基于SOLO分类理论的论证式教学

黄子萍

［摘 要］教师围绕“基因表达与性状的关系”一节第2课时“表观遗传”的内容，运用论证式教学策略，引导学生分析实验证据及相关生物学现象，让学生像科学家一样提出主张，并进行推理和论证，构建表观遗传概念模型。在此过程中，教师运用SOLO分类理论对学生科学思维的发展水平进行评价，将论证式教学与科学思维的过程性评价进行有机结合，实现以评促教。

［关键词］论证式教学；SOLO分类理论；表观遗传

［中图分类号］    G633.91        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）14-0076-04

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中明确指出，科学思维是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。教师在高中生物学教学中要尤为注重对学生科学思维的培养。

教材中呈现的研究实例篇幅有限，学生在学习新知识的过程中需要借助教师提供的研究资料锤炼科学思维，并运用所学知识解决实际问题。以人教版高中生物学必修2第4章第2节第2课时“表观遗传”这部分内容为例，学生已经了解到基因可以控制生物的性状，甚至产生“基因与性状一一对应”的认知，而“表观遗传”部分新增的内容相对微观、抽象，学生在学习过程中面对认知冲突时会产生困惑，同时内心也充满了求知欲，但他们推理论证的能力有限，难以通过少量的生物学现象进行概念建构，更难以理解基因、性状与环境之间的关系。因此，教师可以基于教材进行拓展延伸，给学生提供多样的研究资料，帮助学生进行深度学习，同时还应密切关注学生在此过程中论证推理、应用知识等方面的表现，必要时给予适当的引导和帮助，以促进学生科学思维的发展。在此过程中，教师应运用SOLO分类理论对学生科学思维的发展水平进行评价，并将论证式教学与科学思维的过程性评价有机结合，以实现以评促教。

一、論证模型和SOLO分类理论

生物学知识源于现象观察和实验研究。为了促进学生对生物学知识的理解以及对科学本质的认识，生物教师应引领学生体验科学家的论证工作。而论证式教学恰能满足这一要求，更能有效提升学生的科学思维能力。在论证式教学的众多模型中，CER论证模型（见图1）与表观遗传概念的建构过程契合度较高，都是将自然界中的生物学信息或数据作为证据（Evidence），并通过推理（Reasoning）来解释证据对主张（Claim）的支持，注重逻辑关联，有助于学生提升演绎推理、建构模型、归纳总结等科学思维能力。

SOLO分类理论将学生的思维水平从低到高分为5个结构层次：前结构水平、单点结构水平、多点结构水平、关联结构水平和拓展抽象结构水平。SOLO分类理论可用于评价学生认知发展的阶段和水平。

在论证式教学中，学生要分析证据，演绎推理，得出主张并修正主张。在建构“表观遗传”这一核心概念的过程中，学生的认知水平和科学思维都在发生动态变化。因此，笔者借助SOLO分类理论，结合“表现遗传”一课的教学目标，设计了基于科学思维的SOLO分类评价量表，应用于教学评价中。同时，将SOLO分类理论与论证模型相结合，聚焦学生论证主张、建构概念的过程，为有效开展论证式教学的过程性评价奠定基础。

二、“表观遗传”的论证式教学实践

（一）创设情境，提出问题

资料1：生活习惯不同的同卵双胞胎，其表型及糖尿病的易感性存在差异，子代患相应疾病的风险也不同，研究表明，这与部分基因的表达水平变化有关。

教师引导学生讨论，提出问题。学生提出问题：同卵双胞胎为什么基因型相同而表现型不同？生活习惯及环境如何影响同卵双胞胎的性状？这些影响如何改变基因的表达水平？这些影响是否可遗传？

学生阅读教材第73页“思考·讨论”栏目中有关小鼠毛色遗传的内容。

根据Avy基因控制黄色，a基因控制黑色，AvyAvy与aa杂交，学生不难推测出子一代小鼠的基因型为Avya且理论上小鼠的毛色应为黄色。教师图片展示真实实验结果，并提出问题：相同基因型的小鼠为何出现了多种毛色？引导学生结合已有知识和实验现象提出初步的主张。

