“細胞增殖”教學(xué)中“關(guān)鍵模塊”的教學(xué)設(shè)計

陳 維 （江蘇省連云港高級中學(xué) 江蘇連云港 222042）

“細胞增殖”是高中生物學(xué)必修1《分子與細胞》教學(xué)中的經(jīng)典內(nèi)容，主要包括細胞周期、有絲分裂、觀察根尖細胞的有絲分裂等知識，對于培養(yǎng)學(xué)生多方面的生物學(xué)核心素養(yǎng)具有重要意義和價值。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)能描述細胞通過不同的分裂方式實現(xiàn)增殖，理解有絲分裂的過程，認同其是遺傳信息在親、子代細胞中傳遞一致性的保證，并發(fā)展科學(xué)思維，培養(yǎng)多側(cè)面的生物科學(xué)探究能力。為此，需要教師能優(yōu)化“細胞分裂主要事實的分析、有絲分裂過程的模型構(gòu)建、相關(guān)演示和觀察實驗”等關(guān)鍵模塊的教學(xué)，突破重點、難點、疑點和“鏈接”點，組合形成多樣化、個性化和高效化的課堂結(jié)構(gòu)［1］。

1 1段生物學(xué)史：在闡釋與傳遞中重回知識的發(fā)生過程

生物科學(xué)史記錄著人類探索生命世界的足跡，反映著生物學(xué)知識構(gòu)建的認知歷程。學(xué)習(xí)生物學(xué)史能使學(xué)生依循知識的發(fā)生過程，逐漸理解科學(xué)的本質(zhì)和研究方法，感悟科學(xué)家獻身科學(xué)的精神［2］。教材中與“細胞增殖”有關(guān)的生物學(xué)史并不多，在教學(xué)中，如果在篩選的基礎(chǔ)上適度補充一些細胞分裂相關(guān)探究的關(guān)鍵史實（圖1），簡約化地加以呈現(xiàn)，則既能為概念學(xué)習(xí)提供真實、厚重的事實支撐，也可創(chuàng)新課堂教學(xué)組織的思路與形式。

圖1 細胞分裂相關(guān)探究的生物科學(xué)史

在教學(xué)安排上，可依照生物學(xué)史中的探索歷程調(diào)整知識學(xué)習(xí)的順序，將無絲分裂提到有絲分裂之前，將細胞周期放到之后學(xué)習(xí)。這樣既能引導(dǎo)學(xué)生揭示或感受知識的發(fā)生過程，又遵循了認知規(guī)律，提高教學(xué)的有效性。教學(xué)時可從先前學(xué)習(xí)過的“細胞學(xué)說”出發(fā)，提出問題“在早期，施萊登和施旺認為‘新細胞是從老細胞中產(chǎn)生的’，即從老細胞核中長出或在細胞質(zhì)中像結(jié)晶那樣產(chǎn)生新細胞。這樣的觀點是否合理？”讓學(xué)生建立新、舊知識間的聯(lián)系，激活思維，產(chǎn)生探究的欲望，并列表逐條呈現(xiàn)無絲分裂、有絲分裂、減數(shù)分裂等知識探索的主要史實，引發(fā)學(xué)生思考和討論，使其初步認識到“細胞是通過不同的分裂方式實現(xiàn)增殖的，細胞增殖是生物體生長、發(fā)育、繁殖和遺傳的基礎(chǔ)”。在此基礎(chǔ)上，可結(jié)合草履蟲的無絲分裂圖片闡述無絲分裂的特點，結(jié)合蠑螈細胞有絲分裂熒光顯微視頻等資料，讓學(xué)生整體感知有絲分裂的奇妙過程，描述2種分裂方式的主要區(qū)別。提供洋蔥根尖分生區(qū)細胞有絲分裂的顯微圖片，讓學(xué)生分組活動，模擬1880年E.A.Strasburger、W.Flemming等科學(xué)家的分析探究過程，觀察、比較、歸納幾種典型的細胞（染色體）形態(tài)，并進行圈點、說明和排序（圖2）。在展示交流中，學(xué)生陳述各自分析、歸納的思維過程，通過師生互動，對有絲分裂幾個時期的主要特點有進一步的認識。

