基于科學(xué)思維的“精子的形成過程”教學(xué)探討

莊佩璇 林佳奕 胡繼飛

(廣東第二師范學(xué)院生物學(xué)院 廣州 510303)

1 內(nèi)容分析

本課選自人教版高中生物學(xué)必修2第2章第1節(jié),教材以染色體的形態(tài)、數(shù)目和位置的變化為線索，介紹了同源染色體、四分體和聯(lián)會(huì)等基本概念，以及精子的形成過程。其重要概念是“精子的形成過程”，相關(guān)的概念分析見圖1。

圖1 “精子的形成過程”概念分析圖

通過對(duì)精子的形成過程中同源染色體的聯(lián)會(huì)分離、非同源染色體的自由組合的學(xué)習(xí)，既承接了有絲分裂的內(nèi)容，又為下一節(jié)課“基因在染色體上”的類比推理、孟德爾規(guī)律的現(xiàn)代解釋作鋪墊，同時(shí)是后面基因重組、染色體變異和人類遺傳病等內(nèi)容學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)，對(duì)理解生物變異有重要作用。另外，精子和卵細(xì)胞的形成過程大致相同，學(xué)好這一課時(shí)，便于第二課時(shí)卵細(xì)胞形成過程的學(xué)習(xí)。

2 學(xué)情分析

通過初中的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)知道有性生殖的個(gè)體從受精卵發(fā)育而來，識(shí)別過人體細(xì)胞染色體圖譜，對(duì)“同源”和“成對(duì)”已經(jīng)建立了樸素概念。在必修1學(xué)習(xí)了“細(xì)胞的增殖”，知道細(xì)胞增殖的其中兩種方式——

有絲分裂和無絲分裂，掌握了有絲分裂中染色體數(shù)目和行為的變化，這對(duì)學(xué)生理解減數(shù)第二次分裂的過程有正遷移作用。但同時(shí)，該內(nèi)容對(duì)減數(shù)第一次分裂的學(xué)習(xí)有負(fù)遷移作用，學(xué)生容易混淆減數(shù)第一次分裂和有絲分裂中染色體行為的變化。另外，學(xué)生對(duì)同源染色體和姐妹染色單體的概念理解不透徹，常將兩者混淆。而在上一章的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)知道假說—演繹的方法步驟，但尚未嘗試用這一方法解決更多的生物學(xué)問題。

根據(jù)皮亞杰的兒童認(rèn)知發(fā)展階段論，高一學(xué)生思維達(dá)到了一定的抽象邏輯推理水平，具備較好的認(rèn)知能力、觀察分析能力及自主學(xué)習(xí)能力，能看懂減數(shù)分裂的圖解，可以對(duì)有絲分裂和減數(shù)分裂進(jìn)行分析比較。但他們無法從日常生活中獲得對(duì)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)變化的感性認(rèn)識(shí)，因而難以把握其本質(zhì)，在邏輯推理和抽象概括上還存在障礙，在習(xí)得智慧技能時(shí)，仍需要借助于直觀形象的手段如動(dòng)畫、圖解、模型等。

3 任務(wù)分析

現(xiàn)行高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本課的描述包括：“闡明細(xì)胞的減數(shù)分裂并模擬分裂過程中染色體的變化”和“舉例說明配子的形成過程”。“闡明”和“舉例說明”均屬于認(rèn)知領(lǐng)域的理解水平，要求學(xué)生能夠與已有知識(shí)建立聯(lián)系，同時(shí)把握精子形成過程中的內(nèi)在邏輯關(guān)系，從而解釋染色體行為的變化。“模擬”屬認(rèn)知領(lǐng)域的應(yīng)用水平，要求學(xué)生建構(gòu)精子形成過程中染色體變化的模型，從而對(duì)減數(shù)分裂的實(shí)質(zhì)達(dá)到較高水平的理解。

通過對(duì)教學(xué)內(nèi)容及學(xué)情的分析，結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)將本課的教學(xué)目標(biāo)確定為：

