單元整體教學視域下基于模型建構培養科學思維的教學設計
——以“有絲分裂的過程”為例

徐思麒 周麗婷

（浙江大學附屬中學 浙江杭州 310000）

著名天文學家卡爾·薩根曾說道：“科學與其說是一種知識體系，不如說是一種思維方式。”思維培養對于科學教育的重要性顯而易見。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）中指出：科學思維是尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。作為生物學科核心素養的維度之一，科學思維是高中生物學課程的重要目標，以模型建構為教學策略有助于培養科學思維。

單元整體教學以學科核心素養為目標，以“情境—任務—活動—評價”為課時教學藍圖，強調知識的結構化和整體化，避免學習的淺表化和碎片化，能有效達成單元重要概念的建構。在此理念下，筆者對于“細胞的生命歷程”進行了單元整體教學設計，將概念學習及核心素養培養落到實處。其中，運用模型建構幫助學生達成對于“有絲分裂保證了遺傳信息在親代和子代細胞中的一致性”這一次位概念的理解，同時有效提升了學生的科學思維。

1 教材分析與設計思路

1.1 單元整體教學流程

本單元為浙科版高中生物學《必修1·分子與細胞》第四章“細胞的生命歷程”。筆者梳理本單元各概念之間的聯系，以“頭發的生長和脫發問題”作為貫穿本單元的核心情境，圍繞著這一情境開展教學內容，并設計單元教學任務；以支撐本單元的重要概念所需的次位概念為課時教學主題，以“問題—任務—活動—評價”為主線展開課時教學，共分為5個課時，每個課時對應不同的次位概念目標，共同聚焦本單元重要概念的學習。本單元的教學流程如圖1所示。

圖1 “細胞的生命歷程”單元整體教學流程

1.2 課時內容分析

本課時是本單元設置的第2課時。第1課時的教學主要引出單元情境，并探討“頭發生長有哪些時期？細胞為什么會增殖？”等問題，通過設計實驗探究“細胞大小和擴散作用之間的關系”，讓學生初識物理模型，為后續學習打下基礎。

本課時主要圍繞著“頭發為什么會生長”這一核心問題，引出毛母細胞的增殖過程，促使學生分析細胞分裂中染色體的變化狀態，逐步構建毛母細胞增殖的物理模型。學生通過模型建構的“選材—構建—驗證—修正”過程，學習物理模型的構建原則，充分體驗構建過程；分析不同時期的不同物質和結構的系列變化，形成“結構和功能相適應”的生物學觀念。細胞分裂的生理過程是復雜抽象的，學生僅憑借書上的插圖無法全面理解有絲分裂的過程和遺傳物質的變化規律。教師可通過制作物理模型等方式，把微觀變宏觀，抽象變具體，發展學生的科學思維，培養學生的生物學學科核心素養。同時，本課時的結尾提出“不同狀態下的毛母細胞增殖是否相同”，引出后一課時對于細胞增殖影響因素的探究。

2 教學目標

（1）簡述細胞周期的概念，概述有絲分裂的過程，說出細胞有絲分裂各時期的物質和結構的變化特征，明晰其中的生物學意義，進一步形成結構和功能相適應的觀念。

（2）制作毛母細胞有絲分裂的物理模型，學習模型制作原則，合理選材并充分體驗模型構建的完整流程，發展模型與建模的能力，提升科學思維。

（3）基于有絲分裂的相關概念，思考如何使頭發更快變長及癌癥抑制等問題，將知識運用于生活實際，培養社會責任素養。

3 教學過程

3.1 創設情境，引出任務

教師從“短頭發X老師的困擾”導入，請學生思考如何幫助X老師擁有一頭飄逸的長發，激起學生的學習興趣。教師播放視頻《頭發的增長期》，提出問題：①頭發為什么會變長呢？②分裂增殖形成的子細胞與毛母細胞在細胞結構上會相同嗎？依據是什么？③如何保證子細胞和母細胞的遺傳物質相同呢？同時，教師展示動物細胞結構圖，在學生回答問題的基礎上，引出“要保證子母細胞的遺傳物質相同，最重要的是染色質的復制和精確均分”這一核心任務。

設計意圖：教師創設情境，從“頭發的生長問題”自然過渡到對于“毛母細胞增殖過程”的探究，進而引出細胞增殖的核心任務“染色質的復制和精確均分”，為后續制作模型做鋪墊。

3.2 引導學生掌握建模的原則并選擇合適的制作模型的材料

教師引導學生思考：毛母細胞非常微小，其分裂過程不易觀察。為方便研究，我們可采取什么方法將其宏觀表現出來？學生有之前的學習基礎，可聯想到采取構建物理模型的方法。教師展示模型構建的基本原則：①相似性原則；②簡化性原則；③可驗證性原則；④可修正性原則。并提出問題：遵循以上原則，如何構建毛母細胞的染色體組成模型？教師展示不同二倍體生物細胞中的染色體，讓學生尋找共性。學生可發現這些細胞中的染色體均有“成對”和“不成對”的特點。教師進一步引導學生思考：如何表示染色質（體），并體現出這樣的特點？學生回憶染色質的構成、染色質和染色體之間的關系等知識，畫出兩者的結構和關系圖。教師用毛根（扭扭棒）來比擬染色質：中間的鐵絲可類比DNA，外面的毛可類比蛋白質，一條長長的毛根可類比染色質，扭幾圈變短后可類比染色體。學生觀察實物思考。

