基于認(rèn)知原理的高中生物“減數(shù)分裂”教學(xué)研究

慕曉茹

（大連教育學(xué)院 高中教師教育中心，遼寧 大連116021）

在高中生物教學(xué)中，“減數(shù)分裂”由于是微觀、動態(tài)、連續(xù)變化的過程，給準(zhǔn)確認(rèn)知帶來困難而成為教學(xué)的難點。[1]染色體行為變化的認(rèn)知過程中伴隨著諸多新概念術(shù)語的學(xué)習(xí)，這些術(shù)語又需要即學(xué)即用，這些新術(shù)語的數(shù)量達(dá)到了工作記憶容量的上限，對多數(shù)學(xué)生而言構(gòu)成了較重的認(rèn)知負(fù)荷，這也是構(gòu)成認(rèn)知難點的原因之一。如何進(jìn)行教學(xué)設(shè)計與實施才能有效突破和化解學(xué)生認(rèn)知難點？長期的教學(xué)實踐表明，主要基于教材內(nèi)容的知識解析并沒有獲得理想的教學(xué)問題解決，我們基于認(rèn)知原理尋求突破并獲得了“教的輕松、學(xué)的滿意”的教學(xué)路徑。

一、基于認(rèn)知原理的“減數(shù)分裂”教學(xué)問題

認(rèn)知有廣義與狹義之分，廣義的認(rèn)知與認(rèn)識是同一概念，是人腦反映客觀事物的特性與聯(lián)系，揭露事物對人的意義與作用的心理活動。[2]現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)為，認(rèn)知作為復(fù)雜心理系統(tǒng)中的子系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)、過程和功能三個維度[3]，這對我們的教學(xué)研究有啟示與指導(dǎo)作用。針對人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教材（教科書）高中生物必修2第2章第1節(jié)的“減數(shù)分裂”[4]的教學(xué)，從認(rèn)知結(jié)構(gòu)、過程和功能三個維度提出如下教學(xué)問題。

1.認(rèn)知結(jié)構(gòu)性問題

認(rèn)知的結(jié)構(gòu)意義在于，認(rèn)知以個人已有的知識結(jié)構(gòu)來接納新知識，新知識為舊知識結(jié)構(gòu)所吸收，舊知識結(jié)構(gòu)又從中得到改造與發(fā)展。原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)與新結(jié)構(gòu)的關(guān)系、是否易于區(qū)分及原有知識掌握的如何則構(gòu)成了認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量。

從認(rèn)知結(jié)構(gòu)方面來看，學(xué)生對減數(shù)分裂是否已有認(rèn)知以及認(rèn)知水平如何？學(xué)生的已有相關(guān)知識經(jīng)驗作為認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量的可利用性、分辨性與穩(wěn)固性如何？

2.認(rèn)知過程性問題

認(rèn)知過程兼具階段和處理兩方面含義。從簡單到復(fù)雜、從感性到理性、從現(xiàn)象到本質(zhì)、從易到難、從已知到未知等等，這是認(rèn)識發(fā)展的過程階段；認(rèn)識的建構(gòu)方式及相應(yīng)的環(huán)境條件與應(yīng)用活動等則體現(xiàn)了認(rèn)知的處理過程。

同時，依據(jù)認(rèn)知建構(gòu)理論，要想讓學(xué)習(xí)者的認(rèn)知得到發(fā)展，認(rèn)知建構(gòu)過程需要經(jīng)歷這樣的環(huán)節(jié)：已有認(rèn)識激活，足夠的信息資源或體驗活動，運用所獲得的認(rèn)識于實踐活動，總結(jié)反思自我的認(rèn)知發(fā)展。

從認(rèn)知過程階段方面來看，學(xué)生對減數(shù)分裂是否有感性認(rèn)識？達(dá)到什么水平？減數(shù)分裂是微觀、動態(tài)、連續(xù)變化的過程，細(xì)胞形態(tài)變化與染色體行為變化又錯綜相伴。那么，人類是如何從宏觀到微觀、從現(xiàn)象到本質(zhì)來認(rèn)識減數(shù)分裂過程的？對課堂上減數(shù)分裂的認(rèn)知建構(gòu)過程有何教學(xué)意義？

