“表观遗传及其机制”教学设计 高一下学期生物人教版必修2.docx

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1、“表观遗传及其机制”教学设计1 教材和学情分析“表观遗传及其机制” 是人教版高中生物学教材(2019 年版)必修 2遗传与进化模块第 4 章第 2 节“基因表达与性状的关系” 中的内容。 “表观遗传学”是一个新兴的热点研究领域,对生物的发育、遗传和进化机制等有了新的解释,为人们进一步理解生命本质提供新的视角。学生在学习这部分内容之前,初步建立了“基因的碱基对序列对性状起主要的决定作用”等观念,但是“表观遗传”可以让学生认识到,在基因的碱基对序列相同的情况下,多种原因(如环境因素)导致的基因和染色体结构改变的一系列修饰,可以影响遗传信息的表达,以至于改变生物的性状。 因此,有关“表观遗传”的学习

2、不仅可以让学生深化对基因和性状之间关系的理解,更重要的是可以把握新的生物学发展热点,促进形成“结构与功能相统一”“进化和适应”等生命观念以及类比、分析、归纳、概括和推理等科学思维,并能够深刻把握科学的本质和确立健康生活的态度等。2 教学目标基于课程标准的内容要求、学业要求和学业质量标准,并围绕培养学生核心素养的要求,制订了如下教学目标:(1) 通过基因甲基化、组蛋白修饰等导致基因表达水平改变,基因选择性表达导致细胞分化等认同结构与功能相统一的生命观念。(2) 基于材料,通过分析、比较、归纳等方法构建表观遗传的概念;通过表观遗传的机制等材料知道知识是如何形成的,进一步认识到科学是重视证据的;通过

3、重新审视中心法则,认同“科学知识是暂时的,不断变化发展”的科学本质观。(3) 通过对一些表观遗传案例的分析,认识到良好的饮食习惯、健康的生活方式对人类及后代健康都有长远的影响,确立健康生活的态度,关注环境问题。3教学过程3 1 创设情境,导入新课 教师呈现资料 1: 蜜蜂的蜂王和工蜂(图略) 都是由基因型相同的雌蜂幼虫发育而来,它们命运的差异发生在出生 3 天后。 3 天后很少一部分雌幼虫被继续饲喂蜂王浆,它们将发育成蜂王,而其他雌幼虫改为喂食蜂蜜和花粉,它们发育成工蜂。 于是,教师引导学生围绕下列问题进行思考:生物的遗传物质是什么? 蜂王和工蜂有相同的基因型,为何发育的结局却如此不同?设计意

4、图: 运用真实的生物学现象创设情境,引发学生认知冲突,激发学生的学习兴趣和探究欲,并促进学生联系前概念,为新课学习做好铺垫。3 2 分析推理,提出蜜蜂发育差异的解释 在前述问题情境下,教师继续提供资料 2: 如果基因的某个地方被加上一个甲基( 甲基化) ,这个基因的表达就会发生异常。 研究发现,蜂王基因组甲基化的程度明显低于工蜂。 教师设问: 从基因指导蛋白质合成的角度推测甲基化对基因的表达可能会产生什么影响? 如果推测成立,能否尝试从结构和功能的视角,解释为什么蜂王和工蜂具有相同的基因,但是细胞分化方向不同?设计意图: 通过引导学生对资料的分析和推理,让学生尝试运用已经学过的知识、观念解释

5、DNA 分子甲基化对基因表达的影响,并进一步运用结构和功能相统一的观点,思考甲基化应该是通过对 DNA 结构的影响而导致基因表达出现差异。3 3 合作学习,揭示 DNA 甲基化对基因表达的影响机制 教师呈现资料 3: DNA甲基化可由一种叫Dnmt3 蛋白的酶催化,它是 Dnmt3 基因的表达产物,能在没有被甲基化的 DNA 区域添加甲基基团。 研究发现,敲除 Dnmt3 基因后,蜜蜂幼虫发育为蜂王,这与取食蜂王浆有相同效果。 教师引导学生温故“迎”新:请学习小组用软磁贴在小黑板上拼装 Dnmt3 基因指导Dnmt3 蛋白合成过程中遗传信息的流向图,回忆并补全中心法则,最后小组之间进行展示交流

6、和质疑互评。设计意图: 在新旧知识相互联系的基础之上,引导学生沿着“Dnmt3 基因相应的酶DNA 甲基化表观遗传” 的认知路径,进一步深化对中心法则的理解,同时领悟“基因表达产物又会反过来影响基因表达”的科学结论,建立生命系统的整体观和事物普遍联系的哲学观。3 4 类比概括,揭示表观遗传规律 教师提问: 我们已知基因中碱基排列顺序发生改变,性状可能改变。那么基因中的碱基排列顺序不发生改变,生物的性状就不变吗? 在学生思考时,教师提供教材中柳穿鱼花的图文材料。 通过下列问题,引导学生探讨: 柳穿鱼花型改变的分子机制是什么? 基因中碱基的排列顺序会改变吗? “表观” 的改变可遗传吗? 你有可靠证