知識(shí)目標(biāo)：①從發(fā)生范圍、時(shí)間、特點(diǎn)、結(jié)果方面闡明減數(shù)分裂的概念；②區(qū)分姐妹染色單體和同源染色體，說出同源染色體和四分體的關(guān)系；③舉例說明精子形成過程中各個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)。

能力目標(biāo)：①通過逆推精子形成的過程，培養(yǎng)學(xué)生的逆向思維和知識(shí)遷移的能力；②通過構(gòu)建精子形成過程的物理模型和概念模型，培養(yǎng)建模的能力和語言表達(dá)能力。

情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：①積極參與模型建構(gòu)，提高生物學(xué)興趣；②通過小組合作學(xué)習(xí)，增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。

其中知識(shí)目標(biāo)是對(duì)課標(biāo)“闡明細(xì)胞的減數(shù)分裂”的細(xì)化和具體化，另外，知識(shí)目標(biāo)③還實(shí)現(xiàn)了“舉例說明配子的形成過程”，具有可操作性，有助于教學(xué)的形成性評(píng)價(jià)。能力目標(biāo)①為知識(shí)目標(biāo)提供思維支持，②的模型建構(gòu)是為“模擬減數(shù)分裂中染色體的變化”從而進(jìn)一步說明“配子的形成過程”，同時(shí)又是情感目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的途徑。

本課的重點(diǎn)是精子的形成過程，難點(diǎn)是減數(shù)分裂中染色體形態(tài)、數(shù)目和位置的變化。

4 教學(xué)策略

為培養(yǎng)學(xué)生的理性思維，減輕其認(rèn)知負(fù)荷，幫助其理解精子形成的抽象過程，有效構(gòu)建模型，體現(xiàn)“以學(xué)論教”的生本原則，本課的教學(xué)策略設(shè)計(jì)如下：①融入“假說—演繹”的教學(xué)策略。經(jīng)典的生物學(xué)理性思維方法當(dāng)推“假說—演繹推理”[1]。精子的形成過程作為重要的生命現(xiàn)象之一，是培養(yǎng)學(xué)生理性思維的極好材料。運(yùn)用假說—演繹這種科學(xué)探究的方法，將科學(xué)實(shí)驗(yàn)證據(jù)、復(fù)雜的生物學(xué)概念融合其中，讓學(xué)生以類似科學(xué)家的工作方法去發(fā)現(xiàn)、假設(shè)和推測(cè)，簡(jiǎn)約再現(xiàn)精子形成過程，自主發(fā)現(xiàn)染色體行為的變化。②采用“逆向推理”的教學(xué)策略。傳統(tǒng)的教學(xué)按教材的線性設(shè)計(jì)，循序漸進(jìn)地講解精子的形成過程，由于知識(shí)容量大、難度高，課堂容易變成教師的“一講到底”，學(xué)生被動(dòng)接受而形成僵化的思路，難以活化和結(jié)構(gòu)化精子的形成過程及其染色體的變化。逆向思維作為理性思維的重要組成部分，能夠破除這種思維定勢(shì)。在教學(xué)上執(zhí)果導(dǎo)因，由精子逆推到次級(jí)精母細(xì)胞，再逆推回到精原細(xì)胞，能夠幫助學(xué)生建立精子形成的內(nèi)在邏輯關(guān)系，提高學(xué)生知識(shí)遷移的能力和逆向邏輯推理能力。

5 教學(xué)過程

5.1 第一環(huán)節(jié)：創(chuàng)設(shè)情境，提出問題 教師講解受精作用的大致過程，并創(chuàng)設(shè)情境：如果精子和卵細(xì)胞也像體細(xì)胞一樣，具有23對(duì)染色體，那么，精子和卵細(xì)胞結(jié)合為受精卵時(shí)，染色體數(shù)是多少？(46對(duì)。)與原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)形成認(rèn)知沖突，激發(fā)起學(xué)生探究的欲望，意識(shí)到精子(卵細(xì)胞)的染色體數(shù)目需要減半，由此產(chǎn)生新的問題：精子的染色體數(shù)是如何減半的？

