單元整體教學(xué)視域下基于模型建構(gòu)培養(yǎng)科學(xué)思維的教學(xué)設(shè)計
——以“有絲分裂的過程”為例

徐思麒 周麗婷

（浙江大學(xué)附屬中學(xué) 浙江杭州 310000）

著名天文學(xué)家卡爾·薩根曾說道：“科學(xué)與其說是一種知識體系，不如說是一種思維方式?！彼季S培養(yǎng)對于科學(xué)教育的重要性顯而易見?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）中指出：科學(xué)思維是尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹和務(wù)實的求知態(tài)度，運用科學(xué)的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習(xí)慣和能力。作為生物學(xué)科核心素養(yǎng)的維度之一，科學(xué)思維是高中生物學(xué)課程的重要目標(biāo)，以模型建構(gòu)為教學(xué)策略有助于培養(yǎng)科學(xué)思維。

單元整體教學(xué)以學(xué)科核心素養(yǎng)為目標(biāo)，以“情境—任務(wù)—活動—評價”為課時教學(xué)藍圖，強調(diào)知識的結(jié)構(gòu)化和整體化，避免學(xué)習(xí)的淺表化和碎片化，能有效達成單元重要概念的建構(gòu)。在此理念下，筆者對于“細胞的生命歷程”進行了單元整體教學(xué)設(shè)計，將概念學(xué)習(xí)及核心素養(yǎng)培養(yǎng)落到實處。其中，運用模型建構(gòu)幫助學(xué)生達成對于“有絲分裂保證了遺傳信息在親代和子代細胞中的一致性”這一次位概念的理解，同時有效提升了學(xué)生的科學(xué)思維。

1 教材分析與設(shè)計思路

1.1 單元整體教學(xué)流程

本單元為浙科版高中生物學(xué)《必修1·分子與細胞》第四章“細胞的生命歷程”。筆者梳理本單元各概念之間的聯(lián)系，以“頭發(fā)的生長和脫發(fā)問題”作為貫穿本單元的核心情境，圍繞著這一情境開展教學(xué)內(nèi)容，并設(shè)計單元教學(xué)任務(wù)；以支撐本單元的重要概念所需的次位概念為課時教學(xué)主題，以“問題—任務(wù)—活動—評價”為主線展開課時教學(xué)，共分為5個課時，每個課時對應(yīng)不同的次位概念目標(biāo)，共同聚焦本單元重要概念的學(xué)習(xí)。本單元的教學(xué)流程如圖1所示。

圖1 “細胞的生命歷程”單元整體教學(xué)流程

1.2 課時內(nèi)容分析

本課時是本單元設(shè)置的第2課時。第1課時的教學(xué)主要引出單元情境，并探討“頭發(fā)生長有哪些時期？細胞為什么會增殖？”等問題，通過設(shè)計實驗探究“細胞大小和擴散作用之間的關(guān)系”，讓學(xué)生初識物理模型，為后續(xù)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

本課時主要圍繞著“頭發(fā)為什么會生長”這一核心問題，引出毛母細胞的增殖過程，促使學(xué)生分析細胞分裂中染色體的變化狀態(tài)，逐步構(gòu)建毛母細胞增殖的物理模型。學(xué)生通過模型建構(gòu)的“選材—構(gòu)建—驗證—修正”過程，學(xué)習(xí)物理模型的構(gòu)建原則，充分體驗構(gòu)建過程；分析不同時期的不同物質(zhì)和結(jié)構(gòu)的系列變化，形成“結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)”的生物學(xué)觀念。細胞分裂的生理過程是復(fù)雜抽象的，學(xué)生僅憑借書上的插圖無法全面理解有絲分裂的過程和遺傳物質(zhì)的變化規(guī)律。教師可通過制作物理模型等方式，把微觀變宏觀，抽象變具體，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。同時，本課時的結(jié)尾提出“不同狀態(tài)下的毛母細胞增殖是否相同”，引出后一課時對于細胞增殖影響因素的探究。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）簡述細胞周期的概念，概述有絲分裂的過程，說出細胞有絲分裂各時期的物質(zhì)和結(jié)構(gòu)的變化特征，明晰其中的生物學(xué)意義，進一步形成結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的觀念。

（2）制作毛母細胞有絲分裂的物理模型，學(xué)習(xí)模型制作原則，合理選材并充分體驗?zāi)Ｐ蜆?gòu)建的完整流程，發(fā)展模型與建模的能力，提升科學(xué)思維。

（3）基于有絲分裂的相關(guān)概念，思考如何使頭發(fā)更快變長及癌癥抑制等問題，將知識運用于生活實際，培養(yǎng)社會責(zé)任素養(yǎng)。

3 教學(xué)過程

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，引出任務(wù)

