高中生物真實情境問題串教學設計

張孝燕

摘 要：以“減數分裂”第一課時為例，融合探究、論證、建模等教學策略，就“真實情境”和“問題串”在生物教學中對培養學生核心素養進行應用分析。實踐證明，真實情境問題串教學不僅能充分調動學生的積極性，增加師生、生生之間的互動和交流，還可有效促進學生對減數分裂相關生命觀念的構建和學科思維的養成。

關鍵詞：減數分裂；真實情境；問題串；核心素養

《普通高中生物學課程標準》（2017年版2020年修訂）指出，生物學學科核心素養是學生通過生物學課程學習逐步形成的，解決真實情境實際問題時的價值觀、必備品格和關鍵能力，其內涵包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。課堂教學發展學科核心素養，必須關注生物學的學科本質及它的理科屬性，并讓學生在生物學情境中活學活用。教學中若只是簡單事實性知識傳授，或是將學科思維直接傳遞給學生，學生沒有主動參與探索新知的過程，核心素養目標難以落實。教學中創設真實情境有利于激發學生探索生命世界內在規律的動力，設計循序漸進的問題串有助于學生通過適當的方法探究和厘清知識的內在聯系，構建相關生命觀念，并在知識構建過程中學會認識生命奧秘的思維方式和探究方法。因此高中生物采用真實情境問題串教學方式，能讓學生在明理、講理的過程中，感受學習過程的挑戰性，體驗知識掌握的成就感，從而更加積極主動地參與學習探索過程，鍛煉關鍵能力，發展生物學科核心素養。為此，本課例通過教材分析、學情分析，鎖定教學目標，選擇“探究式”“論證式”“建模式”教學策略，從學生學科能力發展水平出發，提供真實情境，設計問題串，幫助學生層層深入探索減數分裂過程，學生通過觀察、對比、猜想、推理等方法提出自己的觀點，綜合論證概括出結論，從而構建減數分裂模型，形成相關生命概念與學科思維，為核心素養視野下的真實情境問題串教學設計提供參考[1]。

一、教材分析

“減數分裂”選自人教版必修2《遺傳與進化》第二章第一節，其核心是指向減數分裂過程和結果，闡明減數分裂過程產生染色體數減半的精細胞或卵細胞；是在有絲分裂基礎上構建一種新的細胞分裂方式，為后續遺傳規律和可遺傳變異的學習奠定細胞學基礎，因而具有承上啟下作用。

二、學情分析

高中生抽象邏輯思維逐步占優勢、辯證邏輯思維開始發展，這些有助于學生在回顧有絲分裂的基礎上做出新的假設，并結合情境素材等生物學事實，進行理論與實踐等，審視既定的觀點；又由于減數分裂過程的理解是本課的重難點所在，對學生而言是新的知識，大部分學生不能獨立完成，一步到位。這就需要教師創設邏輯關聯的問題串，一步步引領學生分階段深入，通過假說與演繹、論證與推理等方法幫助學生探索減數分裂生命的過程，弱化難點、突破重點。這種在學生思維碰撞的過程中構建的模型，更有助于學生掌握減數分裂的實質，為遷移應用做準備[2]。

三、目標制定

以往的教學目標以識記減數分裂過程為目的，學生大多處于被動的接受狀態，只了解知識并沒有深入體驗知識的探索過程，學習浮于表面，不能形成深刻記憶，以致具體應用時無法得心應手。因此，本節課創設現實生命情境和探究史情境，通過設置問題串，引導學生參與探索減數分裂奧秘過程的比較、假設、推理、論證等思維過程，讓絕大部分學生達成下面素養發展目標：

生命觀念：①闡述減數分裂過程中的染色體行為；②解釋減數分裂產生染色體數目減半的配子；③闡明有性生殖的生物在減數分裂過程中，染色體發生自由組合和交叉互換，導致雙親后代的基因組合有多種可能；④理解減數分裂的意義。

科學思維：①基于科學史和證據推測減數分裂過程；②結合有性生殖過程，類比有絲分裂模型，構建減數分裂模型；③運用細胞減數分裂模型，闡明遺傳信息在有性生殖中的傳遞規律。

