概念建構(gòu)中科學(xué)思維培養(yǎng)的生物學(xué)實踐研究
——以細(xì)胞的增殖教學(xué)設(shè)計為例

吳佳雪 任玉燕 周亞平

（東華理工大學(xué)化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院 江西南昌 330013）

科學(xué)思維是生物學(xué)科核心素養(yǎng)的主要內(nèi)容之一，也是學(xué)生樹立生命觀念、提升科學(xué)探究能力、形成社會責(zé)任的必要途徑[1]。因此，在高中生物教學(xué)中發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維成了重要教學(xué)任務(wù)之一[2]。生物學(xué)概念是生物學(xué)大廈的基石，是教材內(nèi)容的主要呈現(xiàn)形式，而概念的形成主要通過例證法和建構(gòu)法[3]，其中，概念建構(gòu)常通過分析與綜合、模型與建模、比較與分類、抽象與概括等科學(xué)思維來實現(xiàn)[4]。為了在建構(gòu)概念過程中提高學(xué)生的科學(xué)思維能力，本文以人教版高中生物必修一細(xì)胞的增殖（第一課時）為例，進(jìn)行了嘗試。

一、教材分析

細(xì)胞的增殖是人教版高中生物必修一分子與細(xì)胞中第六章第一節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)重點在于通過細(xì)胞增殖、細(xì)胞周期、有絲分裂等次要概念的學(xué)習(xí)，歸納出“細(xì)胞會經(jīng)歷生長和增殖的生命過程”這一重要概念，并為凝練出“細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)與生命活動的基本單位”的大概念打下基礎(chǔ)。

本節(jié)概念的建構(gòu)，可以運用大量的科學(xué)思維方法去實現(xiàn)，例如在“細(xì)胞大小與物質(zhì)運輸?shù)年P(guān)系”的實驗中，通過引導(dǎo)學(xué)生明確模型建構(gòu)的目的、學(xué)會選擇和使用合理的模型表征方式以及能夠利用模型解決生物學(xué)問題，從而訓(xùn)練學(xué)生模型與建模的科學(xué)思維。

二、學(xué)情分析

本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)對象是高中一年級學(xué)生，此階段的學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過細(xì)胞通過分裂產(chǎn)生新細(xì)胞，但還沒有深入了解到細(xì)胞的具體分裂過程。細(xì)胞分裂的過程屬于微觀知識，較為抽象，導(dǎo)致學(xué)生理解細(xì)胞周期和有絲分裂概念的難度有所增加。因此，本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計選擇通過分析有絲分裂的科學(xué)史，幫助學(xué)生理解科學(xué)研究的思路與方法，引導(dǎo)學(xué)生分工合作建構(gòu)有絲分裂過程的模型，通過展示有絲分裂顯微結(jié)構(gòu)和模式圖修正模型、建構(gòu)概念。

三、教學(xué)目標(biāo)

1.通過模擬“細(xì)胞大小與物質(zhì)運輸?shù)年P(guān)系”的實驗，說明生命活動與細(xì)胞增殖的關(guān)系，認(rèn)同細(xì)胞增殖是生物體生長、發(fā)育、繁殖和遺傳的基礎(chǔ)的概念。

2.通過觀察分析細(xì)胞有絲分裂的顯微結(jié)構(gòu)和模式圖，歸納、概括細(xì)胞有絲分裂各時期的主要特征。

3.通過構(gòu)建染色體的變化模型，進(jìn)一步形成結(jié)構(gòu)與功能觀，闡明有絲分裂對保證親子代細(xì)胞遺傳物質(zhì)一致性的重要意義。

4.通過學(xué)習(xí)有絲分裂的科學(xué)史，體會科學(xué)探究是一個繼承發(fā)展的過程，了解科學(xué)家的偉大和科學(xué)探究道路的艱辛與漫長。

