基于SOLO分類理論的論證式教學(xué)

黃子萍

［摘 要］教師圍繞“基因表達(dá)與性狀的關(guān)系”一節(jié)第2課時“表觀遺傳”的內(nèi)容，運用論證式教學(xué)策略，引導(dǎo)學(xué)生分析實驗證據(jù)及相關(guān)生物學(xué)現(xiàn)象，讓學(xué)生像科學(xué)家一樣提出主張，并進(jìn)行推理和論證，構(gòu)建表觀遺傳概念模型。在此過程中，教師運用SOLO分類理論對學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展水平進(jìn)行評價，將論證式教學(xué)與科學(xué)思維的過程性評價進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)以評促教。

［關(guān)鍵詞］論證式教學(xué)；SOLO分類理論；表觀遺傳

［中圖分類號］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）14-0076-04

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中明確指出，科學(xué)思維是指尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實的求知態(tài)度，運用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物、解決實際問題的思維習(xí)慣和能力。教師在高中生物學(xué)教學(xué)中要尤為注重對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)。

教材中呈現(xiàn)的研究實例篇幅有限，學(xué)生在學(xué)習(xí)新知識的過程中需要借助教師提供的研究資料錘煉科學(xué)思維，并運用所學(xué)知識解決實際問題。以人教版高中生物學(xué)必修2第4章第2節(jié)第2課時“表觀遺傳”這部分內(nèi)容為例，學(xué)生已經(jīng)了解到基因可以控制生物的性狀，甚至產(chǎn)生“基因與性狀一一對應(yīng)”的認(rèn)知，而“表觀遺傳”部分新增的內(nèi)容相對微觀、抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中面對認(rèn)知沖突時會產(chǎn)生困惑，同時內(nèi)心也充滿了求知欲，但他們推理論證的能力有限，難以通過少量的生物學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行概念建構(gòu)，更難以理解基因、性狀與環(huán)境之間的關(guān)系。因此，教師可以基于教材進(jìn)行拓展延伸，給學(xué)生提供多樣的研究資料，幫助學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，同時還應(yīng)密切關(guān)注學(xué)生在此過程中論證推理、應(yīng)用知識等方面的表現(xiàn)，必要時給予適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)和幫助，以促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。在此過程中，教師應(yīng)運用SOLO分類理論對學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展水平進(jìn)行評價，并將論證式教學(xué)與科學(xué)思維的過程性評價有機(jī)結(jié)合，以實現(xiàn)以評促教。

一、論證模型和SOLO分類理論

生物學(xué)知識源于現(xiàn)象觀察和實驗研究。為了促進(jìn)學(xué)生對生物學(xué)知識的理解以及對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識，生物教師應(yīng)引領(lǐng)學(xué)生體驗科學(xué)家的論證工作。而論證式教學(xué)恰能滿足這一要求，更能有效提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。在論證式教學(xué)的眾多模型中，CER論證模型（見圖1）與表觀遺傳概念的建構(gòu)過程契合度較高，都是將自然界中的生物學(xué)信息或數(shù)據(jù)作為證據(jù)（Evidence），并通過推理（Reasoning）來解釋證據(jù)對主張（Claim）的支持，注重邏輯關(guān)聯(lián)，有助于學(xué)生提升演繹推理、建構(gòu)模型、歸納總結(jié)等科學(xué)思維能力。

SOLO分類理論將學(xué)生的思維水平從低到高分為5個結(jié)構(gòu)層次：前結(jié)構(gòu)水平、單點結(jié)構(gòu)水平、多點結(jié)構(gòu)水平、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平和拓展抽象結(jié)構(gòu)水平。SOLO分類理論可用于評價學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的階段和水平。

在論證式教學(xué)中，學(xué)生要分析證據(jù)，演繹推理，得出主張并修正主張。在建構(gòu)“表觀遺傳”這一核心概念的過程中，學(xué)生的認(rèn)知水平和科學(xué)思維都在發(fā)生動態(tài)變化。因此，筆者借助SOLO分類理論，結(jié)合“表現(xiàn)遺傳”一課的教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計了基于科學(xué)思維的SOLO分類評價量表，應(yīng)用于教學(xué)評價中。同時，將SOLO分類理論與論證模型相結(jié)合，聚焦學(xué)生論證主張、建構(gòu)概念的過程，為有效開展論證式教學(xué)的過程性評價奠定基礎(chǔ)。