学生通过学习经典遗传学得知，基因可通过基因表达产物控制生物性状，因此他们认为是由于基因中遗传信息的改变（碱基序列改变）或表型受到不同环境的影响而导致小鼠毛色出现差异。

学生针对F1小鼠出现不同毛色的现象提出两种主张：①F1小鼠基因序列发生改变；②F1小鼠所处环境不同，故表现出不同毛色。

教师补充资料2：实验中F1小鼠所处环境相同，且Avy基因碱基序列的检测结果相同（碱基序列不变），同时引导学生思考：如何验证是否存在环境影响？学生提出主张：将子一代小鼠放在相同的环境中培养。教师提供相关实验环境数据，说明实验培养条件实际上是一致的。学生根据实验证据进行讨论，进一步修正主张，根据小鼠体色深浅变化的现象，推断应对F1小鼠的Avy基因表达水平进行研究。

（二）基于证据，科学论证

教师引导学生分组围绕相同基因型小鼠的毛色差异进行深度学习和科学论证。

资料3：检测不同F1小鼠Avy基因表达产物mRNA和对应的Asp蛋白含量。

教师引导各小组分析实验数据，得出结论：F1小鼠Avy基因的表达水平不同，表达水平越高，毛色越接近黄色；反之，F1小鼠的毛色越接近黑色。教师补充资料4，从DNA甲基化水平分析基因表达水平发生变化的原因。

资料4：不同F1小鼠Avy基因的甲基化水平。

教师进一步提出问题：这种Avy基因DNA甲基化水平是否可以遗传？如何进行研究？

學生由孟德尔测交实验思路获得启发，提出可通过测交实验分析DNA甲基化的可遗传性，并给出设计思路。

资料5：对F1小鼠进行测交，观察并统计测交子代中Avya小鼠的体色。

学生以小组为单位进行合作，结合以上资料进行论证，提出主张（见图3）。

资料6：将小鼠分为实验组和对照组，实验组小鼠在孕期饲喂富含甲基的食物，对照组则不做处理，发现实验组小鼠的后代中深色个体比例更高。

学生通过对资料的分析，归纳总结出DNA甲基化的特点：不改变基因碱基序列、可改变基因表达水平、可改变生物表现型、可遗传、容易受到环境的影响。

教师为学生的论证提供逻辑严密的“脚手架”，让学生基于已有知识分析实验现象，并通过演绎推理，不断提出主张，寻找证据，在进一步的反驳中体会推理的不易和科学严谨的重要性。

（三）归纳模型，完善主张

通过对上述真实研究证据的论证，学生总结出了DNA甲基化的特点，并用自己的语言总结提炼了表观遗传的概念。对此，教师进一步通过板书引导学生回顾基因表达的过程，并提出问题：DNA甲基化如何调控基因的表达？

学生运用拉链和文件夹建构DNA甲基化模型，教师引导学生思考和总结该模型的特征及内涵，并归纳DNA甲基化对基因表达的影响。

学生通过模型建构以及观看教师提供的动画视频，提出针对表观遗传调控基因表达的主张：DNA甲基化通过抑制基因转录来降低基因表达水平。

由研究性学习小组的成员展示环境因素影响DNA甲基化的研究及数据，其他小组讨论，总结环境因素影响表观遗传的流程图（见图4），并尝试提出建议。

资料7（节选）：吸烟会导致精子中DNA甲基化水平升高；高血糖和高血脂疾病与部分基因DNA甲基化水平有关，而不良饮食习惯、睡眠不足等会加重DNA甲基化程度，导致身体质量指数（BMI）增加等。

经过以上论证，学生能充分认识到：与经典遗传学中基因控制生物性状有所不同，在表观遗传中DNA甲基化在基因碱基序列不变的情况下，可对基因表达进行调控，并且受到环境因素的影响。进而学生进一步认识到健康生活的重要性。

