基于模型建構的“細胞的增殖”教學設計

陳 國

(浙江省慈溪中學 315300)

1 教材分析與設計思路

浙科版“細胞的增殖”一節的內容由細胞周期與有絲分裂2個知識塊組成[1]。其中“有絲分裂染色體的行為變化”是本節教學的重點與難點。傳統教學常采用多媒體動畫輔助的方法增強直觀性，但學生的學習仍未脫離“視覺灌輸”的被動狀態。筆者嘗試通過模型建構進行教學，根據物理模型、數學模型、概念模型的不同功能[2]，圍繞“有絲分裂染色體行為變化”這一教學重難點，以“靜態細胞圖像的觀察排序—動態物理模型的制作使用—抽象數學模型的建構分析—生物概念模型的總結提煉”的流程作為教學主線，從靜態模型到動態模型，從實物模型到數學模型，循序漸進地讓學生主動參與知識的構建，突顯學生的主體地位，培育生物學科的核心素養。

2 教學目標

依據課程標準并圍繞培養學生核心素養的要求制訂了如下教學目標：

(1) 通過對有絲分裂遺傳物質變化規律的認識，理解生命的延續和發展，領悟生命的運動性，形成事物發展變化過程中由量變到質變的唯物辯證觀；通過有絲分裂各時期的比較分析，初步形成結構與功能相適應、生命多樣性與統一性的生命觀念。

(2) 通過制作并使用有絲分裂染色行為變化的動態模型，學習應用模型建構研究問題；通過洋蔥根尖永久裝片的觀察比較與數理統計，分析有絲分裂過程中染色體和DNA數目的變化規律，學習選擇、鑒別、運用信息；通過數學模型的建構，體驗由具體到抽象的思維模式轉化。

(3) 通過“觀察細胞的有絲分裂”的實驗活動，結合微課視頻獲取信息，尋找證據，對真核細胞有絲分裂的過程作出猜想，并通過“模型建構”檢驗假設和發現規律，培養科學探究能力。

(4) 利用細胞增殖的相關知識，分析或探討影響細胞增殖的因素，嘗試提出健康生活和關愛生命的合理化建議。

3 教學過程

3.1 靜態細胞圖像的觀察排序——建立有絲分裂細胞周期概念 將教材106頁實驗活動“觀察細胞的有絲分裂”前置，同時開放實驗室，提供洋蔥根尖細胞有絲分裂的永久裝片和植物細胞有絲分裂的微視頻，讓學生課前開展實驗探究活動和自主性學習。為使探究活動既具較強的指向性和操作性，教師設計明確的問題任務： ①觀察洋蔥根尖永久裝片，找出有絲分裂不同時相圖(圖1)，選擇典型的細胞圖像進行顯微攝影；②結合微課視頻，對所選細胞圖像按細胞周期進行時間排序，并簡述排序理由；③利用Excel軟件對不同時期的細胞數目進行統計分析，猜想統計數據與細胞周期不同時期時長的關系。上課時教師檢測和評價學生探究活動的成果，并引導學生基于實驗數據，一起建構細胞周期的概念。

圖1 有絲分裂細胞時相

設計意圖： 細胞圖像排序與數據統計分析等探究活動，為發展學生的科學思維提供了良好的學習支架，有利于培養學生收集、處理、解釋數據以及邏輯推理等能力；基于實驗數據作出推測，形成細胞周期概念，實現實驗教學與概念教學的有效鏈接。

3.2 動態物理模型的制作使用——還原有絲分裂染色體行為的變化過程 教師提供毛根鐵絲和帶孔磁環，并布置學生活動任務： ①以小組為單位，利用毛根鐵絲和帶孔磁環制作染色體物理模型(毛根鐵絲代表染色體的臂，帶孔磁環代表染色體的著絲粒)；②白板代表植物細胞，小組成員利用染色體模型模擬植物細胞有絲分裂的動態過程。教師指導學生完成模型制作和相應的活動任務后，學生代表上臺展示有絲分裂染色體的行為變化(圖2)。師生一起還原有絲分裂染色體行為變化的動態過程，并驗證“學生活動1”的猜想是否合理。