二、“表觀遺傳”的論證式教學(xué)實踐

（一）創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

資料1：生活習(xí)慣不同的同卵雙胞胎，其表型及糖尿病的易感性存在差異，子代患相應(yīng)疾病的風(fēng)險也不同，研究表明，這與部分基因的表達(dá)水平變化有關(guān)。

教師引導(dǎo)學(xué)生討論，提出問題。學(xué)生提出問題：同卵雙胞胎為什么基因型相同而表現(xiàn)型不同？生活習(xí)慣及環(huán)境如何影響同卵雙胞胎的性狀？這些影響如何改變基因的表達(dá)水平？這些影響是否可遺傳？

學(xué)生閱讀教材第73頁“思考·討論”欄目中有關(guān)小鼠毛色遺傳的內(nèi)容。

根據(jù)Avy基因控制黃色，a基因控制黑色，AvyAvy與aa雜交，學(xué)生不難推測出子一代小鼠的基因型為Avya且理論上小鼠的毛色應(yīng)為黃色。教師圖片展示真實實驗結(jié)果，并提出問題：相同基因型的小鼠為何出現(xiàn)了多種毛色？引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合已有知識和實驗現(xiàn)象提出初步的主張。

學(xué)生通過學(xué)習(xí)經(jīng)典遺傳學(xué)得知，基因可通過基因表達(dá)產(chǎn)物控制生物性狀，因此他們認(rèn)為是由于基因中遺傳信息的改變（堿基序列改變）或表型受到不同環(huán)境的影響而導(dǎo)致小鼠毛色出現(xiàn)差異。

學(xué)生針對F1小鼠出現(xiàn)不同毛色的現(xiàn)象提出兩種主張：①F1小鼠基因序列發(fā)生改變；②F1小鼠所處環(huán)境不同，故表現(xiàn)出不同毛色。

教師補(bǔ)充資料2：實驗中F1小鼠所處環(huán)境相同，且Avy基因堿基序列的檢測結(jié)果相同（堿基序列不變），同時引導(dǎo)學(xué)生思考：如何驗證是否存在環(huán)境影響？學(xué)生提出主張：將子一代小鼠放在相同的環(huán)境中培養(yǎng)。教師提供相關(guān)實驗環(huán)境數(shù)據(jù)，說明實驗培養(yǎng)條件實際上是一致的。學(xué)生根據(jù)實驗證據(jù)進(jìn)行討論，進(jìn)一步修正主張，根據(jù)小鼠體色深淺變化的現(xiàn)象，推斷應(yīng)對F1小鼠的Avy基因表達(dá)水平進(jìn)行研究。

（二）基于證據(jù)，科學(xué)論證

教師引導(dǎo)學(xué)生分組圍繞相同基因型小鼠的毛色差異進(jìn)行深度學(xué)習(xí)和科學(xué)論證。

資料3：檢測不同F(xiàn)1小鼠Avy基因表達(dá)產(chǎn)物mRNA和對應(yīng)的Asp蛋白含量。

教師引導(dǎo)各小組分析實驗數(shù)據(jù)，得出結(jié)論：F1小鼠Avy基因的表達(dá)水平不同，表達(dá)水平越高，毛色越接近黃色；反之，F(xiàn)1小鼠的毛色越接近黑色。教師補(bǔ)充資料4，從DNA甲基化水平分析基因表達(dá)水平發(fā)生變化的原因。

