探究性課堂中的模型構建實例

摘要 根據創設的果蠅體細胞與配子染色體數的關系的具體情境，通過學生自主探究，建立減數分裂中染色體行為、數目變化的物理模型，進而建立該過程的模型。模型的構建過程將抽象的事物和過程具體化、形象化，可以大大提高知識的轉化效率。

關鍵詞 探究 物理模型 減數分裂

中圖分類號 G633.91 文獻標識碼 B

1課題背景

《減數分裂》是生物必修2《遺傳與進化》第二章第一節第一部分，考綱對本節知識的考查包括：（1）細胞的減數分裂；（2）動物配子的形成過程。考查要求為Ⅱ級，即理解所列知識和其他相關知識之間的聯系和區別，并能在較復雜的情境中綜合運用其進行分析、判斷、推理和評價。

配子的形成過程是本節的教學重點，減數分裂中染色體變化是教學的難點。本節知識與有絲分裂、基因的分離定律和自由組合定律、基因重組等知識的相關性很強，是學生解決遺傳和進化問題的基礎。為了突出該過程染色體行為和數目的變化，并掌握與之有關的重要概念，教學中宜采用形象直觀的教學方法。經過研究、比較，發現構建物理模型對理解減數分裂中染色體的行為變化十分有益。教師引導學生自主探究并設計染色體的物理模型，親自動手模擬該過程，將抽象的事物和過程具體化、形象化，大大提高了課本知識的轉化效率。在探究的過程中，學生的積極性很高，實實在在地發揮了他們的主體作用，充分契合了新課標的教育理念。

2構建物理模型法的簡介

模型方法是以研究模型來揭示原型的形態、特征本質和過程的方法，是人們認識自然界的一種重要方式，也是理論思維發展的重要方式。其在人們理解事物的本質、探索未知規律的過程中起著重要作用。在生物科學學習中，模型提供觀念和印象。模型的形式很多，包括物理模型、概念模型、數學模型等。以實物或圖畫形式直觀的表達認識對象的特征，這種模型就是物理模型。沃森和克里克制作的著名的DNA雙螺旋結構模型，就是物理模型，它形象而概括地反映了所有DNA分子結構的共同特征。

3教學方法

本節課的教學方法采用合作探究法、模型構建法、自主討論法。

4教學實施的程序

4.1引入

教師利用教科書問題引導學生探討，提出問題：配子的染色體和體細胞染色體有什么區別？針對圖1，你還能提出什么問題或猜想？

學生思考并討論。

學生甲：果蠅配子中染色體由每兩條形態大小相同的染色體中的一條組成。

學生乙：XY染色體是一對，但是特殊之處在于形態大小不同。

學生丙：從結果上看，配子中含有體細胞數目一半的染色體數，而且沒有形態大小相同的染色體。

教師給出同源染色體和減數分裂的概念：

果蠅體細胞中形態大小相同的染色體為同源染色體，XY也是一對特殊的同源染色體。從結果看，成熟生殖細胞中的染色體數比體細胞染色體數減半了，因此稱為減數分裂，減數分裂中發生了同源染色體的分離。進行減數分裂的細胞，稱為性原細胞，也叫原始生殖細胞。雄果蠅的原始生殖細胞稱為精原細胞，雌果蠅的原始生殖細胞稱為卵原細胞。

學生提問：配子中染色體數為什么要減半呢？

其他學生：受精時再把精子和卵細胞的染色體數加一起，就跟親代一樣了。

學生提問：那么，配子形成過程中是怎樣發生染色體數減半的呢？

教師：這個問題就是本節課要一起解決的問題。

4.2嘗試構建物理模型，模擬精子的形成過程

教師：以前后桌4人為1小組，請學生們利用手中的彩紙、雙面膠、毛線、剪刀等材料和工具，大膽想象，制作染色體的模型，模擬一下雄果蠅精子的形成過程中染色體的變化。

此環節是本節課的主要環節，是引導學生自主構建物理模型的過程。學生通過制作模型，感悟配子形成過程中細胞染色體數目和形態發生的一系列變化，并體會與有絲分裂過程中染色體變化的區別。教師應鼓勵學生大膽探索，充分想象，但又合理分析，有理有據，從而培養學生共同學習，團結合作的精神。

教師引導學生使用合適的材料進行模型的構建。

學生活動：大部分學生選用紙片或毛線模擬染色體，毛線模擬紡錘絲。

以下以用紙片模擬染色體為例。

確定選用的材料，制成染色體的模型。

以組為單位展示討論結果，即模擬該過程（邊展示邊用語言描述）。

小組1：我們用大小相同的紙條表示同源染色體，雄果蠅體細胞中有4組，其中3組兩兩大小相同，一組大小不同表示XY。在紙條中間畫上著絲點。毛線扎在著絲點的位置，表示紡錘絲。我們認為減數分裂沒有染色體復制，直接分裂。前期染色體在細胞內散亂分布，中期染色體著絲點排列在赤道板上，紡錘絲牽引染色體的著絲點，兩條同源染色體分別被拉向細胞的兩極。最終產生兩個子細胞，子細胞中沒有同源染色體。