圖2 洋蔥根尖細胞有絲分裂相

2 2個分組實驗：在自主與合作中提升探究能力

科學(xué)探究能力是高中生物學(xué)核心素養(yǎng)中的關(guān)鍵能力?！凹毎鲋场苯虒W(xué)中涉及到的2個實驗，內(nèi)容不同，各有側(cè)重，均需要演示與分組實驗相結(jié)合，獨立思考與合作探究相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、作出假設(shè)、設(shè)計實驗等多側(cè)面的探究能力。

2.1 模擬實驗：細胞大小與物質(zhì)運輸效率的關(guān)系 該實驗原理和操作過程比較簡單，但關(guān)鍵在于培養(yǎng)學(xué)生“合理作出假設(shè)、基于證據(jù)形成結(jié)論及類比推理”等方面的能力，主要環(huán)節(jié)包括：作出假設(shè)→實驗過程演示→數(shù)據(jù)測量與計算→分析形成結(jié)論等。其演示過程應(yīng)方便、快捷，在實驗材料上，可選用“淀粉－碘液”或“淺色果凍－紅墨水”代替“瓊脂－NaOH”組合，加快操作進程，避免藥劑腐蝕。為提高教學(xué)效率和實驗精確度，可事先用不同規(guī)格的方形或球形硅膠模具，制作不同尺寸的材料塊。演示前要讓學(xué)生聚焦問題，分組討論，作出假設(shè)。學(xué)生討論時，教師可提出“什么是物質(zhì)運輸效率？是表面積還是相對表面積（S／V）越大效率就越高?”等問題引導(dǎo)和提示，讓學(xué)生計算不同大小材料塊的相對表面積，進而作出假設(shè)。實驗過程中可提出系列問題引導(dǎo)學(xué)生獨立思考和邏輯推理，例如：實驗材料分別比擬的對象是什么？尺寸不同的材料塊物質(zhì)擴散的深度是否相同？物質(zhì)擴散的效率是用擴散深度還是用擴散體積進行衡量？可用什么（比例）公式表示，其中哪個變量將決定最終的計算結(jié)果？切割完成后，學(xué)生在實物投影臺上進行展示和測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)分組計算不同邊長（直徑）材料塊中的擴散體積比（表1）。教師可事先在Excel表格中編輯公式，繪制函數(shù)圖像，當(dāng)錄入動態(tài)測量數(shù)據(jù)后會快速計算結(jié)果，生成曲線圖。最后，學(xué)生根據(jù)計算結(jié)果，數(shù)形結(jié)合、分組討論，基于證據(jù)確認或否定假說，形成結(jié)論，并認識到物質(zhì)運輸效率是導(dǎo)致細胞不能無限長大的原因之一。

表1 物質(zhì)運輸效率的相關(guān)計算舉例

2.2 觀察實驗：根尖細胞的分裂與分化過程 該實驗是驗證性實驗,探究水平較低，主要包括：材料選擇、培養(yǎng)、取材及解離、漂洗、染色、制片和鏡檢等步驟，其目的是培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗操作技能，能在觀察視野下獲得更多清晰的細胞分裂相，以驗證有絲分裂各個時期的主要特征。該實驗原理多為陳述性知識，教材已全部列出操作步驟，可通過導(dǎo)學(xué)單、微視頻等形式在新授課上完成這些基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)。以此為基礎(chǔ)，從以下幾個方面開展創(chuàng)新設(shè)計和拓展探究。