5.2 第二環(huán)節(jié)：分析問題，作出假設(shè) 小組討論、分析精子染色體數(shù)出現(xiàn)減半的原因可能有：①染色體不復(fù)制，直接分裂；②染色體復(fù)制一次，分裂兩次；③染色體發(fā)生融合。在學(xué)生充分討論后，由教師提供“花粉的四分體狀態(tài)圖”的證據(jù)支持，得出假設(shè)2更為合理，由此提出假說：精子形成的過程中，染色體只復(fù)制一次，分裂兩次。

5.3 第三環(huán)節(jié)：逆向演繹推理 順著學(xué)生得出的假說，教師先呈現(xiàn)精子和次級(jí)精母細(xì)胞的圖片，這時(shí)學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)這與有絲分裂末期和前期的狀態(tài)相似，于是教師先引導(dǎo)學(xué)生回顧舊知，逆推有絲分裂的過程：①有絲分裂的特征是什么？②哪個(gè)時(shí)期開始發(fā)生均等分配？③為保證后期均等向兩極分配，中期染色體發(fā)生什么變化？④復(fù)制發(fā)生在什么時(shí)期，同時(shí)按問題順序?qū)?yīng)呈現(xiàn)有絲分裂各時(shí)期模式圖(圖2)。如此，不僅培養(yǎng)學(xué)生對(duì)同一內(nèi)容有雙向的思維，而且為接下來逆推精子的形成提供思維基礎(chǔ)。

圖2 有絲分裂逆過程模式圖

緊接著，教師提供逆推精子形成的條件：有一種生物的精子只有2條染色體，它是通過怎樣的分裂得到的呢？并借機(jī)給出問題支架：①由一個(gè)次級(jí)精母細(xì)胞(2條)形成的兩個(gè)精子(2條)染色體是一樣的，那么次級(jí)精母細(xì)胞分裂后期是什么分開？②結(jié)合有絲分裂的模式圖，你發(fā)現(xiàn)了什么？能否由此推導(dǎo)次級(jí)精母細(xì)胞分裂中期和前期的染色體變化？③這個(gè)過程染色體數(shù)目有沒有發(fā)生減半，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)前面的假設(shè)，推導(dǎo)出精子到次級(jí)精母細(xì)胞的過程(圖3)。

圖3 次級(jí)精母細(xì)胞分裂的逆推模式圖

學(xué)生通過精子到次級(jí)精母細(xì)胞的逆向推理發(fā)現(xiàn)此次分裂和有絲分裂大致相同，結(jié)果染色體數(shù)目沒有發(fā)生減半，不同之處在于次級(jí)精母細(xì)胞分裂無同源染色體出現(xiàn)。此時(shí)教師指出減數(shù)分裂是一種特殊方式的有絲分裂，并以染色體減半為線索，繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入次級(jí)精母細(xì)胞到初級(jí)精母細(xì)胞(圖4)的推導(dǎo)，引出同源染色體的概念，設(shè)置問題串點(diǎn)撥學(xué)生：①初級(jí)精母細(xì)胞(2對(duì))分裂末期形成次級(jí)精母細(xì)胞(2條)，那么初級(jí)精母細(xì)胞分裂后期染色體發(fā)生什么變化？②為使同源染色體分離，初級(jí)精母細(xì)胞分裂中期需要做什么準(zhǔn)備？③為保證中期能夠成對(duì)排列，前期經(jīng)歷了“尋找配對(duì)”的過程，即同源染色體發(fā)生特有的聯(lián)會(huì)，你能嘗試概括聯(lián)會(huì)的概念嗎？④結(jié)合有絲分裂，哪個(gè)時(shí)期可能發(fā)生復(fù)制？復(fù)制后每條染色體有什么變化？至此，完成精子形成過程的逆推，教師在此過程中對(duì)難點(diǎn)進(jìn)行適時(shí)點(diǎn)撥、質(zhì)疑和分析，幫助學(xué)生區(qū)分姐妹染色單體、同源染色體和四分體等概念，同時(shí)提醒學(xué)生在科學(xué)推測(cè)和研究中要時(shí)刻保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嫛?/p>