從認(rèn)知過程處理方面來看，學(xué)生學(xué)習(xí)減數(shù)分裂的更好的認(rèn)知建構(gòu)方式是什么？什么樣的活動及序列安排更有利于促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識與理解染色體行為的動態(tài)連續(xù)變化？人類是以怎樣的方式來建構(gòu)有絲分裂與減數(shù)分裂知識的？對課堂上減數(shù)分裂的認(rèn)知建構(gòu)過程有何教學(xué)意義？

從認(rèn)知建構(gòu)過程環(huán)節(jié)來看，老師需要做到的是：明確和激發(fā)學(xué)生的已有認(rèn)知，并確定認(rèn)知發(fā)展點；為學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展提供足夠的現(xiàn)象或體驗；為學(xué)生設(shè)計運用知識的具體實踐活動，以幫助學(xué)生獲得穩(wěn)定的認(rèn)知行為；引領(lǐng)學(xué)生反思總結(jié)，并設(shè)計評價檢測以對學(xué)習(xí)結(jié)果給予反饋。同時，良好的認(rèn)知建構(gòu)活動，還應(yīng)該具備認(rèn)知建構(gòu)的情境、途徑方法和必要且合理的認(rèn)知序列（邏輯思路）。我們?nèi)绾蝸碓O(shè)計落實認(rèn)知建構(gòu)過程環(huán)節(jié)，如何設(shè)計情境、途徑方法及認(rèn)知序列？學(xué)生在初中生物內(nèi)容學(xué)習(xí)中對染色體圖是否有或應(yīng)該有學(xué)習(xí)經(jīng)驗？如何基于學(xué)生已有知識經(jīng)驗設(shè)計認(rèn)知發(fā)展點？

教師用書[1]中建議教師介紹減數(shù)分裂發(fā)現(xiàn)簡史，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；關(guān)于魏斯曼的預(yù)言，教師用書中又指出應(yīng)向?qū)W生講清楚預(yù)言是在對大量事實進(jìn)行觀察、分析的基礎(chǔ)上憑借敏銳的洞察力所做的大膽推測，是在事實與經(jīng)驗基礎(chǔ)上的真知灼見。那么，教師如何“講”清楚？如何讓學(xué)生能體驗到是在事實與經(jīng)驗基礎(chǔ)上的大膽預(yù)見？教材中關(guān)于減數(shù)分裂發(fā)現(xiàn)史的文本信息可以構(gòu)成這種體驗嗎？早期發(fā)現(xiàn)減數(shù)分裂現(xiàn)象的觀察對象并不是果蠅染色體，問題探討欄目設(shè)計的猜測過程可以構(gòu)成這種體驗嗎？

教師用書中建議將教材第2小節(jié)的模型建構(gòu)活動前移，意圖是讓學(xué)生從有絲分裂染色體行為變化模型進(jìn)一步猜想減數(shù)分裂的中間過程。那么，模型建構(gòu)活動在減數(shù)分裂及受精作用學(xué)習(xí)過程中的教學(xué)價值是什么？

如何降低減數(shù)分裂染色體行為變化認(rèn)知過程處理中的認(rèn)知負(fù)荷？染色體行為認(rèn)知過程中先后伴隨著精原細(xì)胞、同源染色體、聯(lián)會、四分體、交叉互換、初級精母細(xì)胞、次級精母細(xì)胞等新術(shù)語的學(xué)習(xí)，還有染色質(zhì)因形態(tài)變化的染色質(zhì)與染色體術(shù)語的轉(zhuǎn)換、因行為變化的染色體與姐妹染色單體的術(shù)語轉(zhuǎn)換等，還有派生的非同源染色體、非姐妹染色單體等，這讓多數(shù)學(xué)生感覺認(rèn)知負(fù)荷超載。那么，教學(xué)中如何分散或降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷？對同源染色體的理解水平影響進(jìn)一步的染色體行為學(xué)習(xí)，其教學(xué)任務(wù)相對獨立且需時較長，能否將同源染色體學(xué)習(xí)內(nèi)容從減數(shù)分裂過程中分離出來提前學(xué)習(xí)？怎樣的認(rèn)知序列是更符合學(xué)生的認(rèn)知邏輯的，是更有效或高效的？