社會責任：認同生物通過生殖、發育和遺傳實現生命的延續和種族的繁衍；認同減數分裂對生物多樣性的意義；樹立保護生物、保護環境的責任感[3]。

四、教學過程

探究一、有性生殖產生配子的過程是哪一種分裂方式？

【情境1】春天昆蟲在花海中傳粉采蜜的視頻。

【問題1】花萬紫千紅為了啥？引出有性生殖概念。

【情境2】桃花受精圖、桃樹染色體和配子染色體圖。

【問題2】桃花體細胞是受精卵通過哪種分裂過程產生的？

【問題3】有絲分裂前后染色體數量如何變化？

【問題4】桃花有性生殖產生精子的分裂方式還是有絲分裂嗎？說說你的猜想與理由。

【提示】如果是，會是怎樣的結果？如果不是，你的判斷依據是什么？

【老師】肯定學生。大家通過認真觀察與思考，進行比較與逆向推理過程，像科學家魏斯曼一樣提出了天才般的預見：減數分裂。

設計意圖：花海視頻讓學生了解有性生殖使后代性狀多樣化，感嘆生物多樣性美并積極參與本節探究。借月季染色體圖回顧有絲分裂前后染色體數保持不變的特點，對比分析圖像資料染色體數變化，得出產生配子的分裂方式與有絲分裂不同，通過推理論證得出減數分裂普遍存在于有性生殖產生配子過程，且認同減數分裂與有絲分裂共同維持繁衍過程物種遺傳穩定性。初步認同減數分裂的存在和意義，激發思維，引發探索新分裂方式的學習動力。

探究二、減數分裂是怎樣進行的？

環節1.探索減數分裂怎樣實現染色體數目減半？

【情境1】減數分裂發現史資料1；有絲分裂示意圖。

【老師】魏斯曼預言，減數分裂是一種特殊的有絲分裂。接下來我們追隨科學家的探究史，結合有絲分裂過程，以精子的形成過程為例，預測減數分裂的染色體減半機制。

【問題1】有絲分裂過程中，哪些變化保持了染色體數目不變？

【學生】染色體復制一次，細胞分裂一次。復制后形成的姐妹染色單體在有絲分裂后期分開，染色體數增倍，增倍后的染色體隨細胞質的分裂和核膜的重建而分到兩個子細胞，保持復制前后染色體數不變。

【情境2】蝗蟲精母細胞減數分裂顯微照片；水稻花粉母細胞減數分裂顯微照片。

【問題2】類比有絲分裂，減數分裂染色體數減半，會是哪個變化引起的？

【教師】有人認為減數分裂染色體不復制，細胞分裂一次，請結合上圖判斷正誤，并提出你的理由與看法。

【學生】這種說法不正確。如果不復制，就不會出現蝗蟲精母細胞減數分裂圖中的姐妹染色單體。這與事實不符，說明減數分裂過程也進行染色體的復制。

【問題3】減數分裂染色體也復制一次，那染色體數減半的原因是什么？

【學生】分裂次數增加一次。

【追問】哪些證據可以支持這一觀點？

【學生1】科學史資料1上提到科學家們觀察發現配子母細胞形成配子的過程實際上包含了兩次連續的減數分裂過程。

【學生2】蝗蟲精母細胞和水稻花粉母細胞減數分裂顯微照片均有生成2個子細胞和4個子細胞時期。

【追問】這兩個時期的細胞分別是處于哪個時期，名稱分別是什么？

【小結】請結合上述探究過程和相關證據，歸納出減數分裂染色體數減半的機制？

【學生】精原細胞在減數分裂過程中，染色體復制一次，細胞連續分裂兩次，減數分裂I生成兩個次級精母細胞，緊接著兩個次級精母細胞通過減數分裂Ⅱ生成四個精細胞，實現染色體數減半。