資料4：不同F(xiàn)1小鼠Avy基因的甲基化水平。

教師進(jìn)一步提出問題：這種Avy基因DNA甲基化水平是否可以遺傳？如何進(jìn)行研究？

學(xué)生由孟德爾測交實驗思路獲得啟發(fā)，提出可通過測交實驗分析DNA甲基化的可遺傳性，并給出設(shè)計思路。

資料5：對F1小鼠進(jìn)行測交，觀察并統(tǒng)計測交子代中Avya小鼠的體色。

學(xué)生以小組為單位進(jìn)行合作，結(jié)合以上資料進(jìn)行論證，提出主張（見圖3）。

資料6：將小鼠分為實驗組和對照組，實驗組小鼠在孕期飼喂富含甲基的食物，對照組則不做處理，發(fā)現(xiàn)實驗組小鼠的后代中深色個體比例更高。

學(xué)生通過對資料的分析，歸納總結(jié)出DNA甲基化的特點：不改變基因堿基序列、可改變基因表達(dá)水平、可改變生物表現(xiàn)型、可遺傳、容易受到環(huán)境的影響。

教師為學(xué)生的論證提供邏輯嚴(yán)密的“腳手架”，讓學(xué)生基于已有知識分析實驗現(xiàn)象，并通過演繹推理，不斷提出主張，尋找證據(jù)，在進(jìn)一步的反駁中體會推理的不易和科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹匾浴?/p>

（三）歸納模型，完善主張

通過對上述真實研究證據(jù)的論證，學(xué)生總結(jié)出了DNA甲基化的特點，并用自己的語言總結(jié)提煉了表觀遺傳的概念。對此，教師進(jìn)一步通過板書引導(dǎo)學(xué)生回顧基因表達(dá)的過程，并提出問題：DNA甲基化如何調(diào)控基因的表達(dá)？

學(xué)生運用拉鏈和文件夾建構(gòu)DNA甲基化模型，教師引導(dǎo)學(xué)生思考和總結(jié)該模型的特征及內(nèi)涵，并歸納DNA甲基化對基因表達(dá)的影響。

學(xué)生通過模型建構(gòu)以及觀看教師提供的動畫視頻，提出針對表觀遺傳調(diào)控基因表達(dá)的主張：DNA甲基化通過抑制基因轉(zhuǎn)錄來降低基因表達(dá)水平。

由研究性學(xué)習(xí)小組的成員展示環(huán)境因素影響DNA甲基化的研究及數(shù)據(jù)，其他小組討論，總結(jié)環(huán)境因素影響表觀遺傳的流程圖（見圖4），并嘗試提出建議。

資料7（節(jié)選）：吸煙會導(dǎo)致精子中DNA甲基化水平升高；高血糖和高血脂疾病與部分基因DNA甲基化水平有關(guān)，而不良飲食習(xí)慣、睡眠不足等會加重DNA甲基化程度，導(dǎo)致身體質(zhì)量指數(shù)（BMI）增加等。

經(jīng)過以上論證，學(xué)生能充分認(rèn)識到：與經(jīng)典遺傳學(xué)中基因控制生物性狀有所不同，在表觀遺傳中DNA甲基化在基因堿基序列不變的情況下，可對基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)控，并且受到環(huán)境因素的影響。進(jìn)而學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識到健康生活的重要性。

（四）應(yīng)用概念，解決問題

待學(xué)生對表觀遺傳的概念和調(diào)節(jié)生物性狀的模型有初步的認(rèn)識后，教師創(chuàng)設(shè)真實的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生運用概念和知識解決實際問題。

情境1：在研究克隆猴的過程中，我國研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)克隆胚胎基因組上存在大量的基因H3K9三甲基化，同時組蛋白乙?；捷^高，這些問題影響了胚胎的發(fā)育，已知去DNA甲基化酶可催化去DNA甲基化的反應(yīng)，組蛋白乙酰化酶可催化組蛋白修飾相關(guān)反應(yīng)。

學(xué)生分組討論，結(jié)合表觀遺傳、酶的作用等相關(guān)知識，提出問題解決思路。教師援引資料：我國研究團(tuán)隊在培育克隆猴“中中”和“華華”的過程中，給它們注射了去甲基化酶Kdm4d和組蛋白乙?；敢种苿㏕SA，最終克服了表觀遺傳修飾的障礙，使得克隆胚胎的發(fā)育得到優(yōu)化。學(xué)生提出的問題解決思路與這一結(jié)果相吻合，使學(xué)生獲得了突破真實科研困境的成就感。

情境2：對同卵雙胞胎患某種糖尿病的風(fēng)險差異及相關(guān)基因表達(dá)情況的研究表明：PDX-1基因、瘦素基因的表達(dá)水平異常。已知這兩種基因表達(dá)異常分別與組蛋白修飾、DNA甲基化有關(guān)，據(jù)此，你能提出什么解決辦法？

