“表觀遺傳及其機制”教學設計 高一下學期生物人教版必修2

1、表觀遺傳及其機制”教學設計1教材和學情分析“表觀遺傳及其機制”是人教版高中生物學教材(2019年版)必修2遺傳與進化模塊第4章第2節(jié)“基因表達與性狀的關系”中的內容?！氨碛^遺傳學”是一個新興的熱點研究領域,對生物的發(fā)育、遺傳和進化機制等有了新的解釋,為人們進一步理解生命本質提供新的視角。學生在學習這部分內容之前,初步建立了“基因的堿基對序列對性狀起主要的決定作用”等觀念,但是“表觀遺傳”可以讓學生認識到,在基因的堿基對序列相同的情況下,多種原因(如環(huán)境因素)導致的基因和染色體結構改變的一系列修飾,可以影響遺傳信息的表達,以至于改變生物的性狀。因此,有關“表觀遺傳”的學習不僅可以讓學生深化對基因

2、和性狀之間關系的理解,更重要的是可以把握新的生物學發(fā)展熱點,促進形成“結構與功能相統(tǒng)一”“進化和適應”等生命觀念以及類比、分析、歸納、概括和推理等科學思維,并能夠深刻把握科學的本質和確立健康生活的態(tài)度等。2教學目標基于課程標準的內容要求、學業(yè)要求和學業(yè)質量標準,并圍繞培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的要求,制訂了如下教學目標:通過基因甲基化、組蛋白修飾等導致基因表達水平改變,基因選擇性表達導致細胞分化等認同結構與功能相統(tǒng)一的生命觀念?；诓牧?通過分析、比較、歸納等方法構建表觀遺傳的概念;通過表觀遺傳的機制等材料知道知識是如何形成的,進一步認識到科學是重視證據的;通過重新審視中心法則,認同“科學知識是暫時的,

3、不斷變化發(fā)展”的科學本質觀。通過對一些表觀遺傳案例的分析,認識到良好的飲食習慣、健康的生活方式對人類及后代健康都有長遠的影響,確立健康生活的態(tài)度,關注環(huán)境問題。3教學過程31創(chuàng)設情境,導入新課教師呈現資料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,它們命運的差異發(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,教師引導學生圍繞下列問題進行思考:生物的遺傳物質是什么?蜂王和工蜂有相同的基因型,為何發(fā)育的結局卻如此不同?設計意圖:運用真實的生物學現象創(chuàng)設情境,引發(fā)學生認知沖突,激發(fā)學生的學習興趣和探

4、究欲,并促進學生聯系前概念,為新課學習做好鋪墊。32分析推理,提出蜜蜂發(fā)育差異的解釋在前述問題情境下,教師繼續(xù)提供資料2:如果基因的某個地方被加上一個甲基（甲基化）,這個基因的表達就會發(fā)生異常。研究發(fā)現,蜂王基因組甲基化的程度明顯低于工蜂。教師設問:從基因指導蛋白質合成的角度推測甲基化對基因的表達可能會產生什么影響?如果推測成立,能否嘗試從結構和功能的視角,解釋為什么蜂王和工蜂具有相同的基因,但是細胞分化方向不同?設計意圖:通過引導學生對資料的分析和推理,讓學生嘗試運用已經學過的知識、觀念解釋DNA分子甲基化對基因表達的影響,并進一步運用結構和功能相統(tǒng)一的觀點,思考甲基化應該是通過對DNA結構

5、的影響而導致基因表達出現差異。33合作學習,揭示DNA甲基化對基因表達的影響機制教師呈現資料3:DNA甲基化可由一種叫Dnmt3蛋白的酶催化,它是Dnmt3基因的表達產物,能在沒有被甲基化的DNA區(qū)域添加甲基基團。研究發(fā)現,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。教師引導學生溫故“迎”新:請學習小組用軟磁貼在小黑板上拼裝Dnmt3基因指導Dnmt3蛋白合成過程中遺傳信息的流向圖,回憶并補全中心法則,最后小組之間進行展示交流和質疑互評。設計意圖:在新舊知識相互聯系的基礎之上,引導學生沿著“Dnmt3基因一相應的酶一DNA甲基化一表觀遺傳”的認知路徑,進一步深化對中心法

6、則的理解,同時領悟“基因表達產物又會反過來影響基因表達”的科學結論,建立生命系統(tǒng)的整體觀和事物普遍聯系的哲學觀。34類比概括,揭示表觀遺傳規(guī)律教師提問: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?在學生思考時,教師提供教材中柳穿魚花的圖文材料。通過下列問題,引導學生探討:柳穿魚花型改變的分子機制是什么?基因中堿基的排列順序會改變嗎?“表觀”的改變可遺傳嗎?你有可靠證據嗎?表觀遺傳如何在細胞和個體的世代間傳遞?你能用自己的語言給表觀遺傳下定義嗎?為了幫助學生思考,教師再提供資料4、5。資料4:組蛋白修飾和腫瘤的關系成為當前研究的熱點。

