基于理性思維培養(yǎng)的有絲分裂實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

李 佳

(首都師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100048)

郭琪琦

(廣東省深圳市第二實(shí)驗(yàn)學(xué)校 518021)

1 問題的提出

“觀察根尖分生組織細(xì)胞的有絲分裂”是人教版高中生物學(xué)教材必修1《分子與細(xì)胞》的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的目的是通過對細(xì)胞分裂圖像的觀察，識(shí)別有絲分裂的不同時(shí)期，并比較細(xì)胞周期在不同時(shí)期的時(shí)間長短。然而，由于該實(shí)驗(yàn)操作過程比較復(fù)雜，解離、漂洗等操作的處理時(shí)長不易掌控，學(xué)生實(shí)驗(yàn)的結(jié)果往往并不理想，難以在視野中找到處于各個(gè)時(shí)期的清晰的細(xì)胞圖像，進(jìn)而影響對細(xì)胞周期的深入研究。而且，學(xué)生在之前的“觀察DNA和RNA在細(xì)胞中的分布”“用高倍鏡觀察葉綠體和線粒體”、“質(zhì)壁分離及復(fù)原的觀察”等實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)掌握了制作臨時(shí)裝片的基本方法，并做過兩次染色實(shí)驗(yàn)，再在“觀察根尖分生組織細(xì)胞的有絲分裂”實(shí)驗(yàn)中制作臨時(shí)裝片，屬于同一實(shí)驗(yàn)操作技能的重復(fù)，既不利于學(xué)生的多種核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，也容易導(dǎo)致學(xué)生對實(shí)驗(yàn)失去興趣。

美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》將“建立和使用模型”“分析和解釋數(shù)據(jù)”列入能夠促進(jìn)學(xué)生理解學(xué)科核心概念的核心科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)[1]。我國2017年頒布的“普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)”將培養(yǎng)學(xué)生的理性思維作為生物學(xué)科的核心素養(yǎng)之一，其中運(yùn)用圖示或模型等方式表達(dá)闡明生物學(xué)規(guī)律屬于較高水平的理性思維。因此，培養(yǎng)學(xué)生包括數(shù)學(xué)方法和模型方法的理性思維就顯得尤為重要[2]。在“觀察根尖分生組織細(xì)胞的有絲分裂”實(shí)驗(yàn)中通過建立和使用模型去識(shí)別觀察到的細(xì)胞圖像，通過估測細(xì)胞周期的持續(xù)時(shí)間來訓(xùn)練學(xué)生分析和解釋數(shù)據(jù)的能力，更能夠發(fā)揮該實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生理性思維方面的功能。

基于此，本文借鑒美國主流生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教材[3]，用根尖細(xì)胞有絲分裂固定裝片替代學(xué)生的自制裝片，以培養(yǎng)學(xué)生理性思維為目的，對人教版有絲分裂實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 有絲分裂實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)分為兩部分：實(shí)驗(yàn)一建立數(shù)學(xué)模型有絲分裂樹，讓學(xué)生利用有絲分裂樹對有絲分裂過程進(jìn)行識(shí)別和分析，數(shù)學(xué)模型的運(yùn)用可以將感性的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為理性的分析；實(shí)驗(yàn)二估測細(xì)胞周期的持續(xù)時(shí)間，在人教版實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集和處理進(jìn)行了細(xì)化和深化，以提高學(xué)生收集和處理數(shù)據(jù)的能力。

2.1 實(shí)驗(yàn)一：識(shí)別有絲分裂的各個(gè)時(shí)期 用圖1中的有絲分裂樹去識(shí)別圖2中細(xì)胞周期的不同分裂時(shí)期。

圖1 有絲分裂樹

圖2 識(shí)別細(xì)胞周期的不同分裂時(shí)期

2.2 實(shí)驗(yàn)二：估測細(xì)胞周期的持續(xù)時(shí)間 觀察細(xì)胞有絲分裂固定裝片，從裝片中可以觀察到很多細(xì)胞正處于某一分裂時(shí)期，也可以觀察到處于有絲分裂各個(gè)時(shí)期的細(xì)胞數(shù)目。用以上數(shù)據(jù)可以估測細(xì)胞周期中各時(shí)期的相對持續(xù)時(shí)間。

(1) 學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每個(gè)人使用的材料有：一個(gè)洋蔥根尖細(xì)胞有絲分裂固定裝片和一臺(tái)復(fù)式顯微鏡。用高倍鏡觀察裝片。將視野對準(zhǔn)洋蔥根尖部分，洋蔥根尖中會(huì)有許多細(xì)胞正在進(jìn)行有絲分裂。老師幫助學(xué)生學(xué)會(huì)如何確定裝片的最佳視野。

(2) 利用洋蔥根尖細(xì)胞有絲分裂的各個(gè)時(shí)期的裝片，計(jì)算視野中處于不同分裂時(shí)期的細(xì)胞數(shù)目。將結(jié)果記錄在表1。

(3) 對步驟(2)進(jìn)行兩次重復(fù)實(shí)驗(yàn)(這樣會(huì)得到3個(gè)不同視野中洋蔥細(xì)胞的總數(shù)目)，將2次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都記錄在表1。

