基于模型建构的“细胞的增殖”教学设计

陈 国

(浙江省慈溪中学 315300)

1 教材分析与设计思路

浙科版“细胞的增殖”一节的内容由细胞周期与有丝分裂2个知识块组成[1]。其中“有丝分裂染色体的行为变化”是本节教学的重点与难点。传统教学常采用多媒体动画辅助的方法增强直观性，但学生的学习仍未脱离“视觉灌输”的被动状态。笔者尝试通过模型建构进行教学，根据物理模型、数学模型、概念模型的不同功能[2]，围绕“有丝分裂染色体行为变化”这一教学重难点，以“静态细胞图像的观察排序—动态物理模型的制作使用—抽象数学模型的建构分析—生物概念模型的总结提炼”的流程作为教学主线，从静态模型到动态模型，从实物模型到数学模型，循序渐进地让学生主动参与知识的构建，突显学生的主体地位，培育生物学科的核心素养。

2 教学目标

依据课程标准并围绕培养学生核心素养的要求制订了如下教学目标：

(1) 通过对有丝分裂遗传物质变化规律的认识，理解生命的延续和发展，领悟生命的运动性，形成事物发展变化过程中由量变到质变的唯物辩证观；通过有丝分裂各时期的比较分析，初步形成结构与功能相适应、生命多样性与统一性的生命观念。

(2) 通过制作并使用有丝分裂染色行为变化的动态模型，学习应用模型建构研究问题；通过洋葱根尖永久装片的观察比较与数理统计，分析有丝分裂过程中染色体和DNA数目的变化规律，学习选择、鉴别、运用信息；通过数学模型的建构，体验由具体到抽象的思维模式转化。

(3) 通过“观察细胞的有丝分裂”的实验活动，结合微课视频获取信息，寻找证据，对真核细胞有丝分裂的过程作出猜想，并通过“模型建构”检验假设和发现规律，培养科学探究能力。

(4) 利用细胞增殖的相关知识，分析或探讨影响细胞增殖的因素，尝试提出健康生活和关爱生命的合理化建议。

3 教学过程

3.1 静态细胞图像的观察排序——建立有丝分裂细胞周期概念 将教材106页实验活动“观察细胞的有丝分裂”前置，同时开放实验室，提供洋葱根尖细胞有丝分裂的永久装片和植物细胞有丝分裂的微视频，让学生课前开展实验探究活动和自主性学习。为使探究活动既具较强的指向性和操作性，教师设计明确的问题任务： ①观察洋葱根尖永久装片，找出有丝分裂不同时相图(图1)，选择典型的细胞图像进行显微摄影；②结合微课视频，对所选细胞图像按细胞周期进行时间排序，并简述排序理由；③利用Excel软件对不同时期的细胞数目进行统计分析，猜想统计数据与细胞周期不同时期时长的关系。上课时教师检测和评价学生探究活动的成果，并引导学生基于实验数据，一起建构细胞周期的概念。

图1 有丝分裂细胞时相

设计意图： 细胞图像排序与数据统计分析等探究活动，为发展学生的科学思维提供了良好的学习支架，有利于培养学生收集、处理、解释数据以及逻辑推理等能力；基于实验数据作出推测，形成细胞周期概念，实现实验教学与概念教学的有效链接。

3.2 动态物理模型的制作使用——还原有丝分裂染色体行为的变化过程 教师提供毛根铁丝和带孔磁环，并布置学生活动任务： ①以小组为单位，利用毛根铁丝和带孔磁环制作染色体物理模型(毛根铁丝代表染色体的臂，带孔磁环代表染色体的着丝粒)；②白板代表植物细胞，小组成员利用染色体模型模拟植物细胞有丝分裂的动态过程。教师指导学生完成模型制作和相应的活动任务后，学生代表上台展示有丝分裂染色体的行为变化(图2)。师生一起还原有丝分裂染色体行为变化的动态过程，并验证“学生活动1”的猜想是否合理。

图2 学生制作的模拟有丝分裂过程的染色体模型

设计意图： 通过开展模型建构活动，既充分还原有丝分裂染色体行为的动态过程，有利于突破教学难点，又能培养学生实践操作与模型建构能力，有助于发展学生的理性思维与科学探究能力。

3.3 抽象数学模型的建构分析——表观有丝分裂染色体和DNA的数量变化 教师布置学生活动任务和思考问题： ①以二倍体生物(2n=8)为例，建立坐标系，以曲线的形式表示有丝分裂染色体和DNA的数量变化；②根据坐标曲线，说明染色体、DNA数量为什么会发生变化；③根据曲线中染色体、DNA数量的前后变化，说明有丝分裂在生命活动中的重要意义；④细胞周期异常可产生癌细胞，请你结合坐标曲线，从数量变化角度，谈谈哪些生活因素容易引发细胞周期异常？这对我们的生活有何启示。在学生尝试完成任务①后，请学生代表展示结果，引导学生通过曲线的形式表观有丝分裂染色体和DNA的数量变化，据此分析有丝分裂的意义，探讨影响细胞增殖的因素，从而深层次地揭示有丝分裂的过程与实质，以及和健康、生活的关联性。

设计意图： 引导学生构建数学模型，有利于培养透过事物现象揭示其本质特性的洞察力以及简约严密的思维品质，体验由具体到抽象的思维模式转化；引导学生参与癌症防治相关议题的讨论，指导学生在现实生活背景中学习生物学，是培养学生社会责任感的重要途径。

3.4 生物概念模型的总结提炼——构建细胞增殖的知识体系 让学生以1条染色体为例，串联细胞周期、G1期、S期、G2期、前期、中期、后期、末期、染色体、染色单体、DNA、着丝粒、细胞板等关键词，通过小组合作，以图文结合的形式构建细胞增殖的概念图解。之后请学生代表分析所构建概念图解(图3)的逻辑关系，师生共同构建细胞增殖的知识体系，达到学习进阶之目的。

图3 细胞增殖的概念图解

设计意图： 以图文结合的概念图解形式，通过“合作构建—代表展示”的方式，既高度整合了本节的核心概念与基础知识，又帮助学生厘清了其内在的逻辑联系与层级关系，从而有效建构细胞增殖的知识网络。

4 教学反思

本节教学从有丝分裂显微照片的时轴排序过渡到分裂过程的动态假设，之后通过制作并使用染色体模型加以验证，再通过基于数学模型建构的活动设计，让学生尝试着从物理模型到抽象概括转换，这样的教学设计隐藏着科学研究的基本方法与思路。这不仅能使学生运用已有的知识、证据和逻辑对有丝分裂过程展开论证，而且能领悟模型建构是科学研究的重要方法。

从物理模型的动态模拟到数学模型的抽象概括，尽管学生已初步完成了“细胞的增殖”核心知识的学习，但学生习得的知识内容仍处于碎片化状态。为有效解决这一问题，最后通过概念模型来结织细胞增殖的知识网络。

为克服多媒体动画转瞬即逝的弊端，本节教学利用毛根铁丝和带孔磁环制作染色体模型还原有丝分裂的动态过程，高度关注教学过程中学生的实践经历和动手操作，让学生亲自体会有丝分裂的动态性与连续性，实现抽象概念和复杂规律直观化、具体化。

(基金项目：浙江省教育科学规划2017年度研究课题“基于核心素养发展的高中生物实验教学策略研究”，No.2017SC161)