四、教學(xué)重難點

教學(xué)重點：有絲分裂各時期的特點。

教學(xué)難點：真核細(xì)胞有絲分裂過程中各個時期染色體行為和數(shù)目的變化，以及DNA數(shù)量的變化。

五、教學(xué)方法

探究法，講述法，歸納法，實驗法

六、教具

多媒體課件、毛根、卡紙

七、教學(xué)過程

1.導(dǎo)入問題，引出概念，啟發(fā)科學(xué)思維

教師展示大象和小鼠圖片并提出問題：象和鼠的個體大小相差懸殊，是由于細(xì)胞大小不同嗎？多細(xì)胞生物體長大主要是由于細(xì)胞數(shù)量增長還是細(xì)胞體積增大？細(xì)胞不能無限長大的原因是什么？

教師采用多媒體模擬細(xì)胞大小與物質(zhì)運輸?shù)年P(guān)系的實驗。由于細(xì)胞形狀不規(guī)則，體積不易計算，所以引導(dǎo)學(xué)生利用三個不同邊長的立方體作為3類不同大小細(xì)胞的模型，計算模型的相對表面積、核質(zhì)比、物質(zhì)擴散體積與總體積比。通過這個實驗幫助學(xué)生認(rèn)識到細(xì)胞不能無限長大是受細(xì)胞表面積和體積關(guān)系的限制以及細(xì)胞核所能控制范圍的限制，然后引導(dǎo)學(xué)生解釋細(xì)胞大小與物質(zhì)運輸效率的關(guān)系。教師提問學(xué)生細(xì)胞體積的最小限制，總結(jié)細(xì)胞體積的限制因素，引出細(xì)胞增殖的概念；舉例說明生命活動與細(xì)胞增殖的關(guān)系，總結(jié)出細(xì)胞增殖是生物體生長、發(fā)育、繁殖、遺傳的基礎(chǔ)這一概念。

設(shè)計意圖：教師通過問題導(dǎo)入引發(fā)學(xué)生思考后，利用物理模型幫助學(xué)生明確模型建構(gòu)的目的、選擇和使用合理的模型表征方式以及利用模型解決生物學(xué)問題，從而啟發(fā)學(xué)生模型與建模的科學(xué)思維[5]。在學(xué)生理解了細(xì)胞不能無限長大的原因后，引導(dǎo)學(xué)生深入理解細(xì)胞體積大小的影響因素，引導(dǎo)學(xué)生辨證分析生命現(xiàn)象培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維，最后形成這一次要概念。

2.分析科學(xué)史，形成概念，訓(xùn)練科學(xué)思維

教師展示資料1：波蘭生物學(xué)家里麥克1841年發(fā)表了兩篇論文，在論文中，他清楚且準(zhǔn)確地記載了雞幼胚有核血細(xì)胞分裂成為2個帶核子細(xì)胞的全過程[6]。教師提問：細(xì)胞一分為二，細(xì)胞內(nèi)的染色質(zhì)是否也會均分？學(xué)生思考后，教師展示圖片讓學(xué)生對比洋蔥根尖分生區(qū)新老細(xì)胞的染色質(zhì)形態(tài)和數(shù)目。教師提問：親代細(xì)胞有16條染色體，子細(xì)胞也有16條染色體，染色體是否能夠直接一分為二？最后，教師講明染色質(zhì)需要先復(fù)制再均分，以此引出分裂間期（準(zhǔn)備）和分裂期（分裂）的定義，并形成細(xì)胞周期的概念。

教師展示資料2：瑞士植物學(xué)家內(nèi)格里被認(rèn)為是看到染色體的第一人，他在1842年出版的著作中寫道：百合和紫露草細(xì)胞核在分裂過程中被一群很微小、生存時間很短的微結(jié)構(gòu)所替代[6]。教師說明微結(jié)構(gòu)是染色體的復(fù)合結(jié)構(gòu)，并提問：染色質(zhì)在分裂期轉(zhuǎn)變?yōu)槿旧w的原因是什么？學(xué)生思考回答后，教師用模型展示染色體與染色質(zhì)的復(fù)合結(jié)構(gòu)、闡明染色質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槿旧w的原因是伸展的染色質(zhì)形態(tài)，有利于在它上面的DNA儲存的信息的表達(dá)，而高度螺旋化了的棒狀染色體則有利于細(xì)胞分裂中遺傳物質(zhì)的平分，并借助模型引導(dǎo)學(xué)生形成染色單體、著絲粒等結(jié)構(gòu)的概念。