2.2.1 增加材料選擇，延展實驗場域 豐富的實驗材料可增加學(xué)生的選擇性，產(chǎn)生更多的探究問題。讓學(xué)生利用玻璃瓶、飲料罐等廢舊材料分組培養(yǎng)洋蔥、大蒜、蠶豆、玉米等多種材料，觀察和記錄根的生長過程。例如，在培養(yǎng)洋蔥根的過程中，通過每天測定（藍黑墨水）標(biāo)記幼根的總長度及增加長度，可“探究幼根的生長部位”。分析記錄結(jié)果（表2），可引導(dǎo)學(xué)生推測根的生長部位在什么區(qū)域？如何進一步確定？分析數(shù)據(jù)可知洋蔥幼根的生長有什么規(guī)律？如果要觀察有絲分裂，在哪一天取材比較合適？

表2 洋蔥幼根生長記錄表

2.2.2 擴大觀察區(qū)域，豐富實驗事實 將根尖觀察區(qū)由2～3 mm擴大為5～6 mm（圖3），制片后先在低倍鏡下找到根尖的根毛區(qū)、伸長區(qū)、分生區(qū)和根冠，再用高倍鏡觀察、比較4個區(qū)域細胞在形態(tài)、長短和結(jié)構(gòu)上的差異，從而區(qū)分成熟、生長和分裂細胞的細胞相［3］。引導(dǎo)學(xué)生思考：根生長的原因是什么？是否所有的細胞都在分裂？之前推測的生長部位是否得到驗證？如果要觀察細胞分裂過程，選擇哪個區(qū)域比較合適，原因是什么？這些區(qū)域的細胞分裂后有何去向？通過觀察、分析和討論，學(xué)生形成“細胞不能無限長大，根的生長主要是分生區(qū)細胞分裂和伸長區(qū)細胞伸長的緣故；分生區(qū)細胞被根冠包圍著，其分裂能力很強，能不斷產(chǎn)生新的子細胞，增加細胞數(shù)目。大部分的子細胞將生長、分化形成不同類型的細胞，向下補充根冠，向上轉(zhuǎn)化為伸長區(qū)和成熟區(qū)；如果用根尖觀察細胞分裂，最好選擇分生區(qū)，因為其具有旺盛的分裂能力且細胞核大，沒有大液泡，容易觀察”等結(jié)論。這樣，基于生物學(xué)事實，問題指向明確，不僅加強了與初中生物學(xué)知識的聯(lián)系，為細胞周期和細胞分化等知識的學(xué)習(xí)提供感性認識和鋪墊，更能激發(fā)學(xué)生的探索欲望，明確后續(xù)實驗探究的目的。

圖3 根尖示意圖［4］

2.2.3 拓寬實驗思路，提升探究水平 可安排學(xué)生圍繞“X＋根尖有絲分裂”這一主題，開展頭腦風(fēng)暴，引導(dǎo)他們從實驗材料、培養(yǎng)條件、操作方法等角度提出探究問題，作出合理假設(shè)。實驗設(shè)計要針對不同的探究問題，確定實驗變量和反應(yīng)變量，給出可操作性定義。實驗器材、主要步驟和操作方法可參照教材和文獻資料適當(dāng)變化。具體實驗時，以小組為單位開展不同主題的探究，也可確定幾個代表性、操作性強的問題，在不同的班級分別開展。對于學(xué)生探究意愿比較強烈但操作復(fù)雜、用時較長的問題，可利用課余時間組織部分學(xué)生開展研究性學(xué)習(xí)，并將結(jié)果進行展示、交流和分享。教師要強調(diào)實驗操作過程的規(guī)范性，要求學(xué)生觀察每組裝片的多個視野，獲得更多的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，取其平均值，使統(tǒng)計數(shù)據(jù)更加科學(xué)、準(zhǔn)確（表3）。

