基于建模教學(xué)策略的“細(xì)胞增殖”教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

摘要：本文利用建模教學(xué)策略設(shè)計(jì)“細(xì)胞通過分裂增殖”一課。通過明確建模目的、選擇合理的模型表征方式、構(gòu)建模型、檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)模型、修正模型五個(gè)環(huán)節(jié)與課時(shí)子問題有機(jī)整合，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)構(gòu)建概念，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：細(xì)胞增殖；建模教學(xué)策略；教學(xué)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)：1003-7586（2024）04-0044-02 中圖分類號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 教材分析和設(shè)計(jì)思想

“細(xì)胞通過分裂增殖”是浙科版普通高中教科書《生物學(xué)·必修1·分子與細(xì)胞》第4章的重要內(nèi)容，其中“染色體在有絲分裂過程中呈現(xiàn)規(guī)律性變化”這一概念是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。常規(guī)教學(xué)使用動(dòng)畫視頻輔助教學(xué)，或要求學(xué)生繪制分裂各時(shí)期模式圖，這些活動(dòng)能幫助學(xué)生加深記憶，但對(duì)促進(jìn)理解的作用有限?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》提出科學(xué)思維是學(xué)科核心素養(yǎng)的基本組成之一，其中模型與建模是重要內(nèi)容。建模教學(xué)策略的步驟主要包括明確模型構(gòu)建目的、合理的模型表征方式；模型的構(gòu)建、模型的檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)、模型的修正。筆者圍繞該策略開展教學(xué)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生用建模解決問題，并在模型中發(fā)現(xiàn)新問題。學(xué)生通過在“問題建?！钡难h(huán)中不斷深入學(xué)習(xí)，加深對(duì)有絲分裂概念的理解。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）通過模擬染色質(zhì)與染色體的轉(zhuǎn)變等活動(dòng)，準(zhǔn)確描述有絲分裂過程中染色體的規(guī)律性變化，深化結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

（2）通過“建立有絲分裂過程中典型時(shí)期的細(xì)胞模型”活動(dòng)，運(yùn)用模型和建模的研究方法，提升科學(xué)思維能力。

（3）通過分析有絲分裂的影響因素，初步形成環(huán)境對(duì)細(xì)胞生命活動(dòng)具有復(fù)雜作用的觀念，培養(yǎng)健康科學(xué)的生活習(xí)慣。

3 教學(xué)過程

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

教師播放渦蟲再生的視頻。提出單元問題，渦蟲的器官如何再生？引出教學(xué)內(nèi)容，細(xì)胞通過分裂產(chǎn)生新細(xì)胞，再通過分化形成組織器官。提出課時(shí)問題，結(jié)合圖片分析，細(xì)胞分裂產(chǎn)生的子細(xì)胞與親代細(xì)胞相比有什么特點(diǎn)？出現(xiàn)這種特點(diǎn)的可能原因是什么？學(xué)生思考后得出，親子代細(xì)胞遺傳物質(zhì)（DNA） -樣。教師呈現(xiàn)常見動(dòng)植物核DNA分子數(shù)表格。

設(shè)計(jì)意圖：利用“渦蟲再生”的視頻使學(xué)生形成認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而引出本節(jié)課學(xué)習(xí)內(nèi)容，同時(shí)為學(xué)習(xí)細(xì)胞分化埋下伏筆。通過猜想和驗(yàn)證，引導(dǎo)學(xué)生明確分裂前后細(xì)胞核DNA數(shù)目恒定。

3.2 建模教學(xué)過程

3.2.1 明確建模目的

教師提出活動(dòng)目的，探究核DNA如何在親子代細(xì)胞中保持恒定。教師將探究對(duì)象從DNA過渡到染色質(zhì)，核DNA位于染色質(zhì)，DNA數(shù)目恒定也就是染色質(zhì)數(shù)目的恒定。由于染色質(zhì)是微觀結(jié)構(gòu)，活動(dòng)中將使用實(shí)物材料扭扭棒來模擬染色質(zhì)。學(xué)生聆聽教師對(duì)本次建?；顒?dòng)的目的、內(nèi)容和要求等說明，為建模做準(zhǔn)備。

設(shè)計(jì)意圖：在明確目的和內(nèi)容等指引下，學(xué)生的建?；顒?dòng)能更加有效地開展。

3.2.2 選擇合理的模型表征方式

扭扭棒由一根鐵絲和纏繞在其周圍的絨毛組成。鐵絲表征DNA，絨毛表征染色質(zhì)蛋白（見圖1）。由于鐵絲比較容易彎折，便于后續(xù)的模擬過程。學(xué)生從材料袋中取出扭扭棒并觀察、適當(dāng)彎折，初步了解其性能。

設(shè)計(jì)意圖：通過給學(xué)生介紹扭扭棒的構(gòu)成，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)建模使用的材料要盡可能恰當(dāng)反應(yīng)模擬對(duì)象，提高建模真實(shí)性這一特點(diǎn)。

3.2.3 構(gòu)建模型

教師呈現(xiàn)動(dòng)物細(xì)胞有絲分裂顯微攝影圖，學(xué)生根據(jù)染色體行為特點(diǎn)進(jìn)行初步排序后，教師引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)細(xì)胞周期的概念并提問：如何保證子細(xì)胞中染色質(zhì)相同？分裂間期細(xì)胞需要什么準(zhǔn)備？學(xué)生討論得出需先復(fù)制再均分。教師引導(dǎo)學(xué)生分小組構(gòu)建復(fù)制好的染色質(zhì)模型。