3.認(rèn)知功能性問題

科學(xué)知識具有認(rèn)知功能，認(rèn)知的功能意義在于，一定的科學(xué)知識可以豐富與促進(jìn)相應(yīng)或其它認(rèn)知對象的認(rèn)知發(fā)展。

從認(rèn)知功能意義方面來看，已有知識經(jīng)驗對減數(shù)分裂（高中階段）學(xué)習(xí)的認(rèn)知發(fā)展價值是什么？在減數(shù)分裂學(xué)習(xí)中如何運用？減數(shù)分裂對后續(xù)學(xué)習(xí)的其它認(rèn)知對象的認(rèn)知發(fā)展價值是什么？在減數(shù)分裂學(xué)習(xí)中如何體現(xiàn)？

二、問題解決及教學(xué)設(shè)計與實施

1.尋求問題解答

在相關(guān)教學(xué)問題提出及追問過程中，我們意識到了解科學(xué)史、閱讀初中生物課標(biāo)與教材的必要。

初中生物課標(biāo)與教材第二單元第二章第二節(jié)內(nèi)容[5]基本回答了認(rèn)知結(jié)構(gòu)性問題和認(rèn)知過程階段問題。在了解學(xué)生初中階段生物學(xué)習(xí)的相關(guān)知識經(jīng)驗的過程中，對高中生物減數(shù)分裂內(nèi)容的理想學(xué)習(xí)起點有了如下的準(zhǔn)確認(rèn)識：學(xué)生對減數(shù)分裂已建立了一些觀念認(rèn)識，即科學(xué)家在顯微鏡下觀察并證實精子或卵細(xì)胞的染色體數(shù)目確實減少了一半，且不是任意的一半，是每對中的一條染色體進(jìn)入了精子或卵細(xì)胞；學(xué)生初中知識經(jīng)驗與高中內(nèi)容構(gòu)成認(rèn)知結(jié)構(gòu)的上位類屬關(guān)系、感性到理性和現(xiàn)象到本質(zhì)的認(rèn)識階段遞進(jìn)關(guān)系，學(xué)生初中的知識經(jīng)驗具有觀念固著的先行組織者認(rèn)知功能；學(xué)生知道人體細(xì)胞染色體圖譜，對“同源”與“成對”已建立模糊的先前觀念，已了解減數(shù)分裂的結(jié)果，等等。這些相關(guān)學(xué)情促進(jìn)我們思考并審視以往的教學(xué)，激活學(xué)生已有知識經(jīng)驗，讓學(xué)生能在恰當(dāng)?shù)睦硐肫瘘c開始學(xué)習(xí)，這是解決減數(shù)分裂認(rèn)知難點的策略選擇。

科學(xué)史則解答了認(rèn)知過程處理問題。我們清楚了減數(shù)分裂的科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程，減數(shù)分裂詳細(xì)過程的闡明更多地是基于實驗觀察和基于事實的想像，科學(xué)知識的建構(gòu)方式給學(xué)習(xí)方式設(shè)計以重要啟示。顯化事實與經(jīng)驗才能讓學(xué)生感知到減數(shù)分裂知識建構(gòu)過程中的敏銳洞察與大膽預(yù)見，魏斯曼的特殊研究經(jīng)歷、顯微圖像辨識困難及近40年探索研究等科學(xué)史的關(guān)鍵細(xì)節(jié)可以增進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解。學(xué)生以探究方式進(jìn)行學(xué)習(xí)應(yīng)是教學(xué)設(shè)計研究的重點，“減數(shù)分裂過程染色體行為變化”可以給出實驗事實讓學(xué)生自主觀察研究，減數(shù)分裂的概念也可以后置由學(xué)生嘗試概括。

