基于類比推理與模型構(gòu)建的“細(xì)胞的增殖”(第1課時(shí))教學(xué)設(shè)計(jì)

李小玲

(山東省東營(yíng)市第二中學(xué) 東營(yíng) 257000)

1 教材分析及設(shè)計(jì)思路

人教版“細(xì)胞的增殖”是《生物·必修1·分子與細(xì)胞》第6章第1節(jié)的內(nèi)容，主要包括細(xì)胞周期、有絲分裂及意義、無(wú)絲分裂等。在分析各知識(shí)點(diǎn)之間聯(lián)系的基礎(chǔ)上結(jié)合教學(xué)實(shí)際對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行重組整合，選取“植物細(xì)胞有絲分裂過(guò)程及意義”作為第1課時(shí)。學(xué)生在第3章已學(xué)習(xí)了細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)和功能，對(duì)染色體、染色質(zhì)和DNA的關(guān)系有了一定程度的認(rèn)識(shí)，但理解有絲分裂這一微觀動(dòng)態(tài)過(guò)程仍然困難，為有效突破重難點(diǎn)，以有絲分裂過(guò)程中染色體行為變化為主線，通過(guò)學(xué)生活動(dòng)、史料分析并巧用類比推理法等引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建染色體行為變化的概念模型、物理模型、數(shù)學(xué)模型，環(huán)環(huán)相扣地指引學(xué)生主動(dòng)構(gòu)建知識(shí)體系，參與知識(shí)形成的過(guò)程，在教學(xué)過(guò)程中落實(shí)生物學(xué)核心素養(yǎng)，有效實(shí)現(xiàn)本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)。

2 教學(xué)目標(biāo)

基于課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求和學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并圍繞培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的要求，制訂了如下教學(xué)目標(biāo)：

(1) 通過(guò)對(duì)有絲分裂過(guò)程中遺傳物質(zhì)先復(fù)制后平分這一規(guī)律的認(rèn)識(shí)，理解細(xì)胞親子代之間遺傳信息的一致性，領(lǐng)悟生命的延續(xù)性。

(2) 通過(guò)學(xué)生活動(dòng)，分析有絲分裂發(fā)現(xiàn)過(guò)程的科學(xué)探究史，提高分析、歸納、提取信息的能力；通過(guò)構(gòu)建模型，說(shuō)明有絲分裂過(guò)程中染色體行為的變化，鍛煉動(dòng)手能力、抽象思維能力，發(fā)展科學(xué)思維。

(3) 通過(guò)觀察圖片、分析表格，能說(shuō)出細(xì)胞周期的概念，理解分裂間期的存在意義，認(rèn)識(shí)生命的形成是一個(gè)發(fā)展變化的過(guò)程，形成生命觀念。

3 教學(xué)過(guò)程

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課 觀看《人類胚胎發(fā)育過(guò)程》微課，提出問(wèn)題：“細(xì)胞通過(guò)什么方式進(jìn)行增殖？”從微課視頻可知，通過(guò)分裂增殖，真核細(xì)胞進(jìn)行分裂的方式有三種： 有絲分裂、無(wú)絲分裂和減數(shù)分裂。由此引出本節(jié)課題——有絲分裂。

設(shè)計(jì)意圖： 通過(guò)微課視頻，讓學(xué)生感受生命的神奇，概括出個(gè)體的發(fā)育離不開細(xì)胞的分裂及分化，快速引出本節(jié)課題。

3.2 溫故知新，借助物理模型厘清染色質(zhì)(體)、DNA與染色單體間數(shù)量關(guān)系 引領(lǐng)學(xué)生回顧相關(guān)知識(shí)： ①在細(xì)胞分裂過(guò)程中，細(xì)胞核內(nèi)的遺傳物質(zhì)先經(jīng)過(guò)復(fù)制，然后平均分配到兩個(gè)新細(xì)胞中，使新細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)與親代細(xì)胞保持一致；②遺傳物質(zhì)的載體是染色質(zhì)(體)；③染色質(zhì)和染色體是同種物質(zhì)在不同時(shí)期的兩種存在狀態(tài)；④染色質(zhì)(體)的主要成分是DNA和蛋白質(zhì)。

