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        基于生物科學(xué)史和模型建構(gòu)的減數(shù)分裂深度教學(xué)設(shè)計(jì)

        2023-08-23 07:01:02文/袁
        名師在線 2023年21期
        關(guān)鍵詞:減數(shù)細(xì)胞分裂科學(xué)史

        文/袁 剛

        《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017 年版2020 年修訂)》明確提出“生物課堂要注重生物科學(xué)史和科學(xué)本質(zhì)的學(xué)習(xí)”[1]。筆者發(fā)現(xiàn),教材中對(duì)于減數(shù)分裂本質(zhì)、聯(lián)會(huì)、染色體行為規(guī)律等概念性知識(shí),多以敘述的方式直接呈現(xiàn),與減數(shù)分裂有關(guān)的生物學(xué)史料內(nèi)容呈現(xiàn)較少。因此,筆者嘗試在不增加課堂難度和教學(xué)容量的基礎(chǔ)上,適當(dāng)補(bǔ)充減數(shù)分裂探究過(guò)程的科學(xué)史料,為學(xué)生理解減數(shù)分裂概念性知識(shí)提供事實(shí)支撐,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和探究能力。

        在基于生物科學(xué)史的減數(shù)分裂教學(xué)過(guò)程中,學(xué)生不僅要對(duì)細(xì)胞器、染色體等基本概念進(jìn)行應(yīng)用整合,還須對(duì)減數(shù)分裂概念模型、染色體數(shù)量變化模型進(jìn)行主動(dòng)構(gòu)建,深刻理解基因分離和自由組合導(dǎo)致后代多樣性的重要概念。這些要求都和深度學(xué)習(xí)理論契合,運(yùn)用深度學(xué)習(xí)理論進(jìn)行本節(jié)課教學(xué),既能引導(dǎo)學(xué)生重新體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程,又能促使學(xué)生將深度加工后提煉的科學(xué)思維和探究能力遷移應(yīng)用到真實(shí)情境下去解決復(fù)雜問(wèn)題。

        一、教材分析及設(shè)計(jì)思路

        本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容為人教版普通高中生物學(xué)必修2“遺傳與進(jìn)化”第2 章第1 節(jié)“減數(shù)分裂和受精作用”第1 課時(shí)。在本節(jié)課之前,學(xué)生已經(jīng)具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)、細(xì)胞增殖、遺傳學(xué)基本規(guī)律等相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備,了解假說(shuō)演繹、歸納概括科學(xué)思維。本節(jié)課是幫助學(xué)生從染色體水平、細(xì)胞水平進(jìn)一步理解真核生物細(xì)胞核遺傳信息的傳遞規(guī)律,認(rèn)識(shí)有性生殖對(duì)生物進(jìn)化的意義。減數(shù)分裂概念以及減數(shù)分裂過(guò)程染色體數(shù)量和行為變化規(guī)律是本節(jié)課的重點(diǎn),染色體行為變化規(guī)律是本節(jié)課的難點(diǎn)。

        二、教學(xué)目標(biāo)設(shè)定

        (一)體驗(yàn)探究歷程,提升思維水平

        教師引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑減數(shù)分裂次數(shù)、DNA 復(fù)制時(shí)間、染色體行為等環(huán)節(jié),然后猜想、解釋,補(bǔ)充史料和形成主張,體驗(yàn)科學(xué)探究歷程,提升科學(xué)思維水平,學(xué)習(xí)科學(xué)家不懈努力和奉獻(xiàn)科研的精神。

        (二)完成模型構(gòu)建,培養(yǎng)建模思維

        教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用材料(如扭扭棒、磁鐵等)完成減數(shù)分裂模型的構(gòu)建,培養(yǎng)學(xué)生的建模思維,使學(xué)生形成結(jié)構(gòu)與功能觀。

        (三)加深意義理解,形成進(jìn)化與適應(yīng)觀

        通過(guò)對(duì)“減數(shù)分裂產(chǎn)生染色體減半,形成配子類型多樣”的學(xué)習(xí),學(xué)生進(jìn)一步結(jié)合受精作用使體細(xì)胞染色體數(shù)目恢復(fù)的原理,理解減數(shù)分裂在生物進(jìn)化和物種多樣性方面的重要意義,形成進(jìn)化與適應(yīng)觀。

        三、教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

        (一)創(chuàng)設(shè)情境,問(wèn)題導(dǎo)入

        教師提前向?qū)W生收集“全家?!闭掌舾蓮?,在課堂上展示,引導(dǎo)學(xué)生思考:(1)父母與子女之間通過(guò)什么細(xì)胞實(shí)現(xiàn)遺傳物質(zhì)傳遞?(2)這類細(xì)胞如果是通過(guò)有絲分裂產(chǎn)生的,你能預(yù)測(cè)子一代兒女的染色體數(shù)目嗎?子二代呢?(3)大膽預(yù)測(cè)這類細(xì)胞內(nèi)染色體數(shù)目有何特點(diǎn)?

        師生總結(jié):正如1887 年德國(guó)生物學(xué)家魏斯曼(A.Weismann)的大膽猜測(cè),在生殖細(xì)胞產(chǎn)生過(guò)程中,必然有一個(gè)特殊過(guò)程使染色體數(shù)目減少一半。

        設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)生活中常見(jiàn)的“遺傳”話題,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和批判思維,使學(xué)生意識(shí)到細(xì)胞學(xué)說(shuō)中“細(xì)胞是通過(guò)分裂產(chǎn)生”具有多層含義。

        (二)假說(shuō)演繹,補(bǔ)充史料

        第一,學(xué)生質(zhì)疑:在產(chǎn)生生殖細(xì)胞的過(guò)程中,如何實(shí)現(xiàn)染色體數(shù)目減半?