7、据吗? 表观遗传如何在细胞和个体的世代间传递? 你能用自己的语言给表观遗传下定义吗? 为了帮助学生思考,教师再提供资料 4、 5。资料 4: 组蛋白修饰和肿瘤的关系成为当前研究的热点。 染色质基本结构单位是核小体,它由 DNA 和五种组蛋白形成的。 通过修饰组蛋白 N 端尾区(如甲基化、泛素化、巴豆酰化、乙酰化、磷酸化、ADP 核糖基化、糖基化和类泛素化等),可以改变染色质的状态以及调控基因的表达,进而引起肿瘤的发生与发展。资料 5: 世界上每只玳瑁猫的毛色都是独一无二的,而且没有规律。 研究发现控制玳瑁猫黄色和黑色毛色的基因位于 X 染色体上,个体发育过程中 X 染色体中会有一条随机失活,使

8、玳瑁猫的毛色呈黄、黑花斑状分布,非编码 RNA 参与这一过程。教师继续引导学生思考: 除了 DNA 甲基化,还有什么原因可以导致表观遗传? 表观遗传机制的发现是一蹴而就的吗? 表观遗传修饰会只有这几种吗? 接着引导学生分组解释下列问题: 为什么遗传背景相同的同卵双胞胎在成长过程中会出现表现型差异? 为何长期规律、重复的运动可以延缓衰老,降低疾病发病率?为什么孕妇孕期营养不良,孙辈患肥胖和糖尿病的风险更大? 为什么毒品成瘾可遗传给后代?设计意图: 通过材料的分析引起认知冲突,引发学生进一步的思考,并尝试自主构建“表观遗传” 概念。 通过关于表观遗传机制的材料分析和问题探讨,既可以让学生感受知识的

9、形成过程,又可以进一步理解科学是需要证据的。 通过案例分析,能够运用表观遗传的知识解释生活中的现象,认识到健康的生活方式、良好的饮食习惯对人类及后代的健康都有长远的影响,从而确立健康生活的态度。3 5 迁移运用,深化认识细胞分化的本质 同一生物体不同类型体细胞中基因相同,而形态、结构和功能各异,这是为什么? 以鸡的部分种类细胞中基因和相应mRNA 的存在情况检测结果为材料(表 1),教师提问:一只鸡的体细胞都是从什么细胞分裂、分化而来? 鸡的三种组织细胞为什么结构和功能不一样? 同一生物体不同类型体细胞中基因相同,而形态、结构和功能各异,这是为什么? 细胞分化的本质是什么? 可能有什么原因导致

10、基因的选择性表达?设计意图: 学生在之前学习了细胞分化的概念、特点等,但是还不知道细胞分化的本质。 在学习了基因表达和表观遗传相关知识后之后,学生认识到表观遗传修饰可以调控基因表达,于是通过设计问题串为学生搭建“支架” 使学生主动运用刚学习的表观遗传知识揭示细胞分化的本质,让学生初步体会作为一个发现者的乐趣,并促进学生勇于自由表达、交流,深刻认识到表观遗传调控细胞分化,提升科学思维能力。3 6 提炼升华,探讨环境对生物性状的影响 教师提供两则资料。 资料 6: 在蜂王和工蜂的脑中具有不同的甲基化特征,而在被敲除了 Dnmt3 基因的蜜蜂的脑中,其 DNA 甲基化特征与那些有蜂王浆诱导的正常蜂王

11、相似DNA 甲基化有关。 资料 7: 同一株水毛茛,裸露在空气中的叶和浸在水中的叶,表现出两种不同的形态。教师提出: 结合表观遗传概念,基于对资料的分析,大家谈一谈环境可能是如何影响生物体的性状?这对你认识人类目前面临的环境问题有哪些启示?设计意图: 环境因素通过表观遗传影响生物的性状是环境对生物性状影响的重要方面。 通过设置开放性问题,引导学生基于表观遗传规律,进一步深化认识环境对生物性状的影响,并促进学生提高主动关注生物学相关社会问题的意识。37 课堂小结,归纳建构 教师设置问题串: 蜂王和工蜂基因相同,结局却不同的原因是什么? 基因决定性状,遗传信息改变才可以产生可遗传变异,你同意这个观

12、点吗? 为什么? 引导学生运用关键词将“Dnmt3酶、DNA 甲基化、组蛋白甲基化、组蛋白乙酰化、表观遗传修饰、表观遗传、环境因素、基因选择性表达、细胞分化、”等概念名词联系起来,自主进行归纳建构,形成概念图。设计意图: 课堂小结回应课堂导入,做到首尾呼应。 通过课堂伊始提出的问题使学生回顾本节课的学习内容,再通过构建概念图的活动,帮助学生实现知识结构化和系统化,并能深刻认识到表观遗传修饰是实现基因选择性表达以至于导致细胞分化的重要途径,从而能在中心法则基础上,加深和拓宽对基因表达的理解,认同“科学知识是暂时的,不断变化发展” 的科学本质观,并进一步提升学生的元认知能力。4教学反思在本节课的教学中,教师通过提供事先精心准备的多种文本资料,引导学生通过合作和探究等方式,运用多种科学思维如分析、推理、归纳、概括等对各种表观遗传的生物学事实进行理性加工,自主“ 发现”表观遗传规律,并尝试运用该规律深化既有的生物学认识,从而更加深刻理解基因和性状之间的本质关系。 当然,本节课的教学仍然有多处待改进空间,例如,如何针对本节课的具体目标设计更好的学生活动,从多种角度对学生进行有效的评价? 如何优化文本资料,使其中的信息呈现方式多样化以有效地刺激学生多感官参与学习活动?