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(shù)立生命觀念、提升科學(xué)探究能力、形成社會(huì)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(guò)例證法和建構(gòu)法[3],其中,概念建構(gòu)常通過(guò)分析與綜合、模型與建模、比較與分類(lèi)、抽象與概括等科學(xué)思維來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。為了在建構(gòu)概念過(guò)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(shí))為例,進(jìn)行了嘗試。
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(diǎn)在于通過(guò)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(huì)經(jīng)歷生長(zhǎng)和增殖的生命過(guò)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(dòng)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(yùn)用大量的科學(xué)思維方法去實(shí)現(xiàn),例如在“細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生明確模型建構(gòu)的目的、學(xué)會(huì)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(wèn)題,從而訓(xùn)練學(xué)生模型與建模的科學(xué)思維。
本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)對(duì)象是高中一年級(jí)學(xué)生,此階段的學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)細(xì)胞通過(guò)分裂產(chǎn)生新細(xì)胞,但還沒(méi)有深入了解到細(xì)胞的具體分裂過(guò)程。細(xì)胞分裂的過(guò)程屬于微觀知識(shí),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(jì)選擇通過(guò)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(guò)程的模型,通過(guò)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。
1.通過(guò)模擬“細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系”的實(shí)驗(yàn),說(shuō)明生命活動(dòng)與細(xì)胞增殖的關(guān)系,認(rèn)同細(xì)胞增殖是生物體生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖和遺傳的基礎(chǔ)的概念。
2.通過(guò)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(shí)期的主要特征。
3.通過(guò)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(duì)保證親子代細(xì)胞遺傳物質(zhì)一致性的重要意義。
4.通過(guò)學(xué)習(xí)有絲分裂的科學(xué)史,體會(huì)科學(xué)探究是一個(gè)繼承發(fā)展的過(guò)程,了解科學(xué)家的偉大和科學(xué)探究道路的艱辛與漫長(zhǎng)。
教學(xué)重點(diǎn):有絲分裂各時(shí)期的特點(diǎn)。
教學(xué)難點(diǎn):真核細(xì)胞有絲分裂過(guò)程中各個(gè)時(shí)期染色體行為和數(shù)目的變化,以及DNA數(shù)量的變化。
探究法,講述法,歸納法,實(shí)驗(yàn)法
多媒體課件、毛根、卡紙
1.導(dǎo)入問(wèn)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(wèn)題:象和鼠的個(gè)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(zhǎng)大主要是由于細(xì)胞數(shù)量增長(zhǎng)還是細(xì)胞體積增大?細(xì)胞不能無(wú)限長(zhǎng)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(yùn)輸?shù)年P(guān)系的實(shí)驗(yàn)。由于細(xì)胞形狀不規(guī)則,體積不易計(jì)算,所以引導(dǎo)學(xué)生利用三個(gè)不同邊長(zhǎng)的立方體作為3類(lèi)不同大小細(xì)胞的模型,計(jì)算模型的相對(duì)表面積、核質(zhì)比、物質(zhì)擴(kuò)散體積與總體積比。通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到細(xì)胞不能無(wú)限長(zhǎng)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(yùn)輸效率的關(guān)系。教師提問(wèn)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(shuō)明生命活動(dòng)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(zhǎng)、發(fā)育、繁殖、遺傳的基礎(chǔ)這一概念。
設(shè)計(jì)意圖:教師通過(guò)問(wèn)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(wèn)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(wú)限長(zhǎng)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(gè)帶核子細(xì)胞的全過(guò)程[6]。教師提問(wèn):細(xì)胞一分為二,細(xì)胞內(nèi)的染色質(zhì)是否也會(huì)均分?學(xué)生思考后,教師展示圖片讓學(xué)生對(duì)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(wèn):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(xiě)道:百合和紫露草細(xì)胞核在分裂過(guò)程中被一群很微小、生存時(shí)間很短的微結(jié)構(gòu)所替代[6]。教師說(shuō)明微結(jié)構(gòu)是染色體的復(fù)合結(jié)構(gòu),并提問(wèn):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(chǔ)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(guò)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(shí)圖片,讓學(xué)生觀察比較細(xì)胞內(nèi)各個(gè)時(shí)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(kāi)探究活動(dòng):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(huà)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(guò)程的活動(dòng),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(guò)程中的作用,最后自行修正有絲分裂過(guò)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(gè)時(shí)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(guò)染色體間期與末期形態(tài)的對(duì)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(gè)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(guò)程、特征與意義。
設(shè)計(jì)意圖:教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)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(gè)人對(duì)概念的認(rèn)識(shí)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(guò)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(duì)比與分析、推理與演繹的科學(xué)思維。學(xué)生通過(guò)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(huì)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(zhǎng)。
3.建構(gòu)思維導(dǎo)圖,強(qiáng)化概念,養(yǎng)成科學(xué)思維
教師以問(wèn)題為導(dǎo)向與學(xué)生一起繪制細(xì)胞增殖相關(guān)知識(shí)的思維導(dǎo)圖。教師提出以下問(wèn)題:細(xì)胞生長(zhǎng)的限制因素是什么?細(xì)胞生長(zhǎng)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(guò)程和意義是什么?然后教師以細(xì)胞生長(zhǎng)、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(duì)以上問(wèn)題的回答,同步繪制思維導(dǎo)圖。在此過(guò)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(shí)框架,加強(qiáng)學(xué)生對(duì)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(huì)經(jīng)歷生長(zhǎng)和增殖的生命過(guò)程。
設(shè)計(jì)意圖:教師采用設(shè)計(jì)問(wèn)題支架和繪制思維導(dǎo)圖兩種方法,幫助學(xué)生對(duì)概念進(jìn)行加工、記憶和儲(chǔ)存;在此過(guò)程中既可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)次要概念的理解,引導(dǎo)學(xué)生對(duì)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。