基于建模教學策略的“細胞增殖”教學設計與實踐

摘要：本文利用建模教學策略設計“細胞通過分裂增殖”一課。通過明確建模目的、選擇合理的模型表征方式、構建模型、檢驗和評價模型、修正模型五個環節與課時子問題有機整合，引導學生主動構建概念，發展學科核心素養。

關鍵詞：細胞增殖；建模教學策略；教學設計

文章編號：1003-7586（2024）04-0044-02 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

1 教材分析和設計思想

“細胞通過分裂增殖”是浙科版普通高中教科書《生物學·必修1·分子與細胞》第4章的重要內容，其中“染色體在有絲分裂過程中呈現規律性變化”這一概念是教學的重點和難點。常規教學使用動畫視頻輔助教學，或要求學生繪制分裂各時期模式圖，這些活動能幫助學生加深記憶，但對促進理解的作用有限。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》提出科學思維是學科核心素養的基本組成之一，其中模型與建模是重要內容。建模教學策略的步驟主要包括明確模型構建目的、合理的模型表征方式；模型的構建、模型的檢驗和評價、模型的修正。筆者圍繞該策略開展教學設計，引導學生用建模解決問題，并在模型中發現新問題。學生通過在“問題建模”的循環中不斷深入學習，加深對有絲分裂概念的理解。

2 教學目標

（1）通過模擬染色質與染色體的轉變等活動，準確描述有絲分裂過程中染色體的規律性變化，深化結構與功能相適應的生命觀念。

（2）通過“建立有絲分裂過程中典型時期的細胞模型”活動，運用模型和建模的研究方法，提升科學思維能力。

（3）通過分析有絲分裂的影響因素，初步形成環境對細胞生命活動具有復雜作用的觀念，培養健康科學的生活習慣。

3 教學過程

3.1 創設情境，提出問題

教師播放渦蟲再生的視頻。提出單元問題，渦蟲的器官如何再生？引出教學內容，細胞通過分裂產生新細胞，再通過分化形成組織器官。提出課時問題，結合圖片分析，細胞分裂產生的子細胞與親代細胞相比有什么特點？出現這種特點的可能原因是什么？學生思考后得出，親子代細胞遺傳物質（DNA） -樣。教師呈現常見動植物核DNA分子數表格。

設計意圖：利用“渦蟲再生”的視頻使學生形成認知沖突，激發學習興趣，進而引出本節課學習內容，同時為學習細胞分化埋下伏筆。通過猜想和驗證，引導學生明確分裂前后細胞核DNA數目恒定。

3.2 建模教學過程

3.2.1 明確建模目的

教師提出活動目的，探究核DNA如何在親子代細胞中保持恒定。教師將探究對象從DNA過渡到染色質，核DNA位于染色質，DNA數目恒定也就是染色質數目的恒定。由于染色質是微觀結構，活動中將使用實物材料扭扭棒來模擬染色質。學生聆聽教師對本次建模活動的目的、內容和要求等說明，為建模做準備。

設計意圖：在明確目的和內容等指引下，學生的建模活動能更加有效地開展。

3.2.2 選擇合理的模型表征方式

扭扭棒由一根鐵絲和纏繞在其周圍的絨毛組成。鐵絲表征DNA，絨毛表征染色質蛋白（見圖1）。由于鐵絲比較容易彎折，便于后續的模擬過程。學生從材料袋中取出扭扭棒并觀察、適當彎折，初步了解其性能。

設計意圖：通過給學生介紹扭扭棒的構成，引導學生體會建模使用的材料要盡可能恰當反應模擬對象，提高建模真實性這一特點。

3.2.3 構建模型

教師呈現動物細胞有絲分裂顯微攝影圖，學生根據染色體行為特點進行初步排序后，教師引導學生建構細胞周期的概念并提問：如何保證子細胞中染色質相同？分裂間期細胞需要什么準備？學生討論得出需先復制再均分。教師引導學生分小組構建復制好的染色質模型。

設計意圖：通過讓學生從不同扭扭棒中選出兩條等長、顏色相同的，檢測學生對染色質復制的理解。

教師繼續提問：圖中可見密集排列、結構松散的染色質和形態較為清晰的染色體，哪種形態適合復制，哪種形態適合均分？教師進一步指導學生將扭扭棒折疊以模擬染色體。學生小組合作構建染色質和染色體的模型，演示并體驗哪種形態更容易均分。

設計意圖：通過模擬分離松散的染色質和螺旋化的染色體，學生借助實物模型體會染色質螺旋化成染色體能提高分離效率，降低錯誤概率。

教師提問：染色體在細胞的什么位置？什么結構在牽引染色體？學生用記號筆畫出細胞核膜，再從染色體中部（或偏向一端）畫細線，表示紡錘絲。教師繼續提問：染色體的移動遇到什么障礙？怎樣解決？學生通過討論得出，核膜會在染色體移動前分解。學生在染色體周圍畫出分解的核膜。教師追問：染色體均分時，細胞膜、細胞質發生了哪些變化？各小組學生分別選擇一個時期并完善該時期的細胞模型。

設計意圖：通過“構建模型－發現問題－完善模型”的活動，為學生提供學習支架，降低建模難度。學生邊思考邊建模，實現主動建構知識。同時學生能體會構建模型不是一蹴而就的，而是基于一定的已知信息，提出合理的構思。當條件改變時，模型需要及時調整。

3.2.4 檢驗和評價模型

教師提問：由于有絲分裂顯微攝影圖只能反映細胞在某個時刻的特點，無法表示連續的過程。如何觀察染色體、紡錘體的動態變化，以驗證上述模型？學生提出用不同熒光染料對染色體、紡錘絲分別進行染色，觀察活細胞的有絲分裂過程。教師呈現熒光顯微鏡下動物細胞有絲分裂錄像以驗證猜想。小組代表展示前、中、后、末期模型（見圖2），其他小組學生對展示和講解程中出現的錯誤進行評價。

設計意圖：通過生生互評和教師總評，使學生更加明確模型中容易出現的不當之處。強調紡錘體和細胞核膜的變化，啟發學生體悟細胞作為一個整體，各個結構協調配合完成生命活動。

3.2.5 修正模型

教師組織各小組學生討論本小組模型的錯誤并修正，再組織學生思考植物細胞有絲分裂的過程模型，并在動物細胞模型的基礎上修改。

設計意圖：通過自評和修正，強化學生對動植物細胞分裂異同的理解，落實結構與功能相適應的生命觀念。

4 教學反思

本節課利用建模教學策略解決“染色體如何實現平均分配”這一核心問題。首先，教師引導學生樹立建模意識，明確通過構建模型能將抽象的結構和過程具體化，有助于分析問題，是科學研究中常用的方法。其次，通過介紹扭扭棒的構造，及其與染色質各成分對應，學生體會選擇合適的材料能更加客觀準確地表征對象。在構建模型環節，教師利用子問題為學生搭建思考的脈絡，構建并利用模型提供事實經驗，幫助學生建構有絲分裂的概念。子問題和建模、用模過程相互滲透，解決問題的同時模型基本搭建完成。在根據靜態的顯微攝影圖和預測搭建模型后，教師結合“問題—思路—驗證”的科學探究過程引導學生討論檢驗模型的思路，并提供動態錄像證據。再通過學生互評、教師評價和基于建議修正模型幫助學生進一步達成深度理解。最后修改已有模型以構建植物細胞分裂模型，完善知識體系。