圖4 初級(jí)精母細(xì)胞分裂的逆推模式圖

5.4 第四環(huán)節(jié)：利用科學(xué)史來驗(yàn)證推理 學(xué)生根據(jù)假設(shè)逆推出精子的形成過程，這樣的假設(shè)是否正確呢？于是，教師展示減數(shù)分裂的研究歷史，幫助學(xué)生驗(yàn)證其推測(cè)：①1883年，比耐登(van Beneden)發(fā)現(xiàn)馬蛔蟲的受精卵中有4條染色體，2條來自精子，2條來自卵細(xì)胞，且彼此從不混合，說明由原始生殖細(xì)胞形成成熟生殖細(xì)胞時(shí)染色體數(shù)目減半，并通過受精作用保持親子代染色體數(shù)目恒定；②1887年，弗萊明(Flemming)觀察蠑螈精母細(xì)胞(12對(duì))，發(fā)現(xiàn)異型分裂(初級(jí)精母細(xì)胞分裂)中期，染色體變成特有的12個(gè)桶型，之后發(fā)生橫向分離，即印證了初級(jí)精母細(xì)胞分裂時(shí)發(fā)生聯(lián)會(huì)，之

后同源染色體分離的推理；③1887年，魏斯曼(Weismann)根據(jù)對(duì)大眼水溞的觀察，提出了“減數(shù)分裂”的概念；④亨金(H.Henking)于1890、1891年發(fā)表文章，分別對(duì)蝽的卵子和精子形成的研究成果進(jìn)行闡述，首次提出了成熟生殖細(xì)胞形成過程經(jīng)歷了兩次分裂，第一次是Weismann式的減數(shù)分裂，第二次是有絲分裂[2]。

這里的科學(xué)史料不僅驗(yàn)證了學(xué)生的假說—演繹，而且自然地引出“減數(shù)分裂”的概念。于是，教師鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)已有的推理和驗(yàn)證，嘗試從發(fā)生范圍、時(shí)間、特征、結(jié)果抽象概括出減數(shù)分裂的概念。這樣將減數(shù)分裂概念后置的設(shè)計(jì)，使新的生物學(xué)概念呈現(xiàn)不會(huì)顯得突兀，突出學(xué)生自我發(fā)現(xiàn)、探究和概括的過程。

5.5 第五環(huán)節(jié)：建構(gòu)模型，總結(jié)歸納 通過前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)精子形成過程的認(rèn)識(shí)有了從感性到理性的上升，但還只是通過圖片和史料的認(rèn)知，尚未達(dá)到同化。

為使學(xué)生對(duì)此過程有一個(gè)過程性體驗(yàn)，將教材“模型建構(gòu)”活動(dòng)前置，用更方便操作成型的扭扭棒玩具為材料，4人一組，參考“模型建構(gòu)”的方法步驟，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建精子形成過程的物理模型，并展示交流。

在該活動(dòng)中，學(xué)生可能出現(xiàn)誤用同源染色體的概念，忽略同源染色體需要聯(lián)會(huì)等細(xì)節(jié)。此時(shí)，教師通過易錯(cuò)點(diǎn)撥，幫助學(xué)生掃除概念建模的盲區(qū)，進(jìn)一步加深對(duì)同源染色體分離和非同源染色體自由組合、姐妹染色單體分開和非姐妹染色單體交叉的理解，既突破難點(diǎn)又培養(yǎng)學(xué)生建模能力和口頭表達(dá)能力。最后，教師播放精子形成過程的完整動(dòng)畫，出示精子形成過程的流程圖，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)，將精子形成的這一過程結(jié)構(gòu)化。

此環(huán)節(jié)運(yùn)用多重編碼策略(模型、語言表述、動(dòng)畫、流程圖)加深學(xué)生對(duì)“減數(shù)分裂”這一重要概念的理解。正向的歸納總結(jié)與前面的逆向推理呼應(yīng)，能夠較好地培養(yǎng)學(xué)生的理性思維。

[基金項(xiàng)目：廣東省高校質(zhì)量工程2017年應(yīng)用型人才培養(yǎng)課程立項(xiàng)建設(shè)項(xiàng)目《中學(xué)生物教育課程群建設(shè)》，粵高教函(2017)85號(hào)；*通信作者]