（四）应用概念，解决问题

待学生对表观遗传的概念和调节生物性状的模型有初步的认识后，教师创设真实的问题情境，引导学生运用概念和知识解决实际问题。

情境1：在研究克隆猴的过程中，我国研究团队发现克隆胚胎基因组上存在大量的基因H3K9三甲基化，同时组蛋白乙酰化水平较高，这些问题影响了胚胎的发育，已知去DNA甲基化酶可催化去DNA甲基化的反应，组蛋白乙酰化酶可催化组蛋白修饰相关反应。

学生分组讨论，结合表观遗传、酶的作用等相关知识，提出问题解决思路。教师援引资料：我国研究团队在培育克隆猴“中中”和“华华”的过程中，给它们注射了去甲基化酶Kdm4d和组蛋白乙酰化酶抑制剂TSA，最终克服了表观遗传修饰的障碍，使得克隆胚胎的发育得到优化。学生提出的问题解决思路与这一结果相吻合，使学生获得了突破真实科研困境的成就感。

情境2：对同卵双胞胎患某种糖尿病的风险差异及相关基因表达情况的研究表明：PDX-1基因、瘦素基因的表达水平异常。已知这两种基因表达异常分别与组蛋白修饰、DNA甲基化有关，据此，你能提出什么解决办法？

学生根据研究资料进行讨论，运用表观遗传知识提出疾病治疗、预防的思路，增强了学生的科学思维能力和社会责任感。

三、基于SOLO分类理论的教学评价

本节课的教学聚焦表观遗传现象，为学生提供了丰富的课外研究真实数据和资料，旨在创设情境，让学生像科学家一样去推理、论证，在讨论中修正主张。

为了解学生完成课堂学习后所达到的认知水平，笔者基于SOLO分类理论，依据学生的科学思维发展水平对应的四种层次按照由低到高的顺序设计了科学思维发展水平评价量表（见表1）

值得注意的是，有部分学生的科学思维发展水平是介于两个水平之间的，且具有明显的个体差异，因此教师在运用上述量表进行评价时还需要关注学生的“最近发展区”，了解学生已经达到的科学思维发展水平，以及需要借助其他力量才能达到的科学思维发展水平，进一步反思课堂教学，以评促教。

此外，在本节课中，还可以通过小组合作互评、教师语言点评、随堂纸笔评价等多元化方式对学生的论证分析、模型建构、概念应用等方面的表现进行评价，聚焦学生论证过程中演绎推理、归纳总结能力的提升，并结合评价结果对后续教学做进一步的优化。

四、教学反思

本节课采用论证式教学策略，引导学生小组合作分析证据，并通过层层推理，论证及修正主张，同时建构DNA甲基化模型，分析多种表观遗传现象的原因，最终使学生能够有效建构表观遗传的概念，提升科学思维能力。同时，教师还进一步引导学生分析环境对表观遗传的影响，总结归纳基因表达调控的原理，让学生从学习经典遗传学的知识过渡到理解表观遗传现象，再到理解基因、性状与环境之间的关系，进而不断完善主张。

此外，本节课以同卵双胞胎及其后代患某种糖尿病的差异的大情境贯穿始终，引导学生体验克隆猴科研难题、疾病治疗问题等的解决思路，使教学目标在实践过程中得以落实。同时，运用SOLO分类理论对学生的科学思维发展水平进行过程性评价，将论证式教学与科学思维的过程性评价有机结合，实现以评促教。

［   参   考   文   献   ］

［1］  中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准：2017年版［M］.北京：人民教育出版社，2018.

［2］  陈欣，刘恩山.探索基于论证的探究教学途径［J］.生物学通报，2016（10）：14-16.

［3］  周忠芬，谢晓宏.“生物体存在表观遗传现象”的论证式教学设计［J］.生物学通报，2020（12）：15-17.

［4］  MORGAN H D，SUTHERLAND H G，MARTIN D I，et al. Epigenetic inheritance at the agouti locus in the mouse［J］.Nature genetics，1999（3）：314-318.

［5］  丁晴.基于SOLO分类理论进行“生物的协同进化”论证式教学［J］.生物学通报，2021（11）：12-14.

（责任编辑 黄春香）

［基金项目］本文系广西教育科学规划2018年度专项课题“广西普通高中生物学科教学关键问题实践研究-3”（课题编号：2018ZJY238）的研究成果。