有絲分裂的學(xué)習(xí)對減數(shù)分裂學(xué)習(xí)具有圖式與心理模型意義，初中相關(guān)知識經(jīng)驗的回顧再現(xiàn)可以給學(xué)生更上位的知識結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生以“一覽眾山小”的心理狀態(tài)進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)任務(wù)明確、學(xué)習(xí)目標(biāo)清晰。模型建構(gòu)活動并不是減數(shù)分裂科學(xué)知識的建構(gòu)方式，其教學(xué)價值在于：一是讓學(xué)生有機(jī)會運用獲得的知識于具體實踐活動，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識與理解染色體的動態(tài)連續(xù)行為變化；二是讓學(xué)生體會其中的分離與自由組合行為、認(rèn)識與理解配子染色體組合的多樣性，理解變異的細(xì)胞學(xué)本質(zhì)，體現(xiàn)了認(rèn)知的認(rèn)知功能（認(rèn)識其他認(rèn)知對象）。

2.教學(xué)設(shè)計與實施

在回答所提出的教學(xué)問題的同時，我們也同步進(jìn)行人教版必修2第2章第1節(jié)“減數(shù)分裂與受精作用”的“減數(shù)分裂”內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計研究與實施探索。教師用書建議“減數(shù)分裂與受精作用”內(nèi)容分配2課時，我們所設(shè)計的具體教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)序列及課時分配是：第1課時：同源染色體、減數(shù)分裂過程（染色體行為變化）、減數(shù)分裂概念、精子形成的完整過程；第2課時：卵子的形成過程、觀察蝗蟲精母細(xì)胞減數(shù)分裂固定裝片。下面是第1課時的教學(xué)過程設(shè)計與實施說明。

（1）在初高中內(nèi)容銜接中有效導(dǎo)入與前置“同源染色體”教學(xué)

通過初中教材圖片、相關(guān)頁面的呈現(xiàn)，在激活初中知識經(jīng)驗的過程中，在完成初、高中內(nèi)容銜接過程中，設(shè)計先行組織者（見圖1），實現(xiàn)由上位到下位、由感性到理性、由已知到未知的認(rèn)知過程引導(dǎo)。由于學(xué)生遺忘率較高，即作為固著的知識經(jīng)驗的“穩(wěn)固性”比較差，需要老師幫助回顧甚至補(bǔ)習(xí)，這涉及初、高中銜接教學(xué)的微觀策略方法。

在章導(dǎo)入中，通過初中教材中人體細(xì)胞染色體圖譜激活學(xué)生關(guān)于染色體成對存在的觀念；在節(jié)導(dǎo)入中，棄用教材果蠅染色體圖，由再現(xiàn)初中教材中的“圖VII－11生殖過程中染色體的變化”填圖練習(xí)而順勢完成了“同源染色體”概念的學(xué)習(xí)，這解決了長期困繞教學(xué)的“同源染色體”學(xué)習(xí)沖淡重點（減數(shù)分裂過程）進(jìn)而導(dǎo)致的教學(xué)邏輯或?qū)哟胃薪档偷慕虒W(xué)問題，同時也分散了染色體行為變化學(xué)習(xí)中的認(rèn)知負(fù)荷。

導(dǎo)入教學(xué)結(jié)束時，在大屏幕上（或板書）完成了本節(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容的知識框架圖如圖1，這是由初中教材中的填圖練習(xí)圖演化而成的。

圖1 “減數(shù)分裂與受精作用”教學(xué)的先行組織者

（2）感知科學(xué)知識建構(gòu)過程并以探究方式學(xué)習(xí)減數(shù)分裂過程

有絲分裂過程發(fā)現(xiàn)不久，研究者又觀察證實了魏斯曼所做的“染色體減半分裂”過程的預(yù)言，經(jīng)歷大量的實驗觀察，并隨著顯微技術(shù)的進(jìn)步，直到1930年才在細(xì)胞學(xué)家與遺傳學(xué)家的共同努力下探明了減數(shù)分裂的全部過程。

