“表觀遺傳及其機(jī)制”教學(xué)設(shè)計(jì) 高一下學(xué)期生物人教版必修2

1、表觀遺傳及其機(jī)制”教學(xué)設(shè)計(jì)1教材和學(xué)情分析“表觀遺傳及其機(jī)制”是人教版高中生物學(xué)教材(2019年版)必修2遺傳與進(jìn)化模塊第4章第2節(jié)“基因表達(dá)與性狀的關(guān)系”中的內(nèi)容?！氨碛^遺傳學(xué)”是一個(gè)新興的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域,對(duì)生物的發(fā)育、遺傳和進(jìn)化機(jī)制等有了新的解釋,為人們進(jìn)一步理解生命本質(zhì)提供新的視角。學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容之前,初步建立了“基因的堿基對(duì)序列對(duì)性狀起主要的決定作用”等觀念,但是“表觀遺傳”可以讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到,在基因的堿基對(duì)序列相同的情況下,多種原因(如環(huán)境因素)導(dǎo)致的基因和染色體結(jié)構(gòu)改變的一系列修飾,可以影響遺傳信息的表達(dá),以至于改變生物的性狀。因此,有關(guān)“表觀遺傳”的學(xué)習(xí)不僅可以讓學(xué)生深化對(duì)基因

2、和性狀之間關(guān)系的理解,更重要的是可以把握新的生物學(xué)發(fā)展熱點(diǎn),促進(jìn)形成“結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一”“進(jìn)化和適應(yīng)”等生命觀念以及類比、分析、歸納、概括和推理等科學(xué)思維,并能夠深刻把握科學(xué)的本質(zhì)和確立健康生活的態(tài)度等。2教學(xué)目標(biāo)基于課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求和學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),并圍繞培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的要求,制訂了如下教學(xué)目標(biāo):通過(guò)基因甲基化、組蛋白修飾等導(dǎo)致基因表達(dá)水平改變,基因選擇性表達(dá)導(dǎo)致細(xì)胞分化等認(rèn)同結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的生命觀念?；诓牧?通過(guò)分析、比較、歸納等方法構(gòu)建表觀遺傳的概念;通過(guò)表觀遺傳的機(jī)制等材料知道知識(shí)是如何形成的,進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到科學(xué)是重視證據(jù)的;通過(guò)重新審視中心法則,認(rèn)同“科學(xué)知識(shí)是暫時(shí)的,

3、不斷變化發(fā)展”的科學(xué)本質(zhì)觀。通過(guò)對(duì)一些表觀遺傳案例的分析,認(rèn)識(shí)到良好的飲食習(xí)慣、健康的生活方式對(duì)人類及后代健康都有長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響,確立健康生活的態(tài)度,關(guān)注環(huán)境問(wèn)題。3教學(xué)過(guò)程31創(chuàng)設(shè)情境,導(dǎo)入新課教師呈現(xiàn)資料1:蜜蜂的蜂王和工蜂(圖略)都是由基因型相同的雌蜂幼蟲發(fā)育而來(lái),它們命運(yùn)的差異發(fā)生在出生3天后。3天后很少一部分雌幼蟲被繼續(xù)飼喂蜂王漿,它們將發(fā)育成蜂王,而其他雌幼蟲改為喂食蜂蜜和花粉,它們發(fā)育成工蜂。于是,教師引導(dǎo)學(xué)生圍繞下列問(wèn)題進(jìn)行思考:生物的遺傳物質(zhì)是什么?蜂王和工蜂有相同的基因型,為何發(fā)育的結(jié)局卻如此不同?設(shè)計(jì)意圖:運(yùn)用真實(shí)的生物學(xué)現(xiàn)象創(chuàng)設(shè)情境,引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探

4、究欲,并促進(jìn)學(xué)生聯(lián)系前概念,為新課學(xué)習(xí)做好鋪墊。32分析推理,提出蜜蜂發(fā)育差異的解釋在前述問(wèn)題情境下,教師繼續(xù)提供資料2:如果基因的某個(gè)地方被加上一個(gè)甲基（甲基化）,這個(gè)基因的表達(dá)就會(huì)發(fā)生異常。研究發(fā)現(xiàn),蜂王基因組甲基化的程度明顯低于工蜂。教師設(shè)問(wèn):從基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的角度推測(cè)甲基化對(duì)基因的表達(dá)可能會(huì)產(chǎn)生什么影響?如果推測(cè)成立,能否嘗試從結(jié)構(gòu)和功能的視角,解釋為什么蜂王和工蜂具有相同的基因,但是細(xì)胞分化方向不同?設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)資料的分析和推理,讓學(xué)生嘗試運(yùn)用已經(jīng)學(xué)過(guò)的知識(shí)、觀念解釋DNA分子甲基化對(duì)基因表達(dá)的影響,并進(jìn)一步運(yùn)用結(jié)構(gòu)和功能相統(tǒng)一的觀點(diǎn),思考甲基化應(yīng)該是通過(guò)對(duì)DNA結(jié)構(gòu)