7、染色質基本結構單位是核小體,它由DNA和五種組蛋白形成的。通過修飾組蛋白N端尾區(qū)（如甲基化、泛素化、巴豆?；⒁阴；⒘姿峄DP核糖基化、糖基化和類泛素化等），可以改變染色質的狀態(tài)以及調控基因的表達,進而引起腫瘤的發(fā)生與發(fā)展。資料5:世界上每只玳瑁貓的毛色都是獨一無二的,而且沒有規(guī)律。研究發(fā)現控制玳瑁貓黃色和黑色毛色的基因位于X染色體上,個體發(fā)育過程中X染色體中會有一條隨機失活,使玳瑁貓的毛色呈黃、黑花斑狀分布,非編碼RNA參與這一過程。教師繼續(xù)引導學生思考:除了DNA甲基化,還有什么原因可以導致表觀遺傳?表觀遺傳機制的發(fā)現是一蹴而就的嗎?表觀遺傳修飾會只有這幾種嗎?接著引導學生分組解釋下

8、列問題:為什么遺傳背景相同的同卵雙胞胎在成長過程中會出現表現型差異?為何長期規(guī)律、重復的運動可以延緩衰老,降低疾病發(fā)病率?為什么孕婦孕期營養(yǎng)不良,孫輩患肥胖和糖尿病的風險更大?為什么毒品成癮可遺傳給后代?設計意圖:通過材料的分析引起認知沖突,引發(fā)學生進一步的思考,并嘗試自主構建“表觀遺傳”概念。通過關于表觀遺傳機制的材料分析和問題探討,既可以讓學生感受知識的形成過程,又可以進一步理解科學是需要證據的。通過案例分析,能夠運用表觀遺傳的知識解釋生活中的現象,認識到健康的生活方式、良好的飲食習慣對人類及后代的健康都有長遠的影響,從而確立健康生活的態(tài)度。35遷移運用,深化認識細胞分化的本質同一生物體不

9、同類型體細胞中基因相同,而形態(tài)、結構和功能各異,這是為什么?以雞的部分種類細胞中基因和相應mRNA的存在情況檢測結果為材料（表1）,教師提問:種組織細胞為什么結構和功能不一樣?同一生物體不同類型體細胞中基因相同,而形態(tài)、結構和功能各異,這是為什么?細胞分化的本質是什么?可能有什么原因導致基因的選擇性表達?設計意圖:學生在之前學習了細胞分化的概念、特點等,但是還不知道細胞分化的本質。在學習了基因表達和表觀遺傳相關知識后之后,學生認識到表觀遺傳修飾可以調控基因表達,于是通過設計問題串為學生搭建“支架”使學生主動運用剛學習的表觀遺傳知識揭示細胞分化的本質,讓學生初步體會作為一個發(fā)現者的樂趣,并促進學

10、生勇于自由表達、交流,深刻認識到表觀遺傳調控細胞分化,提升科學思維能力。36提煉升華,探討環(huán)境對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的正常蜂王相似DNA甲基化有關。資料7:同一株水毛茛,裸露在空氣中的葉和浸在水中的葉,表現出兩種不同的形態(tài)。教師提出:結合表觀遺傳概念,基于對資料的分析,大家談一談環(huán)境可能是如何影響生物體的性狀?這對你認識人類目前面臨的環(huán)境問題有哪些啟示?設計意圖:環(huán)境因素通過表觀遺傳影響生物的性狀是環(huán)境對生物性狀影響的重要方面。通過設置開放性問題,引導學生基于

11、表觀遺傳規(guī)律,進一步深化認識環(huán)境對生物性狀的影響,并促進學生提高主動關注生物學相關社會問題的意識。37課堂小結,歸納建構教師設置問題串:蜂王和工蜂基因相同,結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生可遺傳變異,你同意這個觀點嗎？為什么？引導學生運用關鍵詞將“Dnmt3酶、DNA甲基化、組蛋白甲基化、組蛋白乙酰化、表觀遺傳修飾、表觀遺傳、環(huán)境因素、基因選擇性表達、細胞分化、”等概念名詞聯系起來,自主進行歸納建構,形成概念圖。堂伊始提出的問題使學生回顧本節(jié)課的學習內容,再通過構建概念圖的活動,幫助學生實現知識結構化和系統(tǒng)化,并能深刻認識到表觀遺傳修飾是實現基因選擇性表達以至于導致細胞分化的重要途徑,從而能在中心法則基礎上,加深和拓寬對基因表達的理解,認同“科學知識是暫時的,不斷變化發(fā)展”的科學本質觀,并進一步提升學生的元認知能力。4教學反思在本節(jié)課的教學中,教師通過提供事先精心準備的多種文本資料,引導學生通過合作和探究等方式,運用多種科學思維如分析推理