基于這樣的科學(xué)史實，我們力圖能顯化由感性到理性、由現(xiàn)象到本質(zhì)的認(rèn)識飛躍過程。我們設(shè)計先引領(lǐng)學(xué)生回顧有絲分裂內(nèi)容，再讓學(xué)生以觀察研究者的角色發(fā)現(xiàn)（學(xué)習(xí)）“減數(shù)分裂過程染色體行為變化”，之后讓學(xué)生抽象概括減數(shù)分裂的概念。

當(dāng)然我們只能設(shè)定一些模擬場景以引起學(xué)生的內(nèi)心體驗，比如魏斯曼因眼疾轉(zhuǎn)而理論研究的史實交待，早期大量的實驗與觀察，顯微視野圖像與電鏡下圖像、顯微鏡下視野圖像與模式圖的先后呈現(xiàn)與轉(zhuǎn)換，早期顯微鏡下的視野圖像辨認(rèn)困難等，如此觀察與事實基礎(chǔ)，科學(xué)知識建構(gòu)的真實過程就得以顯化，體驗才可以產(chǎn)生。真實圖像與模式圖的切換也為“觀察蝗蟲精母細(xì)胞減數(shù)分裂固定裝片”實驗建立了認(rèn)知基礎(chǔ)。

在章、節(jié)導(dǎo)入有所交待的基礎(chǔ)上，觀察研究活動的邏輯切入點實際已經(jīng)建立，這部分教學(xué)是從顯微鏡下真實視野呈現(xiàn)轉(zhuǎn)換到模式圖，如此就在真實與模仿之間建立了內(nèi)在聯(lián)系，接下來的學(xué)生觀察探究活動就好比科學(xué)家在顯微鏡下觀察研究一樣。學(xué)生雖然沒有親歷實驗與觀察，觀察研究的也不是真實的顯微鏡視野下的圖像，但同樣要運用如科學(xué)家一樣的觀察研究方法，如科學(xué)家一樣求索與思考，體驗并經(jīng)歷著如科學(xué)家一樣的發(fā)現(xiàn)環(huán)節(jié)、一樣的想像猜測與抽象概括等思維活動、一樣的建構(gòu)“減數(shù)分裂”知識的過程。

需要說明的是，減數(shù)分裂過程染色體行為變化的探究性學(xué)習(xí)，需要對教材內(nèi)容做必要的處理：將教材圖2－2中的文字去掉，將四對染色體改為兩對染色體，減數(shù)分裂概念（教材黑體字）后置并由學(xué)生嘗試抽象概括。將文字去掉，就使知識的意義只是隱含在圖像中，需要學(xué)生經(jīng)歷著事實的觀察發(fā)現(xiàn)、各概念術(shù)語的嘗試發(fā)明過程，需要學(xué)生自己去提取、去抽象概括，如果不做這樣的處理，發(fā)現(xiàn)與探究就無從發(fā)生。在這樣的探究學(xué)習(xí)過程中，諸多概念術(shù)語不再如橫空出世般強(qiáng)制學(xué)生認(rèn)識，認(rèn)知負(fù)荷有效弱化；四對八條染色體改成兩對四條染色體，染色體數(shù)目及行為變化更簡潔清晰，便于學(xué)生觀察并更有效地提取信息意義，且提高了課堂中發(fā)現(xiàn)與探究的效率，當(dāng)然這種簡潔化處理也與導(dǎo)入結(jié)束時的先行組織者圖是匹配一致的。

（3）以精子形成為例學(xué)習(xí)配子形成的完整過程

回到導(dǎo)入結(jié)束時的圖，由此在知識整體框架了然中導(dǎo)入配子形成過程學(xué)習(xí)。在這段教學(xué)中，學(xué)生將有機(jī)會以精子為例說明配子的形成過程、闡明細(xì)胞的減數(shù)分裂過程，學(xué)習(xí)行為恰與課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)相匹配。