(4) 計(jì)算每個(gè)視野中的細(xì)胞總數(shù)，并將結(jié)果記錄在表1。

(5) 計(jì)算細(xì)胞周期各時(shí)期細(xì)胞數(shù)目占的百分比。①計(jì)算5個(gè)階段細(xì)胞數(shù)目之和。細(xì)胞總數(shù)=間期+前期+中期+后期+末期；細(xì)胞總數(shù)=________。②分裂間期的細(xì)胞數(shù)目除以第一步計(jì)算得到細(xì)胞總數(shù)，然后乘以100。(間期細(xì)胞數(shù)/細(xì)胞總數(shù))×100 =________%。③用第二步的方法計(jì)算剩余四個(gè)階段的細(xì)胞數(shù)目占細(xì)胞總數(shù)的百分比。將結(jié)果記錄在表1。

(6) 用表1的數(shù)據(jù)回答下列有關(guān)各個(gè)細(xì)胞分裂時(shí)期的時(shí)間長短的問題。你認(rèn)為哪個(gè)時(shí)期最長？你認(rèn)為哪個(gè)時(shí)期最短？你認(rèn)為哪些階段的時(shí)長大致相同？如果有的話，將這些時(shí)期列出。

表1 細(xì)胞周期觀察結(jié)果

(7) 表2中有洋蔥細(xì)胞周期各個(gè)分裂時(shí)期時(shí)長的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，你的計(jì)算結(jié)果和這些數(shù)據(jù)是否相符？回答并解釋。

表2 洋蔥細(xì)胞周期中各分裂時(shí)期時(shí)長的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)注重培養(yǎng)學(xué)生建立和使用模型解決問題的能力 實(shí)驗(yàn)一利用數(shù)學(xué)決策樹對有絲分裂的過程和知識(shí)進(jìn)行梳理，建立了有絲分裂樹模型，將感性的經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為理性的分析。學(xué)生在使用模型識(shí)別有絲分裂時(shí)期的過程中，建模解決問題的意識(shí)會(huì)滲透到學(xué)生的頭腦中，有助于學(xué)生學(xué)習(xí)如何建立模型解釋生物學(xué)現(xiàn)象，拓寬學(xué)生解決問題的思路，提高學(xué)生的理性思維。

另外，有絲分裂不同階段的識(shí)別歷來是高考重點(diǎn)之一。學(xué)生對該部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)多為對文字描述內(nèi)容的識(shí)記。格式塔心理學(xué)早已證明學(xué)習(xí)中掌握關(guān)系的重要性，意義識(shí)記要比機(jī)械識(shí)記效果好得多[4]。實(shí)驗(yàn)一利用有絲分裂樹識(shí)別有絲分裂的不同時(shí)期，使有絲分裂的過程非常清晰，一目了然。顯然，相較于堆積的文字，有絲分裂樹更有利于學(xué)生快速準(zhǔn)確地提取信息，便于學(xué)生理解和記憶。

3.2 實(shí)驗(yàn)注重培養(yǎng)學(xué)生收集、處理和解釋數(shù)據(jù)的能力 實(shí)驗(yàn)二估測細(xì)胞周期的持續(xù)時(shí)間將重點(diǎn)放在培養(yǎng)學(xué)生收集、處理和解釋數(shù)據(jù)的能力，旨在加強(qiáng)學(xué)生理性思維的培養(yǎng)。因此，實(shí)驗(yàn)二對人教版實(shí)驗(yàn)做出了以下改進(jìn)：①人教版實(shí)驗(yàn)觀察的樣本數(shù)為兩組，本實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生觀察3個(gè)顯微鏡視野中的處于不同分裂時(shí)期的細(xì)胞個(gè)數(shù)，這符合生物科學(xué)研究中至少做3組重復(fù)實(shí)驗(yàn)的原則，可以減小誤差，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。②人教版實(shí)驗(yàn)僅要求學(xué)生回答處于哪個(gè)分裂時(shí)期的細(xì)胞最多，而本實(shí)驗(yàn)則讓學(xué)生對數(shù)據(jù)有了更全面的分析，找出了持續(xù)時(shí)間最長和最短的時(shí)期，并比較了持續(xù)時(shí)間相近的時(shí)期。③本實(shí)驗(yàn)給出了經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證過的洋蔥細(xì)胞周期中各分裂時(shí)期時(shí)長的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，讓學(xué)生用自己的數(shù)據(jù)和該數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析自己獲取數(shù)據(jù)成敗的原因。加深了學(xué)生對數(shù)據(jù)獲取過程的思考和解釋。

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟詳細(xì)，可操作性更強(qiáng) 人教版實(shí)驗(yàn)也讓學(xué)生估測細(xì)胞周期的持續(xù)時(shí)間，但是教材內(nèi)容過于簡潔，沒有引導(dǎo)學(xué)生全面地獲取數(shù)據(jù)，以及深入地分析解釋數(shù)據(jù)。因此，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對步驟進(jìn)行了細(xì)化，逐步引導(dǎo)學(xué)生收集和分析數(shù)據(jù)，使之對學(xué)生更有指導(dǎo)意義，正確而必要的指導(dǎo)可以增加學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成功率，提升學(xué)生的成就感和學(xué)習(xí)興趣。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的有絲分裂實(shí)驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了培養(yǎng)學(xué)生的理性思維上。在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，讓學(xué)生建立和使用模型，分析和解釋數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了生物學(xué)科的科學(xué)性，符合高中生的心理特征和認(rèn)知水平，能夠培養(yǎng)學(xué)生的理性思維。且實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)增強(qiáng)了可操作性，有助于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣。