基于發(fā)展學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的“減數(shù)分裂”一課的教學(xué)設(shè)計(jì)

余紅月

(福建省廈門大學(xué)附屬科技中學(xué) 廈門 361005)

1 教材分析與設(shè)計(jì)思路

“減數(shù)分裂”是人教版高中生物學(xué)教材必修2第2章第1節(jié)“減數(shù)分裂和受精作用”中第1小節(jié)內(nèi)容，主要介紹減數(shù)分裂概念及配子的形成過程。本節(jié)內(nèi)容是在學(xué)生學(xué)習(xí)了細(xì)胞的有絲分裂基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，是對有絲分裂知識(shí)的延伸和擴(kuò)展，也是學(xué)習(xí)遺傳變異的基礎(chǔ)。減數(shù)分裂的概念及精子形成過程是本節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)，而基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)進(jìn)行歸納、推理、模型與建模等是本節(jié)重點(diǎn)落實(shí)的科學(xué)思維目標(biāo)。由于減數(shù)分裂是微觀、動(dòng)態(tài)、連續(xù)變化的過程，因此，染色體形態(tài)、數(shù)目和位置的變化規(guī)律成為理解減數(shù)分裂過程的重難點(diǎn)。

筆者在“減數(shù)分裂”教學(xué)實(shí)踐中，首先充分運(yùn)用生物科學(xué)史創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境、提供證據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析、論證并形成生成性問題，由問題進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生舉證和推理，層層深入，進(jìn)而深刻理解配子形成過程中染色體數(shù)目及行為變化；然后引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)多種模型，以闡明減數(shù)分裂形成配子的過程，并運(yùn)用模型和數(shù)學(xué)計(jì)算闡明配子的多樣性；最后通過對21-三體綜合征的討論實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移應(yīng)用。整個(gè)教學(xué)過程力求讓學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、真正學(xué)習(xí)，訓(xùn)練科學(xué)思維。

2 教學(xué)目標(biāo)

依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)并圍繞培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的要求，制訂下列課時(shí)教學(xué)目標(biāo)：

(1) 通過學(xué)習(xí)有性生殖的生物體配子形成中的減數(shù)分裂過程和染色體行為，形成遺傳信息傳遞的相對穩(wěn)定性和生物多樣性的觀點(diǎn)。

(2) 通過學(xué)習(xí)科學(xué)史中科學(xué)家的觀察、推論和實(shí)證的范式，提高學(xué)生基于實(shí)證的推理能力；通過運(yùn)用模型和數(shù)學(xué)計(jì)算學(xué)習(xí)在減數(shù)分裂過程中的染色體的變化等行為，提高科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

(3) 通過學(xué)習(xí)運(yùn)用模型解釋某些人類遺傳病的形成原因，關(guān)注人體健康，落實(shí)社會(huì)責(zé)任。

(4) 通過“討論與交流”教學(xué)活動(dòng)，提高“樂于探究”“善于交流”及“敢于質(zhì)疑”的學(xué)習(xí)品質(zhì)。

3 教學(xué)過程

3.1 問題引導(dǎo)，史料為證，用推理與實(shí)證導(dǎo)入課題 問題情境導(dǎo)入： 遺傳定律描述配子形成中基因傳遞規(guī)律，從細(xì)胞學(xué)角度，配子產(chǎn)生方式及過程是怎樣的？

進(jìn)一步問題引導(dǎo)： ①細(xì)胞通過分裂產(chǎn)生，已學(xué)習(xí)的細(xì)胞分裂的方式有哪些？②有絲分裂的主要特征及意義是什么？③根據(jù)已有知識(shí)，你認(rèn)為進(jìn)行有性生殖生物是通過何種方式形成配子的呢？你是如何推理的？目前有何證據(jù)支持你的觀點(diǎn)？

在學(xué)生回答基礎(chǔ)上，提供史料補(bǔ)充背景知識(shí)： ①1883年，比利時(shí)的細(xì)胞學(xué)家貝爾登觀察到馬蛔蟲的受精卵中，染色體的數(shù)目為4條，而卵子與精子中的染色體數(shù)則都為2條[1]。②1887年，魏斯曼系統(tǒng)地總結(jié)了前人及自己實(shí)驗(yàn)室對極體的研究結(jié)果： 雖然極體與卵細(xì)胞比起來，在大小上差別甚大，但實(shí)質(zhì)上它們和卵細(xì)胞一樣，是卵母細(xì)胞分裂的結(jié)果。卵母細(xì)胞成熟形成極體的意義，就在于使卵中的染色體數(shù)目減半。并推論在精子形成的過程中存在著同樣的過程，這是最早預(yù)言減數(shù)分裂的存在[1]。

