？3）预期结果是什么? 在完善实验方案的基础上，展示科研人员的实验结果,学生分析得到结论：DNA 甲基化影响Agouti基因的表达。通过自主的探究活动，学生不仅解决了从现象中发现的问题,而且提高了设计探究实验的能力。

3）利用物理模型，分析表观遗传修饰影响基因表达的原因。结合图片，回忆转录过程中，RNA聚合酶需要结合到DNA 单链的特定位置；推测表观遗传修饰阻止RNA 聚合酶的结合，进而影响基因的表达。请一位学生做展示实验，先拉一段正常的拉链（模拟DNA），很容易打开双链；在拉链上粘上带有表观遗传修饰的贴纸，不能打开双链。从而形象地说明表观遗传修饰就像一个帽子,戴上它，基因关闭；去掉它，基因开启。教师通过物理模型具体形象地帮助学生理解微观过程；学生联系已有的知识能利用结构与功能观解释DNA 甲基化能抑制基因表达的原因。

5.2.2 表观遗传的特点2：表观遗传修饰可遗传 教师出示Agouti小鼠子代性状示意图（图3），学生小组讨论、分析，获知表观遗传修饰可遗传。

图3 Agouti 小鼠子代性状［6］

为探究DNA 复制过程中，DNA 甲基化特征如何被保持，引导学生根据图示（图4）进行分析。学生能推测出需要在细胞内存在DNA 甲基转移酶，即可保证DNA 甲基化特征能在DNA 复制和细胞分裂中被保留下来。

图4 DNA 复制过程中DNA 甲基化特征被保持的示意图[6]

5.3 基于真实情境的现象解释（解释与精致阶段，explanation and elaboration）

5.3.1 归纳概括，形成概念 在得到表观遗传的2 个特点的基础上，引导学生归纳概括，形成表观遗传的概念。

5.3.2 提供真实情境，理解概念的内涵

1）通过表观遗传如何将双胞胎变得不同，引导学生迁移概念，解释现象：双胞胎的基因相同，但表观遗传修饰不同，因而性状出现差异。

2）通过人类遗传病——普莱德-威利综合征（Prader-Willi syndrome，PWS）和安格曼综合征（Angelman syndrome，AS），推测细胞区分父源染色体和母源染色体的机制：不同来源的染色体上表观遗传修饰不同。

3）阅读表观遗传与癌症的资料：癌症是由异常而无法控制的细胞增殖引起的。一般情况下，细胞的分裂和增殖是有其正确节律的。这是由细胞内基因网络的复杂平衡调控实现的。有些基因促进细胞增殖，这些基因被称为原癌基因。另一类基因则阻止细胞的过度增殖,这些基因被称为抑癌基因。在健康细胞里，2 类基因的表达呈平衡状态。一旦调节出现了问题,细胞增殖就会出现失控。设计问题串：癌症的形成机制是什么？表观遗传在癌症发生中的作用是什么？如何通过表观遗传机制治疗癌症？设置开放性的讨论，从不同角度共同旨向本节课的第2 个重要概念：表观遗传修饰也是一种遗传信息，它可适时、适地、适量控制基因表达，从而控制生物的性状，深入理解概念内涵。学生能运用稳态与平衡观，分析表观遗传在癌症发生、发展、治疗中的作用。

4）总结环境因素通过表观遗传修饰影响基因表达，揭示表观遗传的实质和意义，引导学生从进化和适应的观点,辩证地看待环境因素通过表观遗传机制改变亲代的性状，并传递给后代（图5）。

图5 本课小结

5.4 应用概念解决实际问题（评价阶段，evaluation）

课后评价：1）针对主题——表观遗传是否能为拉马克平反，搜集资料，论证观点。2）关注表观遗传学的前沿进展，收集实例，进行论述。

6 教学反思

高中生物学课程的目标应该是发展学生的学科核心素养。本节课中，学生主动参与学习过程，自主构建概念模型，习得生物学知识，加深对“生命观念”的理解；创设真实具体的问题情境：为什么Agouti小鼠基因型相同但表型不同,引导学生体验了完整的科学探究过程,有利于培养学生的“科学思维”和“科学探究”素养；双胞胎的实例、染色体遗传病-PWS 综合征和AS 综合征、癌症，鼓励学生用科学的观点、知识、思路和方法，面对或解决现实生活中的问题，提高学生的“社会责任”素养。作为一线教师，应该给学生充满生物学科味道的魅力课堂，关注学生的品格和能力提升，发展学生受益终身的学科核心素养。