基于理性思維培養的有絲分裂實驗設計

李 佳

(首都師范大學生命科學學院 北京 100048)

郭琪琦

(廣東省深圳市第二實驗學校 518021)

1 問題的提出

“觀察根尖分生組織細胞的有絲分裂”是人教版高中生物學教材必修1《分子與細胞》的實驗，實驗的目的是通過對細胞分裂圖像的觀察，識別有絲分裂的不同時期，并比較細胞周期在不同時期的時間長短。然而，由于該實驗操作過程比較復雜，解離、漂洗等操作的處理時長不易掌控，學生實驗的結果往往并不理想，難以在視野中找到處于各個時期的清晰的細胞圖像，進而影響對細胞周期的深入研究。而且，學生在之前的“觀察DNA和RNA在細胞中的分布”“用高倍鏡觀察葉綠體和線粒體”、“質壁分離及復原的觀察”等實驗中，已經掌握了制作臨時裝片的基本方法，并做過兩次染色實驗，再在“觀察根尖分生組織細胞的有絲分裂”實驗中制作臨時裝片，屬于同一實驗操作技能的重復，既不利于學生的多種核心素養的培養，也容易導致學生對實驗失去興趣。

美國《新一代科學教育標準》將“建立和使用模型”“分析和解釋數據”列入能夠促進學生理解學科核心概念的核心科學實踐活動[1]。我國2017年頒布的“普通高中生物學課程標準”將培養學生的理性思維作為生物學科的核心素養之一，其中運用圖示或模型等方式表達闡明生物學規律屬于較高水平的理性思維。因此，培養學生包括數學方法和模型方法的理性思維就顯得尤為重要[2]。在“觀察根尖分生組織細胞的有絲分裂”實驗中通過建立和使用模型去識別觀察到的細胞圖像，通過估測細胞周期的持續時間來訓練學生分析和解釋數據的能力，更能夠發揮該實驗在培養學生理性思維方面的功能。

基于此，本文借鑒美國主流生物學實驗教材[3]，用根尖細胞有絲分裂固定裝片替代學生的自制裝片，以培養學生理性思維為目的，對人教版有絲分裂實驗進行優化設計。

2 有絲分裂實驗設計

本實驗分為兩部分：實驗一建立數學模型有絲分裂樹，讓學生利用有絲分裂樹對有絲分裂過程進行識別和分析，數學模型的運用可以將感性的經驗轉化為理性的分析；實驗二估測細胞周期的持續時間，在人教版實驗的基礎上，對實驗數據的收集和處理進行了細化和深化，以提高學生收集和處理數據的能力。

2.1 實驗一：識別有絲分裂的各個時期 用圖1中的有絲分裂樹去識別圖2中細胞周期的不同分裂時期。

圖1 有絲分裂樹

圖2 識別細胞周期的不同分裂時期

2.2 實驗二：估測細胞周期的持續時間 觀察細胞有絲分裂固定裝片，從裝片中可以觀察到很多細胞正處于某一分裂時期，也可以觀察到處于有絲分裂各個時期的細胞數目。用以上數據可以估測細胞周期中各時期的相對持續時間。

(1) 學生獨立進行實驗。每個人使用的材料有：一個洋蔥根尖細胞有絲分裂固定裝片和一臺復式顯微鏡。用高倍鏡觀察裝片。將視野對準洋蔥根尖部分，洋蔥根尖中會有許多細胞正在進行有絲分裂。老師幫助學生學會如何確定裝片的最佳視野。

(2) 利用洋蔥根尖細胞有絲分裂的各個時期的裝片，計算視野中處于不同分裂時期的細胞數目。將結果記錄在表1。

(3) 對步驟(2)進行兩次重復實驗(這樣會得到3個不同視野中洋蔥細胞的總數目)，將2次實驗的結果都記錄在表1。

(4) 計算每個視野中的細胞總數，并將結果記錄在表1。

(5) 計算細胞周期各時期細胞數目占的百分比。①計算5個階段細胞數目之和。細胞總數=間期+前期+中期+后期+末期；細胞總數=________。②分裂間期的細胞數目除以第一步計算得到細胞總數，然后乘以100。(間期細胞數/細胞總數)×100 =________%。③用第二步的方法計算剩余四個階段的細胞數目占細胞總數的百分比。將結果記錄在表1。

(6) 用表1的數據回答下列有關各個細胞分裂時期的時間長短的問題。你認為哪個時期最長？你認為哪個時期最短？你認為哪些階段的時長大致相同？如果有的話，將這些時期列出。

表1 細胞周期觀察結果

(7) 表2中有洋蔥細胞周期各個分裂時期時長的實驗數據，你的計算結果和這些數據是否相符？回答并解釋。

表2 洋蔥細胞周期中各分裂時期時長的實驗結果

3 實驗分析

3.1 實驗注重培養學生建立和使用模型解決問題的能力 實驗一利用數學決策樹對有絲分裂的過程和知識進行梳理，建立了有絲分裂樹模型，將感性的經驗和現象轉化為理性的分析。學生在使用模型識別有絲分裂時期的過程中，建模解決問題的意識會滲透到學生的頭腦中，有助于學生學習如何建立模型解釋生物學現象，拓寬學生解決問題的思路，提高學生的理性思維。

另外，有絲分裂不同階段的識別歷來是高考重點之一。學生對該部分內容的學習多為對文字描述內容的識記。格式塔心理學早已證明學習中掌握關系的重要性，意義識記要比機械識記效果好得多[4]。實驗一利用有絲分裂樹識別有絲分裂的不同時期，使有絲分裂的過程非常清晰，一目了然。顯然，相較于堆積的文字，有絲分裂樹更有利于學生快速準確地提取信息，便于學生理解和記憶。

3.2 實驗注重培養學生收集、處理和解釋數據的能力 實驗二估測細胞周期的持續時間將重點放在培養學生收集、處理和解釋數據的能力，旨在加強學生理性思維的培養。因此，實驗二對人教版實驗做出了以下改進：①人教版實驗觀察的樣本數為兩組，本實驗讓學生觀察3個顯微鏡視野中的處于不同分裂時期的細胞個數，這符合生物科學研究中至少做3組重復實驗的原則，可以減小誤差，使實驗數據更加準確。②人教版實驗僅要求學生回答處于哪個分裂時期的細胞最多，而本實驗則讓學生對數據有了更全面的分析，找出了持續時間最長和最短的時期，并比較了持續時間相近的時期。③本實驗給出了經反復驗證過的洋蔥細胞周期中各分裂時期時長的實驗數據，讓學生用自己的數據和該數據進行比較，分析自己獲取數據成敗的原因。加深了學生對數據獲取過程的思考和解釋。

3.3 實驗步驟詳細，可操作性更強 人教版實驗也讓學生估測細胞周期的持續時間，但是教材內容過于簡潔，沒有引導學生全面地獲取數據，以及深入地分析解釋數據。因此，本實驗設計對步驟進行了細化，逐步引導學生收集和分析數據，使之對學生更有指導意義，正確而必要的指導可以增加學生的實驗成功率，提升學生的成就感和學習興趣。

綜上所述，本文設計的有絲分裂實驗將實驗教學的重點轉移到了培養學生的理性思維上。在高中生物學實驗教學中，讓學生建立和使用模型，分析和解釋數據，體現了生物學科的科學性，符合高中生的心理特征和認知水平，能夠培養學生的理性思維。且實驗設計增強了可操作性，有助于培養學生的實驗興趣。