根據染色體和染色質的不同形態特點，師生共同討論細胞分裂過程中染色質和染色體的變化順序，如染色體復制時的形態、分裂時的形態等，并用毛根在KT板上擺出，如圖2所示。學生可以直觀感受一條染色質在不同時期的變化特點。

圖2 用毛根模擬細胞分裂中染色質（體）的變化順序

教師提出問題：如何表現“成對和不成對”的特點？學生積極思考并選擇兩大兩小的4條毛根，每兩條的大小和形態相同，以此來表示毛母細胞具有成對和不成對的特點；以不同的顏色表示一條來自父方，另一條來自母方。

設計意圖：學生學習模型構建的基本原則時，教師選擇毛根來比擬染色質（體），充分體現相似性原則。學生討論染色質（體）在不同時期的變化順序，感受“結構和功能相適應”的生物學觀念；并根據簡化性原則，通過對二倍體生物細胞中染色體的觀察，得出“成對”和“不成對”的特點，從而選擇合適的數目和顏色的毛根來構建模型，鍛煉觀察和總結能力。

3.3 引導學生抓住有絲分裂的關鍵點，初建模型

由于子細胞和母細胞中的染色質組成是相同的，教師用材料在黑板上展示圖3過程，為了保證復制后染色體能精確均分，細胞分裂過程中毛母細胞必然會存在如圖3所示的階段。學生分組活動并思考，利用扭扭棒構建出毛母細胞在分裂時可能會出現的2個染色體行為變化最有特點的靜態生物模型。

圖3 毛母細胞分裂過程示意圖

學生小組討論，使用材料制作模型并分享，師生共評。評價時，教師提醒學生注意：①分裂起始，染色質變短變粗變成染色體，散亂排列在細胞中，為了指示染色體下一步要移動的位置，什么結構會出現？核膜、核仁如何變化？②為了后期染色體的精確均分到兩極，散亂的染色體下一步應排列在細胞的什么位置？③應是著絲粒分開前排列在細胞中央，還是著絲粒分開后排在中央？教師根據學生回答，點評并補充，引導學生構建出初步的模型。

教師展示構建的有絲分裂模型圖（圖4），將不同的分裂階段對應進去，引導學生思考：不同階段除了染色體的變化，其他細胞結構會有什么變化以配合分裂，如核糖體增生，核仁核膜解體和重現等？

圖4 毛母細胞有絲分裂模型圖

設計意圖：教師利用圖3引導學生思考分裂過程中染色體行為變化最重要的特點，使學生體會其中的生物學意義，抓住構建模型的關鍵點。學生通過一系列的分析、評價和創造，發展了高階思維和動手能力。對其他細胞結構變化的討論使學生對于有絲分裂過程的認識更為深刻，對于概念的學習更為完整。

3.4 基于證據，完善模型

教師追問：以上是通過推理得到的有絲分裂模型圖，這個模型是否正確？遵循模型制作的可驗證性原則，我們要找到切實的證據。教師展示光學顯微鏡下動物細胞分裂圖（圖5），提出問題：①該視野中有哪些不同的細胞形態？可分別對應模型中的哪些時期？②不同形態的細胞個數相同嗎？有什么含義？

圖5 光學顯微鏡下動物細胞分裂圖

學生思考上述問題，觀察圖片找出不同的細胞，并對應所構建的有絲分裂模型，初步驗證模型。教師播放細胞分裂過程的視頻，引導學生進一步驗證模型。

學生從不同形態的細胞個數不同，推理得出可能是細胞分裂不同時期的時間長短不同。教師繼續展示不同細胞的分裂間期、分裂期持續時間表。師生總結得出不同種類生物或同種生物的不同細胞，其分裂間期均長于分裂期，進而修正模型如圖6所示。

圖6 修正模型示意圖

設計意圖：教師設置問題，步步推進，引導學生尋找事實或證據來支撐和驗證模型；同時，培養學生的質疑和批判的精神，使學生能夠從事實和證據中進一步修正模型，體驗完整的模型和建模過程。這樣在充分體現可驗證性和可修正性原則的同時，實現學生對于有絲分裂概念的自主建構，在做中體驗、思考和創造，完成行動和思維的相統一。

3.5 深化概念、拓展延伸

教師提出問題：①清楚了毛母細胞有絲分裂的過程，如何幫助頭發更快變長？②哪些因素會影響細胞有絲分裂的過程呢？③學習有絲分裂還有什么意義呢？教師簡要介紹癌癥與癌細胞，突出癌細胞無限增殖的特點，展示典例“海拉細胞”，引導學生從“癌細胞的有絲分裂”角度思考治療癌癥思路。此為開放性討論環節，學生可能的答案有抑制DNA復制、抑制紡錘體形成等，教師根據學生的回答評析即可。

設計意圖：通過教師設置的問題串，學生在已有概念基礎上，思考如何使頭發更快變長，以及有關癌癥治療等問題，將知識運用于解決生活實際問題，培養發散性思維和社會責任素養。教師引出“有絲分裂的影響因素“，為下一課時的探究做鋪墊。

4 教學反思

本課時基于單元整體教學理念，將生物學學科核心素養的達成落實在本單元的重要概念和次位概念的學習中。本課時作為本單元培養科學思維的主陣地，以模型建構為主要教學方法，圍繞著“有絲分裂過程中染色質的復制和平均分配”這一核心問題，引導學生逐步構建物理模型并驗證和完善模型。學生在建模過程中，完成了自主學習有絲分裂等相關概念，培養了“模型與建模”的能力這一明線任務；同時達成了從低階認知到高階思維的轉變這一暗線任務，最終達成知識學習和思維鍛煉的同步發展。