圖2 學生制作的模擬有絲分裂過程的染色體模型

設計意圖： 通過開展模型建構活動，既充分還原有絲分裂染色體行為的動態過程，有利于突破教學難點，又能培養學生實踐操作與模型建構能力，有助于發展學生的理性思維與科學探究能力。

3.3 抽象數學模型的建構分析——表觀有絲分裂染色體和DNA的數量變化 教師布置學生活動任務和思考問題： ①以二倍體生物(2n=8)為例，建立坐標系，以曲線的形式表示有絲分裂染色體和DNA的數量變化；②根據坐標曲線，說明染色體、DNA數量為什么會發生變化；③根據曲線中染色體、DNA數量的前后變化，說明有絲分裂在生命活動中的重要意義；④細胞周期異常可產生癌細胞，請你結合坐標曲線，從數量變化角度，談談哪些生活因素容易引發細胞周期異常？這對我們的生活有何啟示。在學生嘗試完成任務①后，請學生代表展示結果，引導學生通過曲線的形式表觀有絲分裂染色體和DNA的數量變化，據此分析有絲分裂的意義，探討影響細胞增殖的因素，從而深層次地揭示有絲分裂的過程與實質，以及和健康、生活的關聯性。

設計意圖： 引導學生構建數學模型，有利于培養透過事物現象揭示其本質特性的洞察力以及簡約嚴密的思維品質，體驗由具體到抽象的思維模式轉化；引導學生參與癌癥防治相關議題的討論，指導學生在現實生活背景中學習生物學，是培養學生社會責任感的重要途徑。

3.4 生物概念模型的總結提煉——構建細胞增殖的知識體系 讓學生以1條染色體為例，串聯細胞周期、G1期、S期、G2期、前期、中期、后期、末期、染色體、染色單體、DNA、著絲粒、細胞板等關鍵詞，通過小組合作，以圖文結合的形式構建細胞增殖的概念圖解。之后請學生代表分析所構建概念圖解(圖3)的邏輯關系，師生共同構建細胞增殖的知識體系，達到學習進階之目的。

圖3 細胞增殖的概念圖解

設計意圖： 以圖文結合的概念圖解形式，通過“合作構建—代表展示”的方式，既高度整合了本節的核心概念與基礎知識，又幫助學生厘清了其內在的邏輯聯系與層級關系，從而有效建構細胞增殖的知識網絡。

4 教學反思

本節教學從有絲分裂顯微照片的時軸排序過渡到分裂過程的動態假設，之后通過制作并使用染色體模型加以驗證，再通過基于數學模型建構的活動設計，讓學生嘗試著從物理模型到抽象概括轉換，這樣的教學設計隱藏著科學研究的基本方法與思路。這不僅能使學生運用已有的知識、證據和邏輯對有絲分裂過程展開論證，而且能領悟模型建構是科學研究的重要方法。

從物理模型的動態模擬到數學模型的抽象概括，盡管學生已初步完成了“細胞的增殖”核心知識的學習，但學生習得的知識內容仍處于碎片化狀態。為有效解決這一問題，最后通過概念模型來結織細胞增殖的知識網絡。

為克服多媒體動畫轉瞬即逝的弊端，本節教學利用毛根鐵絲和帶孔磁環制作染色體模型還原有絲分裂的動態過程，高度關注教學過程中學生的實踐經歷和動手操作，讓學生親自體會有絲分裂的動態性與連續性，實現抽象概念和復雜規律直觀化、具體化。

(基金項目：浙江省教育科學規劃2017年度研究課題“基于核心素養發展的高中生物實驗教學策略研究”，No.2017SC161)