表3 “X＋根尖有絲分裂”探究實驗中的變量舉例

觀察到的典型圖像以電子照片形式保留，以表格形式記錄數(shù)據(jù)（表4）。對圖像和數(shù)據(jù)的分析及探究過程的總結(jié)反思，安排在另一個課時單獨進行。教師應(yīng)從科學(xué)性和準(zhǔn)確性的角度，引導(dǎo)學(xué)生提取、匯總、分類、綜合和分析不同的信息。需要重復(fù)實驗的果斷重復(fù)，以便進一步核實數(shù)據(jù)，確認結(jié)論。在分析結(jié)果和數(shù)據(jù)時要堅持科學(xué)、客觀，對非預(yù)期因素下產(chǎn)生的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)要予以重視，這是創(chuàng)新的源泉［5］。要根據(jù)結(jié)果繪制相關(guān)圖形，增加分析過程和結(jié)果呈現(xiàn)的直觀性，Excel表格等信息軟件的使用將提高分析的效率和準(zhǔn)確度。

表4 根尖有絲分裂相關(guān)探究實驗結(jié)果記錄表

3 3種模型構(gòu)建：在具象到抽象中發(fā)展科學(xué)思維

模型與建模是高中生物學(xué)教學(xué)中需要重點培養(yǎng)的一種科學(xué)思維方法，能從具象到抽象，定性或定量地描述細胞增殖的主要過程和物質(zhì)變化規(guī)律，形成具有解釋力的試探性體系或結(jié)構(gòu)，主要包括物理模型、數(shù)學(xué)模型、概念模型等。

3.1 體現(xiàn)分裂各期特征的“物理模型” 有絲分裂的各個時期的變化過程和主要特征是教學(xué)重點，通過動畫演示、現(xiàn)象觀察、教師講述等形式并不能讓學(xué)生完全理解。如何才能讓學(xué)生真正掌握，關(guān)鍵是要在“做中學(xué)”，在動手實踐中實現(xiàn)知識的內(nèi)化。經(jīng)多輪教學(xué)實踐，發(fā)現(xiàn)“扭扭棒”是開展有絲分裂模型制作的最佳材料。該材料成本低，來源廣，可隨意彎、折、扭，還能重復(fù)利用。扭扭棒“毛根”上纏著的絨毛可比作組蛋白，內(nèi)部的細鐵絲比作DNA，整個毛根條就可模擬染色質(zhì)絲，將毛條螺旋化形成圓筒狀結(jié)構(gòu)，即可模擬染色（單）體，而不同的顏色則可代表不同來源的染色體。

實際教學(xué)中，安排學(xué)生分組用PVC板、扭扭棒、圖釘、彩筆、膠帶等材料制作有絲分裂各個時期的物理模型，模擬染色單體（DNA）復(fù)制、螺旋化、著絲粒分裂、染色單體分離等行為。為提高效率，可事先提供參照圖例，要求每個小組完成某一個時期的模型構(gòu)建。各小組完成任務(wù)后，先在各小組間交叉比較和評價交流，然后再在全班范圍內(nèi)進行展示、陳述和互動。展示時，可按時期依次進行，不必拘泥于動、植物細胞分裂的異同，關(guān)鍵是要讓學(xué)生找準(zhǔn)原型和模型之間的聯(lián)系，緊緊抓住“復(fù)制→濃縮→排列→分裂→平分”這根主線，重點闡述各時期物質(zhì)和結(jié)構(gòu)的變化特點，理解有絲分裂的本質(zhì)。此外，引導(dǎo)學(xué)生開展自評、互評、補充、完善與反思。在此基礎(chǔ)上，可將模型制作活動拓展到課外，學(xué)生制作和拼裝“細胞周期轉(zhuǎn)盤”，并以此為“學(xué)具”，模擬“抽獎大轉(zhuǎn)盤”，在“游戲”中學(xué)習(xí)和探究，既增加趣味性，又利于突破難點，提升教學(xué)的有效性。