問題引導(dǎo)： 要弄清減數(shù)分裂的完整過程，主要問題是如何將減數(shù)分裂的各個(gè)時(shí)期排出個(gè)先后順序來。對此，你有怎樣的思路？

提供史料： 1900年，馮·溫尼沃爾特想了一個(gè)很巧妙的方法。他取出生一天、一天半、兩天……一直到28天的雌性小兔，解剖出卵巢，觀察比較卵母細(xì)胞中染色體的動(dòng)態(tài)。如果剛出生的小兔卵巢中的分裂相為A，出生兩天的分裂相為AB，而出生四天的是ABC……顯然，這幾種分裂相出現(xiàn)的順序是A、 B、 C。就這樣，他用這樣的辦法確定了減數(shù)分裂早期的一系列分裂相。

設(shè)計(jì)意圖： 目標(biāo)為導(dǎo)向，問題為手段，交流為平臺(tái)，運(yùn)用演繹推理，讓學(xué)生自主得出結(jié)論，并且讓學(xué)生明確科學(xué)是創(chuàng)造性的工作，光有大膽猜測是不夠的，還必須依賴于觀察和實(shí)證。

3.2 運(yùn)用生成性問題和資料分析，厘清染色體行為的變化 問題①： 減數(shù)分裂形成的子細(xì)胞中具有怎樣的一半染色體？染色體數(shù)目如何減半？

提供資料并講述： 展示人及果蠅體細(xì)胞和配子的染色體圖，說明同源染色體、非同源染色體、染色體組等概念及其關(guān)系，并讓學(xué)生用毛根玩具進(jìn)行模擬。然后請學(xué)生闡述自己對前述問題的解釋。

問題②： 你能推測同源染色體為何能準(zhǔn)確分離嗎？

提供資料并分析： ①M(fèi)ontgomery(1901)做了大量觀察，他發(fā)現(xiàn)有一個(gè)物種，2n=14，染色體間的大小差異很大。實(shí)驗(yàn)中觀察到染色體兩兩配對現(xiàn)象。如果配對是在父本染色體間或母本染色體間進(jìn)行，會(huì)有此結(jié)果嗎？據(jù)此說明染色體的配對關(guān)系應(yīng)是怎樣的？②提供染色體聯(lián)會(huì)的照片和示意圖，說明染色體的聯(lián)會(huì)及交叉互換現(xiàn)象。

問題③： 減數(shù)分裂中，同源染色體向哪一極移動(dòng)是隨機(jī)的嗎？

提供資料并分析： 1903年，薩頓創(chuàng)造性提出： 在減數(shù)分裂后期，同源染色體“隨機(jī)分離”。但薩頓在當(dāng)時(shí)并沒有充分的證據(jù)證明這一假設(shè)[1]。從遺傳學(xué)的角度來說，你認(rèn)為薩頓的依據(jù)和推理是什么？如何用實(shí)驗(yàn)證明薩頓的假設(shè)？

提供資料并分析： 1913年，Carother發(fā)現(xiàn)笨蝗細(xì)胞中有一對同源染色體大小不等，而雄蝗蟲的性染色體(X染色體)僅一條，減數(shù)分裂時(shí)，這條染色體只能待在一極。Carother統(tǒng)計(jì)了300多個(gè)后期的細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)X染色體與那對大小相異的同源染色體的組合，接近1： 1[1]。這能說明什么呢？其意義是什么？

設(shè)計(jì)意圖： 運(yùn)用生成性問題層層引導(dǎo)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)的論證，讓學(xué)生深刻理解減數(shù)分裂的主要特征，培養(yǎng)學(xué)生基于實(shí)證的推理能力，在情境與問題解決中建構(gòu)概念。