【建模】小組合作填寫減數分裂模型圖中的每一次分裂的名稱和生成的細胞名稱與數量。

設計意圖：通過問題串層層分析有絲分裂染色數保持不變原因，引導學生聚焦染色體復制次數和細胞分裂次數兩個變量，結合科學家的實驗觀測數據和科學探究史資料等真實情境，推測減數分裂染色體數減半的原因，論證觀點，歸納結論。從而理解并初步構建減數分裂模型。此過程培養學生觀察對比分析的能力和在矛盾中應用單一變量原則解析原因的科學思維，學會用概念圖簡潔直觀地表達習得知識的建模思想，為本節后續的模型構建做鋪墊。

環節2.探究減數分裂第一次分裂染色體發生哪些變化？

【情境1】哺乳動物精子形成過程示意圖。

【問題1】圖中減數分裂染色體數減半，發生在哪一次分裂？

【問題2】減數第一次分裂如何實現染色體數的平均分配？

【學生】可能是姐妹染色單體分開。

【學生】圖中減數分裂Ⅱ還有姐妹染色單體，說明減數分裂I姐妹染色單體沒有分開，可能是形狀相似的染色體分開。

【問題3】這相似的一對染色體稱為什么？

【教師】引導學生閱讀課本認識同源染色體相關知識。

【過渡】課本呈現了精子形成過程示意圖，然而科學家們從發現配子形成是兩次連續的分裂過程，到弄清如圖所示減數分裂的完整過程，卻構想了巧妙的觀察方法，觀察了大量的材料，經歷了不少的爭論，花了長達30多年的時間。

【情境2】減數分裂發現史資料2。

【介紹】減數分裂發現史資料2中提到：玉米（2n=20），但在減數第一次分裂中期只能看到的染色體的數目僅是10條。

【問題4】若你是當時參與觀察的科學家，你會做怎樣的猜想？

【學生】與有絲分裂比較，染色體復制次數不變，減數第一次分裂中期細胞質也沒有分裂，所以染色體并沒有真正減少，觀察到減少現象的原因可能是同源染色體配對了。

【問題5】染色體如何配對呢？你的猜想依據是什么？證據是什么？

【學生】配對的染色體中，一半來自父本，一半來自母本。猜想依據是如果配對是在父本內或母本內的染色體進行，非同源染色體間的大小不等，配對后不會那么整齊，且可能出現剩下一條不能成對的情況。而且減數分裂發現史資料2中，蒙哥馬利（1901）做了染色體大小差異很大的（2n=14）物種的染色體配對觀察結果證實了這一觀點。

【問題6】同源染色體在減數第一次分裂中還會發生哪些行為變化？

【學生】同源染色體聯會時可能發生同源染色體的非姐妹單體間的互換。

【學生】后期同源染色體會彼此分開，隨細胞質分裂進入不同的次級精母細胞。

【問題7】進入同一次級精母細胞的染色體都來自父母一方還是隨機分配？

【問題8】你是怎樣得出這個猜想？

【學生】如果來自父方或母方的源染色體均進入同一次級精母細胞，生成的配子將只有兩種類型，這與自然界中“一豬生九仔，個個不一樣”的事實相矛盾。所以我認為是隨機分配。

【學生】由課本提供的果蠅配子中染色體有紅色也有藍色，猜測同源染色體是隨機分配的。

【學生】研究史料2中提到：卡羅瑟斯統計了300多個雄蝗蟲（X染色體僅一條）減數第一次后期的細胞，發現X染色體與另一對大小相異的同源染色體的組合，接近1：1。這結果證明同源染色體是隨機地分向兩極的。

【情境3】果蠅中雌雄體細胞染色體圖和配子染色體圖。

【問題9】果蠅染色體（2n=8），如果父本的染色體歸向一極，母本的染色體歸向另一極，則產生的配子類型有幾種？如果同源染色體的分離與組合也隨機獨立的，則產生的配子類型有幾種？