借助染色質(zhì)的物理模型(帶孔磁釘與扭扭棒)補(bǔ)充新知識(shí)： ①著絲粒的個(gè)數(shù)等于染色質(zhì)(體)條數(shù)；②染色質(zhì)復(fù)制實(shí)質(zhì)是DNA的復(fù)制；③DNA復(fù)制后一個(gè)著絲粒上連著兩條完全相同的單體，稱為姐妹染色單體；④復(fù)制后的染色質(zhì)螺旋化縮短變粗形成染色體。在補(bǔ)充知識(shí)的過(guò)程中厘清染色質(zhì)(體)、DNA及染色單體之間的數(shù)量關(guān)系(表1)。

表1 染色質(zhì)(體)、DNA及姐妹染色單體之間的數(shù)量關(guān)系

設(shè)計(jì)意圖： 借助1條染色質(zhì)的物理模型模擬DNA的復(fù)制及染色質(zhì)螺旋化過(guò)程，克服對(duì)微觀結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的困難，幫助學(xué)生增加感性認(rèn)識(shí)，為學(xué)生在舊知與新課之間搭建學(xué)習(xí)的橋梁，引導(dǎo)學(xué)生把握染色質(zhì)、染色體、著絲粒、姐妹染色單體、DNA復(fù)制這幾個(gè)概念及其內(nèi)在聯(lián)系，并借助表格進(jìn)行總結(jié)，利于學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)理解并掌握這幾個(gè)概念及其數(shù)量關(guān)系。

3.3 巧用類比推理法，構(gòu)建概念模型 姐妹染色單體會(huì)隨著絲粒的分裂而分開，由此拋出第一個(gè)問(wèn)題： 姐妹染色單體是在螺旋化之前還是之后分開？借助限時(shí)游戲——拆分線團(tuán)尋找靈感： 提前準(zhǔn)備A、 B兩組線團(tuán)，每組均由兩條完全相同的毛線構(gòu)成，A組散亂分布，B組纏繞為棒狀。由兩名學(xué)生上臺(tái)展示該游戲。顯然，纏繞好的線團(tuán)更易區(qū)分，引導(dǎo)學(xué)生得出散亂的毛線類似染色質(zhì)，纏繞好的線團(tuán)類似染色體，據(jù)此現(xiàn)象提出問(wèn)題，巧用類比推理法作出推論，結(jié)合史料分析進(jìn)行驗(yàn)證，最終得出結(jié)論(表2)，并以一條染色體為例，初步構(gòu)建出有絲分裂過(guò)程中染色體行為變化的概念模型，進(jìn)行總結(jié)。繼而拋出第二個(gè)問(wèn)題： 你能預(yù)測(cè)染色體均分時(shí)的形態(tài)嗎？通過(guò)觀看視頻，分析著絲粒受力情況，得出染色體的兩條臂朝向細(xì)胞中央的位置，進(jìn)而完善概念模型。

表2 類比推理法構(gòu)建概念模型

設(shè)計(jì)意圖： 科學(xué)思維是生物學(xué)核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，而推理、模型、歸納、概括等均屬于科學(xué)思維的重要方法。該環(huán)節(jié)以兩組毛線表征染色質(zhì)(體)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)兩者間的一致性，進(jìn)行類比推理。但類比推理得出的結(jié)論并不具有邏輯的必然性，為此教師提前準(zhǔn)備有絲分裂發(fā)現(xiàn)過(guò)程的科學(xué)探究史，以便學(xué)生檢測(cè)推論、得出結(jié)論，讓學(xué)生體驗(yàn)類比推理的思維過(guò)程及一般流程，這不僅有助于培養(yǎng)學(xué)生的推理能力，也有利于學(xué)生形成尊重事實(shí)和證據(jù)的科學(xué)精神，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的學(xué)習(xí)態(tài)度，促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的提升；在得出結(jié)論的同時(shí)構(gòu)建出有絲分裂過(guò)程中1條染色體行為變化的概念模型，將隱性的知識(shí)具體化、形象化，便于學(xué)生快速而準(zhǔn)確的理解。