教師從“短頭發(fā)X老師的困擾”導(dǎo)入，請學(xué)生思考如何幫助X老師擁有一頭飄逸的長發(fā)，激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師播放視頻《頭發(fā)的增長期》，提出問題：①頭發(fā)為什么會變長呢？②分裂增殖形成的子細胞與毛母細胞在細胞結(jié)構(gòu)上會相同嗎？依據(jù)是什么？③如何保證子細胞和母細胞的遺傳物質(zhì)相同呢？同時，教師展示動物細胞結(jié)構(gòu)圖，在學(xué)生回答問題的基礎(chǔ)上，引出“要保證子母細胞的遺傳物質(zhì)相同，最重要的是染色質(zhì)的復(fù)制和精確均分”這一核心任務(wù)。

設(shè)計意圖：教師創(chuàng)設(shè)情境，從“頭發(fā)的生長問題”自然過渡到對于“毛母細胞增殖過程”的探究，進而引出細胞增殖的核心任務(wù)“染色質(zhì)的復(fù)制和精確均分”，為后續(xù)制作模型做鋪墊。

3.2 引導(dǎo)學(xué)生掌握建模的原則并選擇合適的制作模型的材料

教師引導(dǎo)學(xué)生思考：毛母細胞非常微小，其分裂過程不易觀察。為方便研究，我們可采取什么方法將其宏觀表現(xiàn)出來？學(xué)生有之前的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，可聯(lián)想到采取構(gòu)建物理模型的方法。教師展示模型構(gòu)建的基本原則：①相似性原則；②簡化性原則；③可驗證性原則；④可修正性原則。并提出問題：遵循以上原則，如何構(gòu)建毛母細胞的染色體組成模型？教師展示不同二倍體生物細胞中的染色體，讓學(xué)生尋找共性。學(xué)生可發(fā)現(xiàn)這些細胞中的染色體均有“成對”和“不成對”的特點。教師進一步引導(dǎo)學(xué)生思考：如何表示染色質(zhì)（體），并體現(xiàn)出這樣的特點？學(xué)生回憶染色質(zhì)的構(gòu)成、染色質(zhì)和染色體之間的關(guān)系等知識，畫出兩者的結(jié)構(gòu)和關(guān)系圖。教師用毛根（扭扭棒）來比擬染色質(zhì)：中間的鐵絲可類比DNA，外面的毛可類比蛋白質(zhì)，一條長長的毛根可類比染色質(zhì)，扭幾圈變短后可類比染色體。學(xué)生觀察實物思考。

根據(jù)染色體和染色質(zhì)的不同形態(tài)特點，師生共同討論細胞分裂過程中染色質(zhì)和染色體的變化順序，如染色體復(fù)制時的形態(tài)、分裂時的形態(tài)等，并用毛根在KT板上擺出，如圖2所示。學(xué)生可以直觀感受一條染色質(zhì)在不同時期的變化特點。

圖2 用毛根模擬細胞分裂中染色質(zhì)（體）的變化順序

教師提出問題：如何表現(xiàn)“成對和不成對”的特點？學(xué)生積極思考并選擇兩大兩小的4條毛根，每兩條的大小和形態(tài)相同，以此來表示毛母細胞具有成對和不成對的特點；以不同的顏色表示一條來自父方，另一條來自母方。

設(shè)計意圖：學(xué)生學(xué)習(xí)模型構(gòu)建的基本原則時，教師選擇毛根來比擬染色質(zhì)（體），充分體現(xiàn)相似性原則。學(xué)生討論染色質(zhì)（體）在不同時期的變化順序，感受“結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)”的生物學(xué)觀念；并根據(jù)簡化性原則，通過對二倍體生物細胞中染色體的觀察，得出“成對”和“不成對”的特點，從而選擇合適的數(shù)目和顏色的毛根來構(gòu)建模型，鍛煉觀察和總結(jié)能力。

3.3 引導(dǎo)學(xué)生抓住有絲分裂的關(guān)鍵點，初建模型

由于子細胞和母細胞中的染色質(zhì)組成是相同的，教師用材料在黑板上展示圖3過程，為了保證復(fù)制后染色體能精確均分，細胞分裂過程中毛母細胞必然會存在如圖3所示的階段。學(xué)生分組活動并思考，利用扭扭棒構(gòu)建出毛母細胞在分裂時可能會出現(xiàn)的2個染色體行為變化最有特點的靜態(tài)生物模型。

圖3 毛母細胞分裂過程示意圖

學(xué)生小組討論，使用材料制作模型并分享，師生共評。評價時，教師提醒學(xué)生注意：①分裂起始，染色質(zhì)變短變粗變成染色體，散亂排列在細胞中，為了指示染色體下一步要移動的位置，什么結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)？核膜、核仁如何變化？②為了后期染色體的精確均分到兩極，散亂的染色體下一步應(yīng)排列在細胞的什么位置？③應(yīng)是著絲粒分開前排列在細胞中央，還是著絲粒分開后排在中央？教師根據(jù)學(xué)生回答，點評并補充，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建出初步的模型。