5、的影響而導(dǎo)致基因表達(dá)出現(xiàn)差異。33合作學(xué)習(xí),揭示DNA甲基化對(duì)基因表達(dá)的影響機(jī)制教師呈現(xiàn)資料3:DNA甲基化可由一種叫Dnmt3蛋白的酶催化,它是Dnmt3基因的表達(dá)產(chǎn)物,能在沒有被甲基化的DNA區(qū)域添加甲基基團(tuán)。研究發(fā)現(xiàn),敲除Dnmt3基因后,蜜蜂幼蟲發(fā)育為蜂王,這與取食蜂王漿有相同效果。教師引導(dǎo)學(xué)生溫故“迎”新:請(qǐng)學(xué)習(xí)小組用軟磁貼在小黑板上拼裝Dnmt3基因指導(dǎo)Dnmt3蛋白合成過(guò)程中遺傳信息的流向圖,回憶并補(bǔ)全中心法則,最后小組之間進(jìn)行展示交流和質(zhì)疑互評(píng)。設(shè)計(jì)意圖:在新舊知識(shí)相互聯(lián)系的基礎(chǔ)之上,引導(dǎo)學(xué)生沿著“Dnmt3基因一相應(yīng)的酶一DNA甲基化一表觀遺傳”的認(rèn)知路徑,進(jìn)一步深化對(duì)中心法

6、則的理解,同時(shí)領(lǐng)悟“基因表達(dá)產(chǎn)物又會(huì)反過(guò)來(lái)影響基因表達(dá)”的科學(xué)結(jié)論,建立生命系統(tǒng)的整體觀和事物普遍聯(lián)系的哲學(xué)觀。34類比概括,揭示表觀遺傳規(guī)律教師提問(wèn):我們已知基因中堿基排列順序發(fā)生改變,性狀可能改變。那么基因中的堿基排列順序不發(fā)生改變,生物的性狀就不變嗎?在學(xué)生思考時(shí),教師提供教材中柳穿魚花的圖文材料。通過(guò)下列問(wèn)題,引導(dǎo)學(xué)生探討:柳穿魚花型改變的分子機(jī)制是什么?基因中堿基的排列順序會(huì)改變嗎?“表觀”的改變可遺傳嗎?你有可靠證據(jù)嗎?表觀遺傳如何在細(xì)胞和個(gè)體的世代間傳遞?你能用自己的語(yǔ)言給表觀遺傳下定義嗎?為了幫助學(xué)生思考,教師再提供資料4、5。資料4:組蛋白修飾和腫瘤的關(guān)系成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

7、染色質(zhì)基本結(jié)構(gòu)單位是核小體,它由DNA和五種組蛋白形成的。通過(guò)修飾組蛋白N端尾區(qū)（如甲基化、泛素化、巴豆?；?、乙?；⒘姿峄?、ADP核糖基化、糖基化和類泛素化等），可以改變?nèi)旧|(zhì)的狀態(tài)以及調(diào)控基因的表達(dá),進(jìn)而引起腫瘤的發(fā)生與發(fā)展。資料5:世界上每只玳瑁貓的毛色都是獨(dú)一無(wú)二的,而且沒有規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)控制玳瑁貓黃色和黑色毛色的基因位于X染色體上,個(gè)體發(fā)育過(guò)程中X染色體中會(huì)有一條隨機(jī)失活,使玳瑁貓的毛色呈黃、黑花斑狀分布,非編碼RNA參與這一過(guò)程。教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生思考:除了DNA甲基化,還有什么原因可以導(dǎo)致表觀遺傳?表觀遺傳機(jī)制的發(fā)現(xiàn)是一蹴而就的嗎?表觀遺傳修飾會(huì)只有這幾種嗎?接著引導(dǎo)學(xué)生分組解釋下

8、列問(wèn)題:為什么遺傳背景相同的同卵雙胞胎在成長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)表現(xiàn)型差異?為何長(zhǎng)期規(guī)律、重復(fù)的運(yùn)動(dòng)可以延緩衰老,降低疾病發(fā)病率?為什么孕婦孕期營(yíng)養(yǎng)不良,孫輩患肥胖和糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)更大?為什么毒品成癮可遺傳給后代?設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)材料的分析引起認(rèn)知沖突,引發(fā)學(xué)生進(jìn)一步的思考,并嘗試自主構(gòu)建“表觀遺傳”概念。通過(guò)關(guān)于表觀遺傳機(jī)制的材料分析和問(wèn)題探討,既可以讓學(xué)生感受知識(shí)的形成過(guò)程,又可以進(jìn)一步理解科學(xué)是需要證據(jù)的。通過(guò)案例分析,能夠運(yùn)用表觀遺傳的知識(shí)解釋生活中的現(xiàn)象,認(rèn)識(shí)到健康的生活方式、良好的飲食習(xí)慣對(duì)人類及后代的健康都有長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響,從而確立健康生活的態(tài)度。35遷移運(yùn)用,深化認(rèn)識(shí)細(xì)胞分化的本質(zhì)同一生物體不