其他組質疑：他們推測的分裂過程中沒有染色體復制，對嗎？

教師：同學們問得很好。有沒有與小組1模擬過程相同的？解釋一下這樣模擬的原因，為什么認為沒有染色體復制？

小組2：一開始覺得細胞分裂間期應該進行了染色體復制，即與有絲分裂相同，但是經過模擬我們發現，如果細胞進行了染色體復制，后期染色體著絲點分裂，子細胞染色體數就不能減半了，而是與體細胞相同。所以認為細胞中沒有發生染色體復制，而是直接進行了分裂。

其他組質疑：可不可以復制一次，分裂兩次？

教師；請這些組的同學展示你們的模擬過程。

小組3：我們制作的染色體大致相同，用形態大小相同的紅色紙條和綠色紙條來表示一對同源染色體，展示其染色體：兩個大小和顏色都相同的紙條，用雙面膠將著絲點的位置粘在一起，代表染色體在間期進行了復制。第一次分裂過程中期與有絲分裂過程相同，將粘在一起的同樣顏色的紙條分開代表著絲點分裂，姐妹染色單體分離，毛線代表的紡錘絲牽引著染色體的著絲點移向細胞的兩極，產生兩個相同的子細胞，每個細胞中含有與體細胞相同的染色體，即每種形態的染色體均含紅、綠兩種顏色的兩條。第二次分裂時，每個子細胞中，每條染色體的著絲點分別由紡錘絲牽引，大小相同代表同源染色體的紅、綠紙條分別移向細胞的兩極，最終的四個細胞中各含有同源染色體中的一條，即每個子細胞中只含有相同大小的紙條中的一種顏色（同源染色體中有紅無綠、有綠無紅）。

教師：其他組有沒有不同的方法和理解？

小組4：在第二次分裂時，紡錘絲牽引著絲點能保證同源染色體平均分配呢？會不會亂了？

教師：首先，減數分裂過程中確實是染色體復制一次、細胞分裂兩次。所以最終產生了4個子細胞。小組4提的問題很好，減數分裂最終的結果應該是將染色體平均分配，在兩次分裂中怎樣才能保證平均分配呢？大家再看一下老師重新給出的圖，看能不能有新發現？（提示：第二次分裂產生的兩個子細胞的染色體組成完全形同。）

其他小組質疑：剛才小組3的減數第二次分裂產生的子細胞染色體組成并不完全相同。小組3的減數第二次分裂產生的4個子細胞有一個3紅1綠，另外一個是3綠1紅，還有兩個是2紅2綠，而且減數第二次時代表XY的染色體分別進入兩個子細胞。而圖中的同時產生兩個含X的，或同時產生兩個含Y的。

教師：同學們觀察得很仔細。請同學們再討論，給出更合理的過程。

小組5：間期、第一次分裂前期、中期與有絲分裂過程相同，后期同源染色體分離分別移向兩極產生兩個子細胞；第二次分裂時，每條染色體的著絲點分裂，兩條染色單體由紡錘絲牽引移向細胞的兩極，因此最終形成兩種4個子細胞。

其他小組質疑：還是不清楚同源染色體是怎樣分開的？牽引著絲點可以保證姐妹染色單體平均分配，怎樣保證同源染色體分別移向兩極呢？

教師解疑：其實在減數分裂的第一次分裂中期，是同源染色體排列在赤道板的兩側而不是著絲點排列在赤道板上，由紡錘絲牽引使同源染色體分離，就保證了同源染色體的平均分配。

學生質疑：那么同源染色體是如何靠近排布在赤道板兩側的呢？

教師：減數第一次分裂的前期，同源染色體會相互靠近。請同學們以此為依據進一步完善該過程。

師生共同動手模擬減數分裂全過程。

教師：請同學復述該過程。

小組6：減數分裂間期，染色體復制。減數第一次分裂前期，核膜、核仁消失，染色體、紡錘體出現，同源染色體相互靠近；中期，同源染色體排列在赤道板的兩側；后期同源染色體分離。減數第二次分裂中期，染色體的著絲點排列在赤道板上；后期，著絲點分裂，姐妹染色單體分離；末期，細胞一分為二，共形成四個兩種子細胞。

在學生復述的過程中，教師給出聯會、四分體、初級精母細胞、次級精母細胞、精細胞等概念。

4.3師生共同總結減數分裂的特點

師生共同活動：一起看書，從書中完善對該過程的理解，如精細胞還需經過變形才能形成成熟的精子。

師生共同總結：減數分裂的特點。

減數分裂中染色體復制一次而細胞分裂兩次。

減數第一次分裂前期，發生了同源染色體的聯會，形成四分體；中期，同源染色體排列在赤道板的兩側，在紡錘絲的牽引下移向細胞的兩極，從而保證同源染色體的平均分配。減數第二次分裂中期，染色體的著絲點排列在赤道板上；后期著絲點分裂，姐妹染色單體分離；末期，細胞一分為二，產生兩個相同的子細胞。減數分裂的染色體減數的原因是同源染色體的分離。

5課后研討

該過程以學生建立減數分裂中染色體行為與數目變化的物理模型為主線，通過教師精心組織和引導，成功地將模型構建過程轉化成學生自主探究的過程，可以大大提高知識的轉化效率。在探究的過程中，學生的積極性很高，發揮了學生的主體作用，充分契合了新課標的教育理念。