教師展示資料3：1849年，霍夫曼斯特精確地記載了紫露草等植物細(xì)胞的有絲分裂過程，其中包括分裂前期細(xì)胞核形態(tài)的變化、中期紡錘體和染色體的復(fù)合結(jié)構(gòu)、后期染色體的重現(xiàn)、末期核膜的重新形成[6]。然后，教師展示洋蔥根尖分生區(qū)組織細(xì)胞有絲分裂的真實圖片，讓學(xué)生觀察比較細(xì)胞內(nèi)各個時期染色體、紡錘體、核膜和核仁的特征。緊接著，教師引導(dǎo)學(xué)生展開探究活動：以體細(xì)胞內(nèi)含有8條染色體的果蠅為例，用桌子上的毛根代表染色體結(jié)構(gòu)，卡紙代表細(xì)胞，用水筆畫出核膜、紡錘體等結(jié)構(gòu)。再將學(xué)生分組，引導(dǎo)他們合作完成模擬有絲分裂過程的活動，之后，各小組分享成果并討論，討論后明確紡錘絲在染色體平分過程中的作用，最后自行修正有絲分裂過程的模型。模型建構(gòu)完成后，教師展示有絲分裂的顯微結(jié)構(gòu)和模式圖，由學(xué)生歸納各個時期染色體、紡錘體、核膜和核仁的特征，教師與學(xué)生一同完善并確定一條染色體變化的模型。

最后，通過染色體間期與末期形態(tài)的對比，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)有絲分裂的意義，即細(xì)胞中的各種物質(zhì)變化都是為了將親代細(xì)胞的染色體經(jīng)復(fù)制后精確地平分到兩個白細(xì)胞中，從而保持親代細(xì)胞和子代細(xì)胞之間遺傳的穩(wěn)定性。教師總結(jié)并引導(dǎo)學(xué)生形成有絲分裂這一次要概念，即有絲分裂的定義、過程、特征與意義。

設(shè)計意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生運用已有知識和經(jīng)驗對生物科學(xué)史資料進(jìn)行分析和討論，引導(dǎo)學(xué)生建立起個人對概念的認(rèn)識和理解，最終形成細(xì)胞周期、染色單體、著絲粒、有絲分裂等次要概念[7]。在分析的過程中，既培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力，又訓(xùn)練了學(xué)生模型與建模、對比與分析、推理與演繹的科學(xué)思維。學(xué)生通過學(xué)習(xí)有絲分裂的科學(xué)史，也可以發(fā)展學(xué)生的社會責(zé)任感，了解科學(xué)家的偉大和科學(xué)探究道路的艱辛與漫長。

3.建構(gòu)思維導(dǎo)圖，強化概念，養(yǎng)成科學(xué)思維

教師以問題為導(dǎo)向與學(xué)生一起繪制細(xì)胞增殖相關(guān)知識的思維導(dǎo)圖。教師提出以下問題：細(xì)胞生長的限制因素是什么？細(xì)胞生長與細(xì)胞增殖有怎樣的關(guān)系？細(xì)胞增殖的概念與意義是什么？細(xì)胞增殖的方式是什么？細(xì)胞周期的概念和可連續(xù)分裂的原因是什么？有絲分裂的過程和意義是什么？然后教師以細(xì)胞生長、細(xì)胞增殖概念、細(xì)胞增殖意義和細(xì)胞增殖方式四方面內(nèi)容為導(dǎo)向，根據(jù)學(xué)生對以上問題的回答，同步繪制思維導(dǎo)圖。在此過程中，可以將本節(jié)課所有的概念進(jìn)行聯(lián)結(jié)和歸納，以此幫助學(xué)生建構(gòu)細(xì)胞增殖的知識框架，加強學(xué)生對次要概念的理解。最后，教師引導(dǎo)學(xué)生形成本節(jié)內(nèi)容的重要概念：細(xì)胞會經(jīng)歷生長和增殖的生命過程。

設(shè)計意圖：教師采用設(shè)計問題支架和繪制思維導(dǎo)圖兩種方法，幫助學(xué)生對概念進(jìn)行加工、記憶和儲存；在此過程中既可以加強學(xué)生對次要概念的理解，引導(dǎo)學(xué)生對重要概念進(jìn)行概括，還可以培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和發(fā)散思維。