基于类比推理与模型构建的“细胞的增殖”(第1课时)教学设计

李小玲

(山东省东营市第二中学 东营 257000)

1 教材分析及设计思路

人教版“细胞的增殖”是《生物·必修1·分子与细胞》第6章第1节的内容，主要包括细胞周期、有丝分裂及意义、无丝分裂等。在分析各知识点之间联系的基础上结合教学实际对教材内容进行重组整合，选取“植物细胞有丝分裂过程及意义”作为第1课时。学生在第3章已学习了细胞核的结构和功能，对染色体、染色质和DNA的关系有了一定程度的认识，但理解有丝分裂这一微观动态过程仍然困难，为有效突破重难点，以有丝分裂过程中染色体行为变化为主线，通过学生活动、史料分析并巧用类比推理法等引导学生构建染色体行为变化的概念模型、物理模型、数学模型，环环相扣地指引学生主动构建知识体系，参与知识形成的过程，在教学过程中落实生物学核心素养，有效实现本节课教学目标。

2 教学目标

基于课程标准的内容要求、学业要求和学业质量标准，并围绕培养学生核心素养的要求，制订了如下教学目标：

(1) 通过对有丝分裂过程中遗传物质先复制后平分这一规律的认识，理解细胞亲子代之间遗传信息的一致性，领悟生命的延续性。

(2) 通过学生活动，分析有丝分裂发现过程的科学探究史，提高分析、归纳、提取信息的能力；通过构建模型，说明有丝分裂过程中染色体行为的变化，锻炼动手能力、抽象思维能力，发展科学思维。

(3) 通过观察图片、分析表格，能说出细胞周期的概念，理解分裂间期的存在意义，认识生命的形成是一个发展变化的过程，形成生命观念。

3 教学过程

3.1 创设情境，导入新课 观看《人类胚胎发育过程》微课，提出问题：“细胞通过什么方式进行增殖？”从微课视频可知，通过分裂增殖，真核细胞进行分裂的方式有三种： 有丝分裂、无丝分裂和减数分裂。由此引出本节课题——有丝分裂。

设计意图： 通过微课视频，让学生感受生命的神奇，概括出个体的发育离不开细胞的分裂及分化，快速引出本节课题。

3.2 温故知新，借助物理模型厘清染色质(体)、DNA与染色单体间数量关系 引领学生回顾相关知识： ①在细胞分裂过程中，细胞核内的遗传物质先经过复制，然后平均分配到两个新细胞中，使新细胞内的遗传物质与亲代细胞保持一致；②遗传物质的载体是染色质(体)；③染色质和染色体是同种物质在不同时期的两种存在状态；④染色质(体)的主要成分是DNA和蛋白质。

借助染色质的物理模型(带孔磁钉与扭扭棒)补充新知识： ①着丝粒的个数等于染色质(体)条数；②染色质复制实质是DNA的复制；③DNA复制后一个着丝粒上连着两条完全相同的单体，称为姐妹染色单体；④复制后的染色质螺旋化缩短变粗形成染色体。在补充知识的过程中厘清染色质(体)、DNA及染色单体之间的数量关系(表1)。

表1 染色质(体)、DNA及姐妹染色单体之间的数量关系

设计意图： 借助1条染色质的物理模型模拟DNA的复制及染色质螺旋化过程，克服对微观结构认识的困难，帮助学生增加感性认识，为学生在旧知与新课之间搭建学习的桥梁，引导学生把握染色质、染色体、着丝粒、姐妹染色单体、DNA复制这几个概念及其内在联系，并借助表格进行总结，利于学生在短时间内理解并掌握这几个概念及其数量关系。

3.3 巧用类比推理法，构建概念模型 姐妹染色单体会随着丝粒的分裂而分开，由此抛出第一个问题： 姐妹染色单体是在螺旋化之前还是之后分开？借助限时游戏——拆分线团寻找灵感： 提前准备A、 B两组线团，每组均由两条完全相同的毛线构成，A组散乱分布，B组缠绕为棒状。由两名学生上台展示该游戏。显然，缠绕好的线团更易区分，引导学生得出散乱的毛线类似染色质，缠绕好的线团类似染色体，据此现象提出问题，巧用类比推理法作出推论，结合史料分析进行验证，最终得出结论(表2)，并以一条染色体为例，初步构建出有丝分裂过程中染色体行为变化的概念模型，进行总结。继而抛出第二个问题： 你能预测染色体均分时的形态吗？通过观看视频，分析着丝粒受力情况，得出染色体的两条臂朝向细胞中央的位置，进而完善概念模型。

表2 类比推理法构建概念模型

设计意图： 科学思维是生物学核心素养的重要内容，而推理、模型、归纳、概括等均属于科学思维的重要方法。该环节以两组毛线表征染色质(体)，引导学生根据两者间的一致性，进行类比推理。但类比推理得出的结论并不具有逻辑的必然性，为此教师提前准备有丝分裂发现过程的科学探究史，以便学生检测推论、得出结论，让学生体验类比推理的思维过程及一般流程，这不仅有助于培养学生的推理能力，也有利于学生形成尊重事实和证据的科学精神，养成严谨务实的学习态度，促进学生生物学学科核心素养的提升；在得出结论的同时构建出有丝分裂过程中1条染色体行为变化的概念模型，将隐性的知识具体化、形象化，便于学生快速而准确的理解。