圖4 學(xué)生用“扭扭棒”制作的有絲分裂各時期物理模型

3.2 反映物質(zhì)變化規(guī)律的“數(shù)學(xué)模型” 構(gòu)建直觀的物理模型，從抽象到直觀，讓學(xué)生對細胞分裂各時期的主要特點和變化過程有更深刻的理解和認識。若要進一步發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在的變化規(guī)律，還需要從直觀回到抽象，在認識的飛躍中，提升思維水平。要以圖示、數(shù)字、符號等形式對有絲分裂過程中DNA、染色體、染色單體等物質(zhì)和結(jié)構(gòu)的數(shù)目變化進行抽象化的表達和概括，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。在顯微觀察、物理模型制作（繪圖）的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生學(xué)會“數(shù)數(shù)”，進一步辨析“著絲粒、染色體、染色體單體和DNA分子”之間的數(shù)量關(guān)系，以2n和2a為起點，根據(jù)有絲分裂的變化過程，分別推測各時期的染色體數(shù)和DNA含量變化，并用曲線圖、柱狀圖等形式描繪變化過程，揭示變化規(guī)律。為便于學(xué)習(xí)，可設(shè)計導(dǎo)學(xué)表格，將上述過程問題化、層次化和流程化，形成由易到難、由簡單到復(fù)雜、由具象到抽象的思維路徑（表5）。

表5 有絲分裂過程中的“數(shù)形結(jié)合”

完成數(shù)學(xué)模型構(gòu)建后，教師要及時精講點撥，進一步幫助學(xué)生在顯微圖像、模擬圖像、坐標(biāo)圖像之間建立有機聯(lián)系，并能熟練進行轉(zhuǎn)換。在分組討論時，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系有絲分裂各個時期的主要特征，對曲線的轉(zhuǎn)折點和關(guān)鍵階段進行分析、比較和判斷。運用變式，變換坐標(biāo)含義和圖像類型，加強綜合訓(xùn)練，再現(xiàn)重要概念，學(xué)生在解決問題的過程中，熟練運用知識，提升科學(xué)思維能力。

3.3 呈現(xiàn)知識網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的“概念模型” “細胞增殖”學(xué)習(xí)涉及新知識、新概念較多，以概念圖的形式建立意義聯(lián)系，形成結(jié)構(gòu)化的知識網(wǎng)絡(luò)，將有效促進相關(guān)知識的理解和內(nèi)化。例如，有絲分裂各個時期特征的教學(xué)之前，可讓學(xué)生梳理染色體、蛋白質(zhì)、DNA、著絲粒、染色質(zhì)、染色體單體等眾多概念之間的聯(lián)系，通過箭頭、虛實線及“螺旋化、具有、決定”等文字，形成概念圖［7］（圖5）。這既是對前一內(nèi)容的總結(jié)，理清了關(guān)鍵知識點，也是一種先行組織者，為后續(xù)學(xué)習(xí)提供了基礎(chǔ)，架設(shè)了“橋梁”。又如，完成“細胞增殖”的學(xué)習(xí)后，可在主要概念和分裂過程之間建立聯(lián)系，形成知識網(wǎng)絡(luò)框架，在課堂總結(jié)中構(gòu)建重要概念，呼應(yīng)學(xué)習(xí)目標(biāo)（圖6）。

圖5 染色體、DNA、姐妹染色單體等相互關(guān)系

圖6 “細胞增殖”知識網(wǎng)絡(luò)框架

4 4套教學(xué)方案：在模塊組合與變換中優(yōu)化課堂結(jié)構(gòu)

“關(guān)鍵模塊”的創(chuàng)新設(shè)計為課堂教學(xué)提供了支點和亮點，但一節(jié)好課不能僅關(guān)注某個片段或局部，要對整體教學(xué)內(nèi)容進行“謀篇布局”，在不同模塊的組合和變換中優(yōu)化課堂要素。上述教學(xué)模塊可單獨使用，也可組合變換。