9、同類型體細(xì)胞中基因相同,而形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能各異,這是為什么?以雞的部分種類細(xì)胞中基因和相應(yīng)mRNA的存在情況檢測(cè)結(jié)果為材料（表1）,教師提問(wèn):種組織細(xì)胞為什么結(jié)構(gòu)和功能不一樣?同一生物體不同類型體細(xì)胞中基因相同,而形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能各異,這是為什么?細(xì)胞分化的本質(zhì)是什么?可能有什么原因?qū)е禄虻倪x擇性表達(dá)?設(shè)計(jì)意圖:學(xué)生在之前學(xué)習(xí)了細(xì)胞分化的概念、特點(diǎn)等,但是還不知道細(xì)胞分化的本質(zhì)。在學(xué)習(xí)了基因表達(dá)和表觀遺傳相關(guān)知識(shí)后之后,學(xué)生認(rèn)識(shí)到表觀遺傳修飾可以調(diào)控基因表達(dá),于是通過(guò)設(shè)計(jì)問(wèn)題串為學(xué)生搭建“支架”使學(xué)生主動(dòng)運(yùn)用剛學(xué)習(xí)的表觀遺傳知識(shí)揭示細(xì)胞分化的本質(zhì),讓學(xué)生初步體會(huì)作為一個(gè)發(fā)現(xiàn)者的樂趣,并促進(jìn)學(xué)

10、生勇于自由表達(dá)、交流,深刻認(rèn)識(shí)到表觀遺傳調(diào)控細(xì)胞分化,提升科學(xué)思維能力。36提煉升華,探討環(huán)境對(duì)生物性狀的影響教師提供兩則資料。資料6:在蜂王和工蜂的腦中具有不同的甲基化特征,而在被敲除了Dnmt3基因的蜜蜂的腦中,其DNA甲基化特征與那些有蜂王漿誘導(dǎo)的正常蜂王相似DNA甲基化有關(guān)。資料7:同一株水毛茛,裸露在空氣中的葉和浸在水中的葉,表現(xiàn)出兩種不同的形態(tài)。教師提出:結(jié)合表觀遺傳概念,基于對(duì)資料的分析,大家談一談環(huán)境可能是如何影響生物體的性狀?這對(duì)你認(rèn)識(shí)人類目前面臨的環(huán)境問(wèn)題有哪些啟示?設(shè)計(jì)意圖:環(huán)境因素通過(guò)表觀遺傳影響生物的性狀是環(huán)境對(duì)生物性狀影響的重要方面。通過(guò)設(shè)置開放性問(wèn)題,引導(dǎo)學(xué)生基于

11、表觀遺傳規(guī)律,進(jìn)一步深化認(rèn)識(shí)環(huán)境對(duì)生物性狀的影響,并促進(jìn)學(xué)生提高主動(dòng)關(guān)注生物學(xué)相關(guān)社會(huì)問(wèn)題的意識(shí)。37課堂小結(jié),歸納建構(gòu)教師設(shè)置問(wèn)題串:蜂王和工蜂基因相同,結(jié)局卻不同的原因是什么?基因決定性狀,遺傳信息改變才可以產(chǎn)生可遺傳變異,你同意這個(gè)觀點(diǎn)嗎？為什么？引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用關(guān)鍵詞將“Dnmt3酶、DNA甲基化、組蛋白甲基化、組蛋白乙?；?、表觀遺傳修飾、表觀遺傳、環(huán)境因素、基因選擇性表達(dá)、細(xì)胞分化、”等概念名詞聯(lián)系起來(lái),自主進(jìn)行歸納建構(gòu),形成概念圖。堂伊始提出的問(wèn)題使學(xué)生回顧本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容,再通過(guò)構(gòu)建概念圖的活動(dòng),幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)結(jié)構(gòu)化和系統(tǒng)化,并能深刻認(rèn)識(shí)到表觀遺傳修飾是實(shí)現(xiàn)基因選擇性表達(dá)以至于導(dǎo)致細(xì)胞分化的重要途徑,從而能在中心法則基礎(chǔ)上,加深和拓寬對(duì)基因表達(dá)的理解,認(rèn)同“科學(xué)知識(shí)是暫時(shí)的,不斷變化發(fā)展”的科學(xué)本質(zhì)觀,并進(jìn)一步提升學(xué)生的元認(rèn)知能力。4教學(xué)反思在本節(jié)課的教學(xué)中,教師通過(guò)提供事先精心準(zhǔn)備的多種文本資料,引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)合作和探究等方式,運(yùn)用多種科學(xué)思維如分析推理