3.4 動(dòng)靜結(jié)合，構(gòu)建物理模型 展示高等植物細(xì)胞有絲分裂各時(shí)期的靜態(tài)圖片，再借助視頻動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)有絲分裂過(guò)程。學(xué)生通過(guò)自主閱讀教材相關(guān)段落并結(jié)合視頻總結(jié)各時(shí)期的特點(diǎn)，之后運(yùn)用自學(xué)知識(shí)判斷前面展示的有絲分裂的靜態(tài)圖各處于什么時(shí)期，檢測(cè)并反饋學(xué)生自學(xué)情況。為了更直觀、深刻的理解有絲分裂，引導(dǎo)學(xué)生利用教具(扭扭棒、帶孔磁釘、磁板等)分小組制作高等植物細(xì)胞有絲分裂各時(shí)期染色體行為變化的物理模型，并用白板筆畫出核膜、核仁、細(xì)胞板等結(jié)構(gòu)，建模完成后各小組派代表將本組作品吸附于黑板(具有磁性)進(jìn)行展示、解說(shuō)，其他同學(xué)評(píng)價(jià)、補(bǔ)充，共同完善模型。圖1為學(xué)生構(gòu)建的物理模型。

圖1 學(xué)生構(gòu)建的有絲分裂各時(shí)期染色體行為變化物理模型

設(shè)計(jì)意圖： 物理模型的構(gòu)建、展示和解說(shuō)可作為抽象知識(shí)學(xué)習(xí)的有效手段，它具有直觀、形象、生動(dòng)等特點(diǎn)，能幫助學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)理解知識(shí)，為運(yùn)用知識(shí)奠定基礎(chǔ)。有絲分裂知識(shí)點(diǎn)抽象、瑣碎，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用建模、歸納等方法，以學(xué)生的視角呈現(xiàn)有絲分裂各時(shí)期的特點(diǎn)，在此過(guò)程中，學(xué)生不僅需要與他人合作動(dòng)手操作、動(dòng)腦思索，還需要不斷地在腦海中重復(fù)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，主動(dòng)地構(gòu)建、修正、完善知識(shí)體系，參與知識(shí)的形成過(guò)程，潛移默化地深化了對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)，體驗(yàn)了由抽象到具體的思維過(guò)程，并在探索中體會(huì)到建模的方法。該教學(xué)過(guò)程不僅注重學(xué)生實(shí)踐，也注重實(shí)證精神，本環(huán)節(jié)中展示的照片、視頻及建模均以生物學(xué)事實(shí)為依據(jù)，這有利于養(yǎng)成學(xué)生重實(shí)證、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那笾獞B(tài)度，在學(xué)習(xí)過(guò)程中發(fā)展科學(xué)思維。

3.5 結(jié)合物理模型，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型表征染色體、DNA及染色單體數(shù)目變化 引導(dǎo)學(xué)生觀察物理模型，思考下列問(wèn)題： ①數(shù)一數(shù)各個(gè)時(shí)期染色體、核DNA、每條染色體上的DNA、姐妹染色單體的數(shù)目，統(tǒng)計(jì)于表3；②建立坐標(biāo)系，以折線圖形式(數(shù)形轉(zhuǎn)換)表示模型中有絲分裂各時(shí)期染色體、DNA和姐妹染色單體的數(shù)目變化；③分析各拐點(diǎn)變化的原因；④觀察比較有絲分裂前后染色體、DNA和染色單體的數(shù)量關(guān)系，闡明有絲分裂的重要意義；⑤將數(shù)學(xué)模型類比推理至二倍體真核生物。