3.4 动静结合，构建物理模型 展示高等植物细胞有丝分裂各时期的静态图片，再借助视频动态地呈现有丝分裂过程。学生通过自主阅读教材相关段落并结合视频总结各时期的特点，之后运用自学知识判断前面展示的有丝分裂的静态图各处于什么时期，检测并反馈学生自学情况。为了更直观、深刻的理解有丝分裂，引导学生利用教具(扭扭棒、带孔磁钉、磁板等)分小组制作高等植物细胞有丝分裂各时期染色体行为变化的物理模型，并用白板笔画出核膜、核仁、细胞板等结构，建模完成后各小组派代表将本组作品吸附于黑板(具有磁性)进行展示、解说，其他同学评价、补充，共同完善模型。图1为学生构建的物理模型。

图1 学生构建的有丝分裂各时期染色体行为变化物理模型

设计意图： 物理模型的构建、展示和解说可作为抽象知识学习的有效手段，它具有直观、形象、生动等特点，能帮助学生在短时间内理解知识，为运用知识奠定基础。有丝分裂知识点抽象、琐碎，通过引导学生运用建模、归纳等方法，以学生的视角呈现有丝分裂各时期的特点，在此过程中，学生不仅需要与他人合作动手操作、动脑思索，还需要不断地在脑海中重复相关知识点，主动地构建、修正、完善知识体系，参与知识的形成过程，潜移默化地深化了对知识的学习，体验了由抽象到具体的思维过程，并在探索中体会到建模的方法。该教学过程不仅注重学生实践，也注重实证精神，本环节中展示的照片、视频及建模均以生物学事实为依据，这有利于养成学生重实证、严谨的求知态度，在学习过程中发展科学思维。

3.5 结合物理模型，构建数学模型表征染色体、DNA及染色单体数目变化 引导学生观察物理模型，思考下列问题： ①数一数各个时期染色体、核DNA、每条染色体上的DNA、姐妹染色单体的数目，统计于表3；②建立坐标系，以折线图形式(数形转换)表示模型中有丝分裂各时期染色体、DNA和姐妹染色单体的数目变化；③分析各拐点变化的原因；④观察比较有丝分裂前后染色体、DNA和染色单体的数量关系，阐明有丝分裂的重要意义；⑤将数学模型类比推理至二倍体真核生物。

表3 物理模型中染色体、DNA、姐妹染色单体数目

设计意图： 以物理模型为切入点，引导学生根据表3对模型进行加工、对比、分析，将其转化为数学模型，体会由具体到抽象的思维过程，深层次领悟有丝分裂本质；分析各拐点原因后得出分裂后期由于着丝粒分裂导致染色体数目加倍，分裂间期由于DNA复制导致DNA数目加倍；比较亲子代细胞中染色体、DNA等数目变化，理解有丝分裂的意义是保持细胞亲子代之间遗传性状的稳定性；引导学生举一反三，顺利地将数学模型迁移至二倍体真核生物。此过程中学生体验到有丝分裂前后细胞内结构的一致性，利于养成透过现象看本质的思维品质。

3.6 趣味接龙，学习细胞周期 通过判断图示细胞(图略)所处时期并进行排序，阐明新形成的子细胞大多会进行下一次分裂，像这样连续分裂的细胞，从一次分裂完成时开始，到下一次分裂完成时为止，称为一个细胞周期。安排以下学习任务： ①观察显微镜下洋葱根尖细胞有丝分裂的图片，比较视野中处于分裂间期、分裂期的细胞数目的多少，思考其原因和意义是什么；②其他细胞中有无类似现象，结合教材表6-1进行分析，还能从表格中获取哪些信息？

设计意图： 识图及排序不仅能巩固所学知识，也能反馈学生学习情况，并根据子细胞行为导出细胞周期概念；通过观察、分析显微镜下洋葱根尖有丝分裂图片可得出细胞周期的大部分时间处于分裂间期，意义是为分裂期进行活跃的物质准备；分析不同细胞的细胞周期持续时间，提高学生的识图能力、分析表格能力、从表格中读取有效信息的能力，逐步发展终身学习的能力。

3.7 通过板书，总结提升、完善知识体系 通过板书(图2)，以细胞周期概念串联起所学知识，并引导学生将本节课构建的概念模型、物理模型和数学模型结合起来，师生共同构建细胞增殖知识体系，从整体上把握本节内容。

图2 板书设计

设计意图： 图文结合高度整合本节核心内容，直观呈现有丝分裂过程，帮助学生从宏观上厘清知识点之间的内在联系与层级关系，从整体上构建有丝分裂知识体系。

4 教学反思

本节课教学通过类比推理法引导学生构建概念模型、物理模型，体会由复杂到简单、化抽象为形象的思维过程；再以物理模型为切入点引导学生构建数学模型，领悟数形转换的方法、养成通过现象思考本质的思维习惯。

通过模型构建等实践活动，让学生亲历知识的形成过程，激发学生学习生物学的兴趣，培养学生收集信息、分析问题、解决问题、动手实践及构建模型的能力，养成尊重事实、务实严谨的求知态度，学会运用科学的思维方法认识事物、解决问题，逐步发展科学思维，落实生物学核心素养，从而有效实现教学目标。