【學生】分別是2種和24種。

【情境4】人染色體的掃描電鏡照片。

【問題10】上述兩種情況，人類精原細胞通過減數分裂分別能產生幾種精細胞？

【學生】2種和223種。

【問題11】由減數第一次分裂同源染色體隨機分配，有的還進行互換，可以得出減數分裂的生物學意義有哪些？

【學生】可以增加配子種類數。

【學生】有性生殖通過減數分裂，產生不同類型的配子，增加合子種類數，使品種多樣化，豐富了生物的多樣性，提高物種對不同環境的適應性。

【情境4】有研究表明抽煙影響男性精子活動，環境破壞使得一些生物無法繁衍后代。為保護多樣性，我們可以做的事情是什么？

【學生】健康生活，保護環境。

【小結】綜合上述探究請簡述減數第一次分裂同源染色體行為變化。

【學生】減數第一次分裂中，同源染色體兩兩配對，有的會互換，然后被紡錘絲牽引著進入兩極，隨細胞質分裂進入不同的子細胞。

【建模】類比有絲分裂，構建減數第一次分裂的間期與前、中、后、末等分裂期模型圖。

設計意圖：通過問題串，引導學生層層遞進探究減數分裂過程染色體行為變化，讓學生思維深度得到發展。以減數分裂探究史為情境，對減數第一次分裂前期同源染色體配對行為進行假設和論證，得出染色體的配對方式；對笨蝗性染色體、果蠅染色體再到人類染色體規律分配和隨機分配兩種方式產生配子種類的探討，推測出減數分裂第一次分裂同源染色體隨機分配，讓學生親身體驗科學探究過程，并感受捕捉特殊生命現象對得出一般生命規律的重要參考價值，理解有性生殖遺傳信息通過配子傳遞給后代。學會善于觀察和由簡到繁的科學探究方法，養成猜想—假說—推理—論證的思維習慣，并結合新知識類比已知有絲分裂模型構建減數分裂第一次分裂過程。

環節3.探究減數第二次分裂，姐妹染色單體如何變化？

【情境】減數分裂視頻。

【問題1】減數分裂第二次分裂中最突出的染色行為變化是什么？

【學生】姐妹染色單體分開，分別進入不同的子細胞。

【問題2】此過程染色體數量如何變化？

【問題3】減數第二次分裂就是有絲分裂嗎？請作出你的判斷，并說明理由。

【學生】是，因為減數分裂Ⅱ分裂前后染色體數不變。

【學生】不是，因為減數分裂Ⅱ分裂前沒有經歷分裂間期，且不存在同源染色體。

【追問】減數分裂Ⅱ中也有大小一樣，形態相同的染色體，為什么不是同源染體？

【學生】同源染色體在減數分裂Ⅰ已分到不同的次級精母細胞，不再含同源染色體。

【學生】同源染色體還需要滿足一條來自父方，一條來自母方，減數分裂Ⅱ中兩條相同的染色體是姐妹染色單體因著絲粒分裂而得的，是來自同一親本的染色體，所以不含。

【小結】綜合上述探究請描述減數第二次分裂過程與結果。

【學生】減數第一次分裂生成的次級精母細胞緊接著進行減數第二次分裂，姐妹染色單體分開，染色體數恢復體細胞染色體數。隨著細胞質的分裂，染色體數平均分配到2個精細胞中，每個精細胞只含體細胞染色體數的一半，減數第一次分裂生成兩個次級精母細胞共生成四個精細胞。

【建模】類比有絲分裂，構建減數第二次分裂的前、中、后、末等分裂期模型圖。

設計意圖：通過減數分裂視頻播放能讓學生對減數分裂過程有直觀整體的認識，又對接著的減數分裂Ⅱ的學習起承上啟下的作用。通過問題串幫助學生找出減數第二次分裂的特點，并從現象到本質分析同源染色體的概念，進一步鞏固減數第一次分裂完成同源染色體的平均分配，明確減數第二次分裂不再存在同源染色體，大小相同的染色體為來自同一親本的染色體，從而有效突破易混淆知識難點，并學會從本質上探索生命現象的研究方法，并學會用理說理，達到去偽存真。