表3 物理模型中染色體、DNA、姐妹染色單體數(shù)目

設(shè)計(jì)意圖： 以物理模型為切入點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)表3對(duì)模型進(jìn)行加工、對(duì)比、分析，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，體會(huì)由具體到抽象的思維過(guò)程，深層次領(lǐng)悟有絲分裂本質(zhì)；分析各拐點(diǎn)原因后得出分裂后期由于著絲粒分裂導(dǎo)致染色體數(shù)目加倍，分裂間期由于DNA復(fù)制導(dǎo)致DNA數(shù)目加倍；比較親子代細(xì)胞中染色體、DNA等數(shù)目變化，理解有絲分裂的意義是保持細(xì)胞親子代之間遺傳性狀的穩(wěn)定性；引導(dǎo)學(xué)生舉一反三，順利地將數(shù)學(xué)模型遷移至二倍體真核生物。此過(guò)程中學(xué)生體驗(yàn)到有絲分裂前后細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的一致性，利于養(yǎng)成透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)的思維品質(zhì)。

3.6 趣味接龍，學(xué)習(xí)細(xì)胞周期 通過(guò)判斷圖示細(xì)胞(圖略)所處時(shí)期并進(jìn)行排序，闡明新形成的子細(xì)胞大多會(huì)進(jìn)行下一次分裂，像這樣連續(xù)分裂的細(xì)胞，從一次分裂完成時(shí)開始，到下一次分裂完成時(shí)為止，稱為一個(gè)細(xì)胞周期。安排以下學(xué)習(xí)任務(wù)： ①觀察顯微鏡下洋蔥根尖細(xì)胞有絲分裂的圖片，比較視野中處于分裂間期、分裂期的細(xì)胞數(shù)目的多少，思考其原因和意義是什么；②其他細(xì)胞中有無(wú)類似現(xiàn)象，結(jié)合教材表6-1進(jìn)行分析，還能從表格中獲取哪些信息？

設(shè)計(jì)意圖： 識(shí)圖及排序不僅能鞏固所學(xué)知識(shí)，也能反饋學(xué)生學(xué)習(xí)情況，并根據(jù)子細(xì)胞行為導(dǎo)出細(xì)胞周期概念；通過(guò)觀察、分析顯微鏡下洋蔥根尖有絲分裂圖片可得出細(xì)胞周期的大部分時(shí)間處于分裂間期，意義是為分裂期進(jìn)行活躍的物質(zhì)準(zhǔn)備；分析不同細(xì)胞的細(xì)胞周期持續(xù)時(shí)間，提高學(xué)生的識(shí)圖能力、分析表格能力、從表格中讀取有效信息的能力，逐步發(fā)展終身學(xué)習(xí)的能力。

3.7 通過(guò)板書，總結(jié)提升、完善知識(shí)體系 通過(guò)板書(圖2)，以細(xì)胞周期概念串聯(lián)起所學(xué)知識(shí)，并引導(dǎo)學(xué)生將本節(jié)課構(gòu)建的概念模型、物理模型和數(shù)學(xué)模型結(jié)合起來(lái)，師生共同構(gòu)建細(xì)胞增殖知識(shí)體系，從整體上把握本節(jié)內(nèi)容。

圖2 板書設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)意圖： 圖文結(jié)合高度整合本節(jié)核心內(nèi)容，直觀呈現(xiàn)有絲分裂過(guò)程，幫助學(xué)生從宏觀上厘清知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系與層級(jí)關(guān)系，從整體上構(gòu)建有絲分裂知識(shí)體系。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課教學(xué)通過(guò)類比推理法引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建概念模型、物理模型，體會(huì)由復(fù)雜到簡(jiǎn)單、化抽象為形象的思維過(guò)程；再以物理模型為切入點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，領(lǐng)悟數(shù)形轉(zhuǎn)換的方法、養(yǎng)成通過(guò)現(xiàn)象思考本質(zhì)的思維習(xí)慣。

通過(guò)模型構(gòu)建等實(shí)踐活動(dòng)，讓學(xué)生親歷知識(shí)的形成過(guò)程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生收集信息、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題、動(dòng)手實(shí)踐及構(gòu)建模型的能力，養(yǎng)成尊重事實(shí)、務(wù)實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那笾獞B(tài)度，學(xué)會(huì)運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決問(wèn)題，逐步發(fā)展科學(xué)思維，落實(shí)生物學(xué)核心素養(yǎng)，從而有效實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。