方案1：模擬實驗→導(dǎo)學(xué)、助學(xué)→模型構(gòu)建→生物學(xué)史→分組實驗。以模擬實驗創(chuàng)設(shè)問題情境，分析細胞不能無限長大的原因，引入新課。通過問題導(dǎo)學(xué)、視頻動畫、教師點撥，學(xué)生認識有絲分裂的主要時期和特點，以此為基礎(chǔ)上開展模型構(gòu)建，由具象到抽象，提升認識水平，逐步構(gòu)建細胞周期的概念。了解相關(guān)生物學(xué)史，體悟科學(xué)探索歷程，認識不同的細胞分裂方式，比較動、植物細胞有絲分裂的異同，總結(jié)其意義。通過分組實驗驗證有絲分裂的過程，拓展探究有絲分裂的影響因素。

方案2：生物學(xué)史→導(dǎo)學(xué)、助學(xué)→模型構(gòu)建→分組實驗、模擬實驗。以生物史的相關(guān)探索歷程作為知識學(xué)習(xí)的主線，提供主要探究史實，認識細胞分裂的方式和有絲分裂的主要過程，歸納動、植物細胞有絲分裂的異同。通過問題導(dǎo)學(xué)、教師助學(xué)，分層開展模型制作，深入理解有絲分裂的特征，構(gòu)建細胞周期的概念。交叉開展觀察實驗和模擬實驗，認識細胞分裂的本質(zhì)，理解有絲分裂的意義。

方案3：實驗結(jié)果呈現(xiàn)→導(dǎo)學(xué)、助學(xué)→物理與數(shù)學(xué)模型構(gòu)建→分組實驗→生物學(xué)史→概念模型構(gòu)建。以前一個班的有絲分裂實驗觀察結(jié)果創(chuàng)設(shè)問題情境，通過問題導(dǎo)學(xué)和多種形式的助學(xué)活動，學(xué)生認識有絲分裂的主要過程，分組依次構(gòu)建物理模型和數(shù)學(xué)模型，深入理解有絲分裂遺傳物質(zhì)的變化規(guī)律，建立細胞周期的概念，比較動、植物細胞有絲分裂過程的異同點，理解有絲分裂的實質(zhì)。

方案4：物理模型呈現(xiàn)→生物學(xué)史→精講點撥→分組實驗→數(shù)學(xué)模型構(gòu)建→概念模型構(gòu)建。以前一個班級制作的物理模型創(chuàng)設(shè)問題情境，引入新課，結(jié)合相關(guān)生物學(xué)史，了解細胞分裂的方式和有絲分裂的主要過程，建立細胞周期的概念。通過教師精講點撥，認識遺傳物質(zhì)在其中的變化特點，了解實驗原理和操作過程。拓展探究思路，開展分組實驗，分析實驗結(jié)果，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，理解有絲分裂的變化規(guī)律，分析動、植物細胞有絲分裂的異同，構(gòu)建細胞增殖的概念模型。

以上4種教學(xué)方案結(jié)構(gòu)不同，特點各異，均能體現(xiàn)新課程理念，能較好地培育學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)，其實施過程一般需要2～3個課時。需要指出的是，“關(guān)鍵模塊”并不是教學(xué)的全部，也并不是所有模塊都要創(chuàng)新或都要呈現(xiàn)，關(guān)鍵是要滿足教與學(xué)的需要。實際教學(xué)中應(yīng)根據(jù)學(xué)情合理刪減、調(diào)整和優(yōu)化；通過問題導(dǎo)學(xué)、視頻動畫、教師點撥等多種方式做好模塊間的過渡與銜接。對于關(guān)鍵模塊的內(nèi)容范圍，也可再擴大或縮小，這需要教師在今后的教學(xué)實踐中不斷總結(jié)和完善，逐步形成自己的教學(xué)特色和風(fēng)格。