環節4.探究精細胞到精子發生了哪些變化？

【情境】精子形成過程圖。

【問題1】精細胞在形成精子的過程發生哪些變化？

【問題2】這對繁衍后代有何意義？

【問題3】有性生殖形成的受精卵中遺傳物質一半來自父本，一半來自母本，這句話可對？

設計意圖：通過比較精細胞與精子的不同，讓學生樹立結構與功能相適應的生命觀念。通過意義分析讓學生理解有性生殖是通過減數分裂產生精細胞等生殖細胞將遺傳信息傳遞給后代。最后通過辨析遺傳物質是否各半，引導學生發散思維并引導學生預習本節第二課時內容。

探究三、完善并應用減數分裂模型，闡明遺傳信息在減數分裂中的傳遞規律。

【情境】果蠅是遺傳學研究最常用的二倍體生物，體細胞含有8條染色體，請根據本節探究結果，小組合作完善果蠅精原細胞減數分裂模型圖，并繪制減數分裂染色體數目變化曲線圖。

分享與交流：

【問題1】你們組是怎樣完善模型構建的？模型解析了怎樣的遺傳信息傳遞規律？

【問題2】染色體數目變化曲線圖的橫縱坐標怎么確定，依據是什么？

【問題3】曲線中有哪幾個拐點，拐點的原因是什么？

【問題4】除上述模型外，你們還想構建哪一類型的減數分裂模型？（作為小組作業上交）

【問題5】對本節減數分裂過程知識，你還想了解哪些奧秘？試著搜集相關資料。（同上）

設計意圖：通過小組合作完善模型和繪制曲線圖問題情境，為不同理解層次的學生提供梳理本節探究思路與總結規律的載體。由于初次繪制減數分裂染色體數目變化圖對大多數學生而言是比較困難的，采用小組合作形式，并設置問題串，能幫助生生互助且更快速找到解決情境問題的矛盾點，從而準確鎖定變量及變量背后的原理，讓難點淡化、邏輯達成。最后通過布置實物模型，讓學生真切感知減數分裂過程及其本質，培養動手實驗能力、互助協作及評價與修正能力[4]。

五、教學反思

本文由自然生命現象引出有性生殖產生配子分裂方式是減數分裂，接著提供具體生物減數分裂電鏡掃描圖和減數分裂探究資料史，引導學生對照已知的有絲分裂知識，沿著教師設置的問題串進行由表及里地展開對減數分裂奧秘的探索，讓減數分裂模型構建過程充滿挑戰，環環相扣，層層深入。真實情境的應用，讓學生為主體的素養培養育人理念更易實現，通過與有絲分裂的對比，讓學生從熟悉的情境中出發，讓思維有所借鑒；提供減數分裂探究史，幫助學生在陌生情境中收集處理數據，讓思路有所拓展；提供具體事實，幫助學生分析判斷，讓思維結果的表達論證更具說服力。問題串的設計不僅關注學生相關生命觀念的形成，還考查和培養了學生自覺運用類比法、控制變量法、論證法及概括歸納法等解決新情境新問題的思維習慣和能力[5]。

結束語

因此，問題串與真實情境相交融更有助于引導學生沉浸式參與課堂教學互動，并在探索生物學奧秘中發展閱讀理解與加工處理信息的能力，在同伴不同思維碰撞和個人猜想、推測、說理、論證中發展高階思維和創新思維能力，從而更好地在生物學科學習中培養和發展學科核心素養。

參考文獻

[1]閆霞，安軍.基于科學思維和科學探究的“減數分裂第1課時”教學設計[J].生物學通報，2019，54（7）：14-16.

[2]劉恩山.中學生物學教學論（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2020.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[4]楊大祥.減數分裂的研究歷史[J].生物學教學，2007（1）：61-63.

[5]朱麗麗.基于真實問題情境培養化學學科核心素養的課堂研究：以“金屬鈉的性質與應用”教學為例[J].化學教與學，2021（1）：10-14.

本文系福建省教育科學“十四五”規劃2021年度課題“高中生物真實情境化教學中問題串設計有效性研究”（立項批準號：FJJKZX21-644）的研究成果。