论证式教学在高中生物学教学中的应用

摘要

以“表观遗传”为例，聚焦论证式教学在高中生物学教学中的应用价值，深入剖析其教学规律。从教学视角看，论证式教学目标包括：培养学生科学思维、论证能力以及对生物学知识的深入理解等。基于目标，建构论证式教学模型，将教学过程分解为提出问题、搜集证据、形成主张和质疑反驳等环节，引导学生主动参与知识建构，进而提升其逻辑推理与批判性思维。同时，结合教学实践案例展示具体实施步骤与效果，凸显论证式教学在激发学生学习兴趣、提高生物学学科素养方面的显著优势，从而为高中生物学教学方法的创新提供新思路。

Graphical abstract

关键词

表观遗传 / 基因 / 论证式教学 / 科学思维 / 教学设计

“表观遗传”选自人教版高中生物学必修2《遗传与进化》（2019年版）第4章的第2节。与旧教材相比，标题从“基因对性状的控制”改为“基因表达与性状的关系”，并新增了“表观遗传”等相关知识点。新课标对该节课的要求为“概述某些基因中碱基序列不变但表型改变的表观遗传现象”^［1］。教材以植物和动物两个实例为代表，从中归纳出“表观遗传”的概念，这为该节课的论证教学提供了较为充足的材料。“表观遗传”的内容承上启下，既回答了“基因是如何实现选择性表达的”这一问题，又体现了基因、基因表达产物、环境之间的网络关系。目前，表观遗传学仍处于发展阶段，其类型与机制尚待完善，凸显了科学知识随研究的深入而不断演变的本质。

1 学习目标

（1） 分析经典遗传学、表观遗传学和非表观遗传学的典型材料，阐释什么是“表观遗传”。

（2） 能基于遗传学的发展事实，认同科学知识是不断发展变化的；能够阐明基因、环境和性状之间的关系。

（3） 论证吸烟的危害，认识到不良生活习惯对自己和后代的影响，向他人宣传健康的生活方式，形成珍爱生命的情感理念。

2 教学策略

采取论证式教学策略，为发展学生科学思维提供脚手架。在课堂开展论证活动时，学生可以像科学家一样经历评价资料、提出主张、为主张进行辩驳等过程^［2］，这与生物学“核心素养为宗旨”的课程理念一致。

图尔敏论证模型包括资料、论据、支持、反驳、限制条件、主张6大因素^［3］。由于图尔敏的模型论证过程要素过多，给其实际应用带来了一定的困难。在此基础上，美国学者麦克尼尔提出了CER（Claim-Evidence-Reasoning）论证模型，该模型包括证据、推理和主张3个要素，其逻辑框架如图1所示。

CER模式被国际科学教育界普遍应用于课堂教学之中，因其简洁性和实用性，更便于广大师生在教学中采用。参考潘瑶珍^［4］的简化模型，笔者结合学科特点，以CER模型为主体，再次修改了模型（图2）。

3 教学过程

3.1 回顾旧知，引发冲突，示范论证

【资料1】用高茎豌豆植株和矮茎豌豆植株杂交，F₁总是高茎；在F₁高茎植株自交得到的F₂中，高茎植株与矮茎植株的比例约为3∶1^［5］。

【资料2】柳穿鱼花的形态结构有两种。用A、B两植株杂交时，发现F₁的花与植株A相像；在F₁植株自交得到的F₂中，大多数植株的花与植株A相像，而少数植株的花与植株B相像^［5］。

要求学生用孟德尔分离定律写出两份资料的遗传图解。在此，只需要简单地展示柳穿鱼植株杂交的情况即可，目的是先复习经典遗传学的分离定律，以便为认知冲突奠定基础。待学生写出遗传图解后，再呈现资料2的相关数据：F₂中与植株A相像的有34株，与植株B相像的有5株。利用资料1回顾经典遗传学的同时，又利用资料2去挑起学生对经典遗传学的质疑，引发学生的认知冲突。

3.2 分析资料，进行推理，科学论证

对于资料1，学生基于已有知识不难归纳出以下论证内容，如图3所示。

学生对资料2较为陌生，教师要适时引导学生：控制柳穿鱼花形态结构的基因是否发生改变？学生主动阅读教材，发现柳穿鱼花型与Lcyc基因的表达有关，但F₂数据又不符合3∶1的规律，于是学生可能会提出基因突变或基因在表达过程中出现了差异的猜想。基于学生可能提出的猜想，教师提供以下证据支持。