設(shè)計(jì)意圖：通過讓學(xué)生從不同扭扭棒中選出兩條等長(zhǎng)、顏色相同的，檢測(cè)學(xué)生對(duì)染色質(zhì)復(fù)制的理解。

教師繼續(xù)提問：圖中可見密集排列、結(jié)構(gòu)松散的染色質(zhì)和形態(tài)較為清晰的染色體，哪種形態(tài)適合復(fù)制，哪種形態(tài)適合均分？教師進(jìn)一步指導(dǎo)學(xué)生將扭扭棒折疊以模擬染色體。學(xué)生小組合作構(gòu)建染色質(zhì)和染色體的模型，演示并體驗(yàn)?zāi)姆N形態(tài)更容易均分。

設(shè)計(jì)意圖：通過模擬分離松散的染色質(zhì)和螺旋化的染色體，學(xué)生借助實(shí)物模型體會(huì)染色質(zhì)螺旋化成染色體能提高分離效率，降低錯(cuò)誤概率。

教師提問：染色體在細(xì)胞的什么位置？什么結(jié)構(gòu)在牽引染色體？學(xué)生用記號(hào)筆畫出細(xì)胞核膜，再?gòu)娜旧w中部（或偏向一端）畫細(xì)線，表示紡錘絲。教師繼續(xù)提問：染色體的移動(dòng)遇到什么障礙？怎樣解決？學(xué)生通過討論得出，核膜會(huì)在染色體移動(dòng)前分解。學(xué)生在染色體周圍畫出分解的核膜。教師追問：染色體均分時(shí)，細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)發(fā)生了哪些變化？各小組學(xué)生分別選擇一個(gè)時(shí)期并完善該時(shí)期的細(xì)胞模型。

設(shè)計(jì)意圖：通過“構(gòu)建模型－發(fā)現(xiàn)問題－完善模型”的活動(dòng)，為學(xué)生提供學(xué)習(xí)支架，降低建模難度。學(xué)生邊思考邊建模，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)。同時(shí)學(xué)生能體會(huì)構(gòu)建模型不是一蹴而就的，而是基于一定的已知信息，提出合理的構(gòu)思。當(dāng)條件改變時(shí)，模型需要及時(shí)調(diào)整。

3.2.4 檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)模型

教師提問：由于有絲分裂顯微攝影圖只能反映細(xì)胞在某個(gè)時(shí)刻的特點(diǎn)，無法表示連續(xù)的過程。如何觀察染色體、紡錘體的動(dòng)態(tài)變化，以驗(yàn)證上述模型？學(xué)生提出用不同熒光染料對(duì)染色體、紡錘絲分別進(jìn)行染色，觀察活細(xì)胞的有絲分裂過程。教師呈現(xiàn)熒光顯微鏡下動(dòng)物細(xì)胞有絲分裂錄像以驗(yàn)證猜想。小組代表展示前、中、后、末期模型（見圖2），其他小組學(xué)生對(duì)展示和講解程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行評(píng)價(jià)。

設(shè)計(jì)意圖：通過生生互評(píng)和教師總評(píng)，使學(xué)生更加明確模型中容易出現(xiàn)的不當(dāng)之處。強(qiáng)調(diào)紡錘體和細(xì)胞核膜的變化，啟發(fā)學(xué)生體悟細(xì)胞作為一個(gè)整體，各個(gè)結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)配合完成生命活動(dòng)。

3.2.5 修正模型

教師組織各小組學(xué)生討論本小組模型的錯(cuò)誤并修正，再組織學(xué)生思考植物細(xì)胞有絲分裂的過程模型，并在動(dòng)物細(xì)胞模型的基礎(chǔ)上修改。

設(shè)計(jì)意圖：通過自評(píng)和修正，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)動(dòng)植物細(xì)胞分裂異同的理解，落實(shí)結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課利用建模教學(xué)策略解決“染色體如何實(shí)現(xiàn)平均分配”這一核心問題。首先，教師引導(dǎo)學(xué)生樹立建模意識(shí)，明確通過構(gòu)建模型能將抽象的結(jié)構(gòu)和過程具體化，有助于分析問題，是科學(xué)研究中常用的方法。其次，通過介紹扭扭棒的構(gòu)造，及其與染色質(zhì)各成分對(duì)應(yīng)，學(xué)生體會(huì)選擇合適的材料能更加客觀準(zhǔn)確地表征對(duì)象。在構(gòu)建模型環(huán)節(jié)，教師利用子問題為學(xué)生搭建思考的脈絡(luò)，構(gòu)建并利用模型提供事實(shí)經(jīng)驗(yàn)，幫助學(xué)生建構(gòu)有絲分裂的概念。子問題和建模、用模過程相互滲透，解決問題的同時(shí)模型基本搭建完成。在根據(jù)靜態(tài)的顯微攝影圖和預(yù)測(cè)搭建模型后，教師結(jié)合“問題—思路—驗(yàn)證”的科學(xué)探究過程引導(dǎo)學(xué)生討論檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷乃悸?，并提供?dòng)態(tài)錄像證據(jù)。再通過學(xué)生互評(píng)、教師評(píng)價(jià)和基于建議修正模型幫助學(xué)生進(jìn)一步達(dá)成深度理解。最后修改已有模型以構(gòu)建植物細(xì)胞分裂模型，完善知識(shí)體系。