3.3 建構(gòu)多種模型，交流討論，促進(jìn)知識(shí)結(jié)構(gòu)化 在教學(xué)中可分別建構(gòu)概念模型、物理模型和數(shù)學(xué)模型。

3.3.1 概念模型的建構(gòu) 問題引導(dǎo)： 根據(jù)前述分析，減數(shù)分裂的本質(zhì)變化是什么？染色體的復(fù)制發(fā)生在什么時(shí)候？同源染色體分離，形成兩個(gè)子細(xì)胞，減數(shù)分裂結(jié)束了嗎？隨后染色體會(huì)怎樣變化？你能闡明減數(shù)分裂這一概念嗎？請準(zhǔn)確描述MⅠ和MⅡ的主要特征。

教師運(yùn)用減數(shù)分裂視頻進(jìn)一步說明減數(shù)分裂過程，展示哺乳動(dòng)物精子和卵細(xì)胞的形成示意圖，讓學(xué)生闡述精子和卵細(xì)胞的形成過程及兩者的異同點(diǎn)。

設(shè)計(jì)意圖： 將教材內(nèi)容后置，在學(xué)習(xí)背景知識(shí)的基礎(chǔ)上，形成概念，讓學(xué)生知道知識(shí)從何而來，從而領(lǐng)悟本質(zhì)。

3.3.2 建立減數(shù)分裂中染色體變化的物理模型 任務(wù)： ①以兩對同源染色體為例，以每個(gè)小組為單位，用毛根玩具模擬染色體，并用小段吸管代表著絲點(diǎn)，模擬減數(shù)分裂中染色體數(shù)目及主要行為的變化；②用圖畫繪出典型時(shí)期模式圖。

表達(dá)與交流： ①與其他小組交流建構(gòu)模型的過程和結(jié)果。②你對小組分享的模型有何疑問？怎樣修訂本組模型？③人的體細(xì)胞中有23對同源染色體，那么人在形成精子或卵細(xì)胞時(shí)，可能產(chǎn)生多少種類型的配子呢？理由是什么？這對于生物多樣性的形成有什么意義？

設(shè)計(jì)意圖： 將教材模擬建構(gòu)活動(dòng)提前，通過學(xué)生的交流討論，實(shí)現(xiàn)真實(shí)學(xué)習(xí)，形成科學(xué)思維。

3.3.3 數(shù)學(xué)模型的建構(gòu) 任務(wù)： 完成精原細(xì)胞形成精子過程中染色體數(shù)目變化表及變化圖。

設(shè)計(jì)意圖： 將教材中的技能訓(xùn)練提前，讓學(xué)生建構(gòu)不同模型，深刻領(lǐng)悟模型方法。

3.4 拓展延伸，關(guān)注生命健康，實(shí)現(xiàn)知識(shí)情境化 情境： 21-三體綜合征又叫先天愚型，是一種常見的染色體病。患者的智力低下，身體發(fā)育遲緩。對患者進(jìn)行染色體檢查，一般可以看到患者比正常人多了一條21號(hào)染色體。

問題： 這種遺傳病形成的直接原因是什么？理論上，患者可形成的配子類型有幾種？研究發(fā)現(xiàn)，母親年齡過高(35歲以上)、過小(20歲以下)均是導(dǎo)致21-三體綜合征發(fā)生的危險(xiǎn)因素，亦有報(bào)道與父親的年齡過高也有關(guān)。對此，你有何認(rèn)識(shí)？學(xué)生交流討論后，教師總結(jié)評價(jià)。

設(shè)計(jì)意圖： 用問題促進(jìn)學(xué)生思考，既鞏固知識(shí)，又引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生命健康，勇于承擔(dān)社會(huì)責(zé)任。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課依據(jù)教學(xué)目標(biāo)對教材進(jìn)行處理，充分運(yùn)用科學(xué)史和模型建構(gòu)，讓學(xué)生在模擬的具體情境中探究學(xué)習(xí)，如分析實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，嘗試提出問題，思索實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)習(xí)建模并用模型解決實(shí)際問題等。整個(gè)教學(xué)活動(dòng)能促進(jìn)學(xué)生在理解重要概念的同時(shí)學(xué)會(huì)科學(xué)思維，理解科學(xué)的本質(zhì)，從更高角度去認(rèn)識(shí)生命世界，解釋生命現(xiàn)象。