【证据1】对柳穿鱼的Lcyc基因进行测序，发现两株植株的Lcyc碱基序列一模一样。

【证据2】利用原位杂交技术对Lcyc基因转录情况进行检测，发现植株A开花时可检测到该基因转录形成的mRNA，但植株B未检测到相应的mRNA。

【证据3】科学家揭示了柳穿鱼花型改变的分子机制：植株A的Lcyc基因甲基化水平低，基因能正常表达；植株B的Lcyc基因甲基化水平高，基因不表达。

学生基于以上证据讨论柳穿鱼花型改变的原因，归纳出论证过程（图4）；据此，教师进一步总结出柳穿鱼花F₁与植株A相像、F₂只有少数植株与植株B相像的原因。

【资料3】思考小鼠毛色的遗传与A^vy 基因的关系^［5］。讨论小鼠性状改变的原因，完成以下论证框架（图5）。

基于以上资料的学习，教师可以适时引导学生归纳“表观遗传”的概念；与经典遗传学相比，思考“表观遗传”的物质基础是什么，并简单拓展DNA甲基化。

【学生活动】小组交流归纳，进行填空。“表观遗传”是指生物体的保持不变，但发生的现象。柳穿鱼的基因和小鼠的基因的没有发生改变，但部分碱基发生了，“表观遗传”的物质基础应该是。

【教师拓展】启动子相当于真核细胞基因转录的开关，DNA甲基化一般是在启动子的胞嘧啶上通过共价键结合的方式获得一个甲基基团。DNA甲基化就像给碱基戴上了一顶帽子，使得相应的基因不能被看见，进而失去转录活性，无法进行表达。DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA调控等发生在DNA序列外的变化，被称为表观遗传修饰，虽然能够遗传，但并不稳定。

【小结】教师引导学生填写表格，总结经典遗传学和表观遗传学的区别与联系。最后，引导学生对以上论证过程作出总结，完成如图6所示的论证框架。

3.3 练习论证，解释现象，训练思维

【训练1】雌蜂幼虫出生后，能持续取食蜂王浆的幼虫发育为蜂王；只能取食花粉和花蜜的幼虫发育为工蜂。蜂王浆为什么具有决定蜜蜂命运的魔法呢？科学家发现DNMT3蛋白是一种DNA甲基化转移酶，将蜜蜂幼虫的DNMT3基因敲除，幼虫也能发育为蜂王（与取食蜂王浆的结果一样）。研究发现：蜂王和工蜂脑中的DNA甲基化谱不同，而敲除了DNMT3基因的蜜蜂脑中的DNA甲基化谱与喂食蜂王浆发育来的蜂王相似。

由相同基因型幼虫发育来的蜂王和工蜂，它们巨大的表型差异与营养条件有什么关系？根据材料，完成如图7所示论证过程。

【教师补充】关于营养条件如何通过“表观遗传”导致蜂王和工蜂的分化，还有很多其他的不确定因素，但蜜蜂的异型分化说明基因并不是解释一切性状的唯一原因。

【训练2】阅读课本的“思维训练”^［5］，思考为什么残翅果蝇幼虫在高温下培养能得到翅长接近正常的果蝇成虫。

在经过该节“表观遗传”知识洗礼后，学生可能会囿于“表观遗传”角度，对此教师应及时强调“表观遗传”的特点，提示学生果蝇翅的发育是否需要酶参与催化反应？酶的合成和基因有什么关系？酶的活性受哪些因素影响？学生能够联系前面学过的知识，包括生物体内的生化反应需要酶的催化、基因控制酶的合成来控制代谢、酶活性受到环境因素的影响等，重新对材料进行分析：果蝇翅形的变化可能是催化翅发育的相关酶活性受温度影响造成的。

【补充与拓展】上述研究成果来自发表在Genetics杂志上的文章《果蝇残翅种在高温下的发育》，作者李汝祺是我国著名的遗传学家，曾师从遗传学大师摩尔根。你认为基因与生物体的性状之间是什么关系？学生展开讨论，绘制关系图，并举例说明。提出这一问题，主要是引导学生全面客观地评价基因决定生物体性状这一说法。

3.4 应用论证，提出建议，担当责任

【教师设疑】“表观遗传”使生物打破DNA变化缓慢的束缚，让后代快速获得亲代因环境适应而产生的性状改变。然而，这对生物种群的生存和繁衍一定是有利的吗？

以吸烟为例，基于“表观遗传”的知识，认识吸烟的危害，设计向亲友科普吸烟危害（或戒烟）的方案。此环节的设置是希望提高学生知行合一的能力，基于事实和数据认识吸烟与肺癌的关系，切实通过各种可行的手段向他人科普吸烟危害，同时也为班级学生敲响警钟。

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2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020.

[2] 何嘉媛，刘恩山.论证式教学策略的发展及其在理科教学中的作用［J］.生物学通报，2012，47（05）：31-34.

[3] TOULMIN S E.The uses of argument［M］.London：Cambridge University Press，1958.

[4] 潘瑶珍.科学教育中的论证教学［D］.上海：华东师范大学，2013.

[5] 人民教育出版社，课程教材研究所.普通高中教科书生物学必修2·遗传与进化［M］.北京：人民教育出版社，2019.

基金资助

广西教育科学“十四五”规划2024年度专项课题“素养导向的广西生物学学业水平选择性考试多模态情境化试题命制与测评研究”(2024ZJY1136)

广西教育科学“十四五”规划2025年度课题“基于STEAM教育的中学生物学实验跨学科教学策略与资源应用研究”(2025C242)