學(xué)生根據(jù)研究資料進(jìn)行討論，運用表觀遺傳知識提出疾病治療、預(yù)防的思路，增強(qiáng)了學(xué)生的科學(xué)思維能力和社會責(zé)任感。

三、基于SOLO分類理論的教學(xué)評價

本節(jié)課的教學(xué)聚焦表觀遺傳現(xiàn)象，為學(xué)生提供了豐富的課外研究真實數(shù)據(jù)和資料，旨在創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生像科學(xué)家一樣去推理、論證，在討論中修正主張。

為了解學(xué)生完成課堂學(xué)習(xí)后所達(dá)到的認(rèn)知水平，筆者基于SOLO分類理論，依據(jù)學(xué)生的科學(xué)思維發(fā)展水平對應(yīng)的四種層次按照由低到高的順序設(shè)計了科學(xué)思維發(fā)展水平評價量表（見表1）

值得注意的是，有部分學(xué)生的科學(xué)思維發(fā)展水平是介于兩個水平之間的，且具有明顯的個體差異，因此教師在運用上述量表進(jìn)行評價時還需要關(guān)注學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”，了解學(xué)生已經(jīng)達(dá)到的科學(xué)思維發(fā)展水平，以及需要借助其他力量才能達(dá)到的科學(xué)思維發(fā)展水平，進(jìn)一步反思課堂教學(xué)，以評促教。

此外，在本節(jié)課中，還可以通過小組合作互評、教師語言點評、隨堂紙筆評價等多元化方式對學(xué)生的論證分析、模型建構(gòu)、概念應(yīng)用等方面的表現(xiàn)進(jìn)行評價，聚焦學(xué)生論證過程中演繹推理、歸納總結(jié)能力的提升，并結(jié)合評價結(jié)果對后續(xù)教學(xué)做進(jìn)一步的優(yōu)化。

四、教學(xué)反思

本節(jié)課采用論證式教學(xué)策略，引導(dǎo)學(xué)生小組合作分析證據(jù)，并通過層層推理，論證及修正主張，同時建構(gòu)DNA甲基化模型，分析多種表觀遺傳現(xiàn)象的原因，最終使學(xué)生能夠有效建構(gòu)表觀遺傳的概念，提升科學(xué)思維能力。同時，教師還進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生分析環(huán)境對表觀遺傳的影響，總結(jié)歸納基因表達(dá)調(diào)控的原理，讓學(xué)生從學(xué)習(xí)經(jīng)典遺傳學(xué)的知識過渡到理解表觀遺傳現(xiàn)象，再到理解基因、性狀與環(huán)境之間的關(guān)系，進(jìn)而不斷完善主張。

此外，本節(jié)課以同卵雙胞胎及其后代患某種糖尿病的差異的大情境貫穿始終，引導(dǎo)學(xué)生體驗克隆猴科研難題、疾病治療問題等的解決思路，使教學(xué)目標(biāo)在實踐過程中得以落實。同時，運用SOLO分類理論對學(xué)生的科學(xué)思維發(fā)展水平進(jìn)行過程性評價，將論證式教學(xué)與科學(xué)思維的過程性評價有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)以評促教。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

［1］? 中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版［M］.北京：人民教育出版社，2018.

［2］? 陳欣，劉恩山.探索基于論證的探究教學(xué)途徑［J］.生物學(xué)通報，2016（10）：14-16.

［3］? 周忠芬，謝曉宏.“生物體存在表觀遺傳現(xiàn)象”的論證式教學(xué)設(shè)計［J］.生物學(xué)通報，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分類理論進(jìn)行“生物的協(xié)同進(jìn)化”論證式教學(xué)［J］.生物學(xué)通報，2021（11）：12-14.

（責(zé)任編輯 黃春香）

［基金項目］本文系廣西教育科學(xué)規(guī)劃2018年度專項課題“廣西普通高中生物學(xué)科教學(xué)關(guān)鍵問題實踐研究-3”（課題編號：2018ZJY238）的研究成果。