教師展示構(gòu)建的有絲分裂模型圖（圖4），將不同的分裂階段對應(yīng)進去，引導(dǎo)學(xué)生思考：不同階段除了染色體的變化，其他細胞結(jié)構(gòu)會有什么變化以配合分裂，如核糖體增生，核仁核膜解體和重現(xiàn)等？

圖4 毛母細胞有絲分裂模型圖

設(shè)計意圖：教師利用圖3引導(dǎo)學(xué)生思考分裂過程中染色體行為變化最重要的特點，使學(xué)生體會其中的生物學(xué)意義，抓住構(gòu)建模型的關(guān)鍵點。學(xué)生通過一系列的分析、評價和創(chuàng)造，發(fā)展了高階思維和動手能力。對其他細胞結(jié)構(gòu)變化的討論使學(xué)生對于有絲分裂過程的認識更為深刻，對于概念的學(xué)習(xí)更為完整。

3.4 基于證據(jù)，完善模型

教師追問：以上是通過推理得到的有絲分裂模型圖，這個模型是否正確？遵循模型制作的可驗證性原則，我們要找到切實的證據(jù)。教師展示光學(xué)顯微鏡下動物細胞分裂圖（圖5），提出問題：①該視野中有哪些不同的細胞形態(tài)？可分別對應(yīng)模型中的哪些時期？②不同形態(tài)的細胞個數(shù)相同嗎？有什么含義？

圖5 光學(xué)顯微鏡下動物細胞分裂圖

學(xué)生思考上述問題，觀察圖片找出不同的細胞，并對應(yīng)所構(gòu)建的有絲分裂模型，初步驗證模型。教師播放細胞分裂過程的視頻，引導(dǎo)學(xué)生進一步驗證模型。

學(xué)生從不同形態(tài)的細胞個數(shù)不同，推理得出可能是細胞分裂不同時期的時間長短不同。教師繼續(xù)展示不同細胞的分裂間期、分裂期持續(xù)時間表。師生總結(jié)得出不同種類生物或同種生物的不同細胞，其分裂間期均長于分裂期，進而修正模型如圖6所示。

圖6 修正模型示意圖

設(shè)計意圖：教師設(shè)置問題，步步推進，引導(dǎo)學(xué)生尋找事實或證據(jù)來支撐和驗證模型；同時，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑和批判的精神，使學(xué)生能夠從事實和證據(jù)中進一步修正模型，體驗完整的模型和建模過程。這樣在充分體現(xiàn)可驗證性和可修正性原則的同時，實現(xiàn)學(xué)生對于有絲分裂概念的自主建構(gòu)，在做中體驗、思考和創(chuàng)造，完成行動和思維的相統(tǒng)一。

3.5 深化概念、拓展延伸

教師提出問題：①清楚了毛母細胞有絲分裂的過程，如何幫助頭發(fā)更快變長？②哪些因素會影響細胞有絲分裂的過程呢？③學(xué)習(xí)有絲分裂還有什么意義呢？教師簡要介紹癌癥與癌細胞，突出癌細胞無限增殖的特點，展示典例“海拉細胞”，引導(dǎo)學(xué)生從“癌細胞的有絲分裂”角度思考治療癌癥思路。此為開放性討論環(huán)節(jié)，學(xué)生可能的答案有抑制DNA復(fù)制、抑制紡錘體形成等，教師根據(jù)學(xué)生的回答評析即可。

設(shè)計意圖：通過教師設(shè)置的問題串，學(xué)生在已有概念基礎(chǔ)上，思考如何使頭發(fā)更快變長，以及有關(guān)癌癥治療等問題，將知識運用于解決生活實際問題，培養(yǎng)發(fā)散性思維和社會責(zé)任素養(yǎng)。教師引出“有絲分裂的影響因素“，為下一課時的探究做鋪墊。

4 教學(xué)反思

本課時基于單元整體教學(xué)理念，將生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的達成落實在本單元的重要概念和次位概念的學(xué)習(xí)中。本課時作為本單元培養(yǎng)科學(xué)思維的主陣地，以模型建構(gòu)為主要教學(xué)方法，圍繞著“有絲分裂過程中染色質(zhì)的復(fù)制和平均分配”這一核心問題，引導(dǎo)學(xué)生逐步構(gòu)建物理模型并驗證和完善模型。學(xué)生在建模過程中，完成了自主學(xué)習(xí)有絲分裂等相關(guān)概念，培養(yǎng)了“模型與建?！钡哪芰@一明線任務(wù)；同時達成了從低階認知到高階思維的轉(zhuǎn)變這一暗線任務(wù)，最終達成知識學(xué)習(xí)和思維鍛煉的同步發(fā)展。