這里需要說明的是，卵細(xì)胞的形成過程設(shè)計為課后作業(yè)，并在第2課時中讓學(xué)生以卵子為例說明配子的形成過程，如此設(shè)計主要基于兩點考慮：一是給學(xué)生機(jī)會再次表現(xiàn)與內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)匹配的學(xué)習(xí)行為；二是替代了“觀察蝗蟲精母細(xì)胞減數(shù)分裂固定裝片”實驗的相關(guān)知識依據(jù)的回顧環(huán)節(jié)，教學(xué)系統(tǒng)因而得以優(yōu)化。

（4）重溫認(rèn)知建構(gòu)過程并以概述配子形成過程作總結(jié)

在這個環(huán)節(jié)中，要顯化學(xué)生的認(rèn)知建構(gòu)過程，概述并不是簡單的知識是什么水平的概述，而是在認(rèn)知建構(gòu)過程的重溫中概述，這其中必然有認(rèn)知發(fā)展過程的反思或元認(rèn)知。

（5）建構(gòu)減數(shù)分裂染色體行為變化的模型以評價學(xué)習(xí)效果

教師用自制學(xué)具設(shè)計模型建構(gòu)學(xué)習(xí)活動：用彩色扭扭棒（或用塑浸金屬線）代替橡皮泥，長短兩組，兩種顏色分別代表兩套染色體，另有同色紙圈（扭扭棒可恰好穿過）做交叉互換模擬（金屬線則直接剪連接），金屬線緾繞固定做著絲點。與橡皮泥比較，扭扭棒（或塑浸金屬線）更易于成形，并方便交流展示。

安排學(xué)生分小組建立減數(shù)分裂染色體行為變化的模型，意圖是：一是針對本節(jié)重難點（染色體行為變化）給學(xué)生提供運用所獲認(rèn)知的實踐應(yīng)用活動，同時也是學(xué)生學(xué)習(xí)效果的自我評價活動；二是引導(dǎo)學(xué)生體會同源染色體分離與非同源染色體自由組合，體會配子染色體組合的多樣性，即還可以體現(xiàn)減數(shù)分裂知識對遺傳規(guī)律本質(zhì)理解與受精作用配子染色體組合多樣性及意義的認(rèn)知發(fā)展價值。我們基于認(rèn)知原理進(jìn)行深入系統(tǒng)的教學(xué)研究所設(shè)計與實施的減數(shù)分裂教學(xué)，解決了長期困擾教學(xué)的“同源染色體”教學(xué)序列位置問題，且有效分散了染色體行為變化學(xué)習(xí)中的認(rèn)知負(fù)荷；本課例中2課時內(nèi)容分配及序列安排、模型建構(gòu)活動的認(rèn)知與學(xué)習(xí)評價功能合一設(shè)計等，則使教學(xué)系統(tǒng)得以優(yōu)化；通過真實圖像與模式圖的切換建立探究的場景，簡約再現(xiàn)減數(shù)分裂知識的建構(gòu)方式與過程，讓學(xué)生以探究性學(xué)習(xí)方式學(xué)習(xí)，并像科學(xué)家一樣自主發(fā)現(xiàn)及建構(gòu)減數(shù)分裂染色體行為的知識，徹底改變了學(xué)習(xí)方式，有效落實了新課程倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)的課程理念，當(dāng)然教學(xué)效果也得以最大化。

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，生物課程教材研究開發(fā)中心.普通普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·生物2遺傳與進(jìn)化（必修）教師教學(xué)用書：2版[M].北京：人民教育出版社，2010：43－47.

[2]朱智賢.心理學(xué)大辭典[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，1959：536.

[3]邢強(qiáng).認(rèn)知發(fā)展研究的新趨勢與貢獻(xiàn)[J].湖南師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)報，2003（1）：73－75.

[4]人民教育出版社，課程教材研究所，生物課程教材研究開發(fā)中心.普通普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·生物2（必修）遺傳與進(jìn)化.第2版[M].北京：人民教育出版社，2010：15－21.

[5]課程教材研究所生物課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·生物學(xué)·八年級下冊[M].北京：人民教育出版社，2008：28－31.