        提出猜想,小組討論:猜想一,細(xì)胞直接分裂,染色體平均分給兩個(gè)細(xì)胞,實(shí)現(xiàn)染色體數(shù)目減半;猜想二,減數(shù)分裂過(guò)程染色體復(fù)制1 次,細(xì)胞分裂2 次,實(shí)現(xiàn)染色體數(shù)目減半;猜想三,學(xué)生幽默地提出假說(shuō):染色體復(fù)制2 次,細(xì)胞分裂4 次(甚至染色體復(fù)制4 次,細(xì)胞分裂8 次,類似均有可能……)(見(jiàn)表1)。

        表1

        補(bǔ)充史料:①1888 年,德國(guó)植物學(xué)家施特拉斯布格(E. A. Strasburger)觀察到百合花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂形成“四分孢子”;②1887 年,德國(guó)生物學(xué)家鮑維里(Boveri)發(fā)現(xiàn)馬蛔蟲(chóng)經(jīng)過(guò)減數(shù)分裂后產(chǎn)生4 個(gè)細(xì)胞。

        形成主張:學(xué)生對(duì)上述科學(xué)史和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行閱讀討論后,直觀看到減數(shù)分裂結(jié)束產(chǎn)生4 個(gè)子細(xì)胞,即得出減數(shù)分裂過(guò)程中染色體復(fù)制1 次,細(xì)胞分裂2 次,實(shí)現(xiàn)染色體數(shù)目減半的結(jié)論。

        第二,學(xué)生質(zhì)疑:減數(shù)分裂過(guò)程染色體復(fù)制1 次,細(xì)胞分裂2 次,那么染色體復(fù)制(實(shí)質(zhì)為DNA 復(fù)制)出現(xiàn)在第幾次細(xì)胞分裂間期呢?

        提出猜想,模擬解釋:猜想一,染色體復(fù)制出現(xiàn)在第1 次分裂間期;猜想二,染色體復(fù)制出現(xiàn)在第2次分裂間期(見(jiàn)表2)。學(xué)生進(jìn)行小組合作,運(yùn)用扭扭棒(中間的鐵絲代表DNA 分子,外層包裹的絨毛代表蛋白質(zhì))模擬染色體。學(xué)生將扭扭棒圍繞鉛筆螺旋緊密纏繞,代表高度螺旋化的染色體;將兩根扭扭棒交叉用磁鐵環(huán)套住,代表復(fù)制后染色體。兩個(gè)磁鐵環(huán)相互吸引,可以模擬同源染色體聯(lián)會(huì)現(xiàn)象(見(jiàn)表2)。

        表2

        補(bǔ)充史料:①研究人員為使不同細(xì)胞分裂進(jìn)程同步化,使用DNA 合成阻斷劑,該試劑可以將細(xì)胞群阻斷在DNA 復(fù)制過(guò)程,而不影響其他時(shí)期細(xì)胞的正常分裂。當(dāng)去除該試劑后,細(xì)胞分裂正常進(jìn)行。②研究人員使用DNA 合成阻斷劑處理減數(shù)分裂的原始細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)原始細(xì)胞無(wú)法進(jìn)行細(xì)胞分裂。

        形成主張:染色體復(fù)制出現(xiàn)在減數(shù)第一次分裂間期,減數(shù)第二次分裂不進(jìn)行DNA 復(fù)制,即細(xì)胞核DNA 數(shù)目減半發(fā)生在減數(shù)第二次分裂。

        第三,學(xué)生質(zhì)疑:當(dāng)細(xì)胞中有多對(duì)染色體時(shí),減數(shù)第一次分裂和減數(shù)第二次分裂染色體行為相同嗎?

        提出猜想,模擬解釋:如表3,兩種猜想均實(shí)現(xiàn)了減數(shù)第一次分裂進(jìn)行染色體復(fù)制,子細(xì)胞染色體數(shù)目減半。如果要驗(yàn)證哪種假設(shè)成立,可對(duì)不同時(shí)期細(xì)胞的染色體行為進(jìn)行觀察分析。

        表3

        補(bǔ)充史料:①1891 年,德國(guó)生物學(xué)家亨金(H.Henking)在觀察某種蝽的減數(shù)第一次分裂時(shí),發(fā)現(xiàn)前期染色體形成“環(huán)”狀結(jié)構(gòu),每個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)由2 個(gè)大小相同的染色體配對(duì)構(gòu)成(如圖1)[2];②1901 年,美國(guó)生物學(xué)家蒙哥馬利(T.H.Montgomery)觀察到所謂的“二價(jià)染色體”,即由母方和父方大小相同的染色體結(jié)合形成,在減數(shù)第一次分裂時(shí)橫向分離[3]。

        圖1 “環(huán)”狀染色體結(jié)構(gòu)

        形成主張:“二價(jià)染色體”和“環(huán)”都是由2 個(gè)大小相同染色體組成,根據(jù)這一現(xiàn)象,學(xué)生對(duì)自己猜想進(jìn)行質(zhì)疑和修改,認(rèn)同減數(shù)第一次分裂時(shí)大小相同的染色體分離,導(dǎo)致染色體數(shù)目減半,故猜想二正確。師生趁熱打鐵,共同完善同源染色體、聯(lián)會(huì)等基礎(chǔ)概念的學(xué)習(xí)。

        第四,學(xué)生質(zhì)疑:大小相同的同源染色體彼此分開(kāi)時(shí),大小不同的染色體(即非同源染色體)如何分配的呢?

        提出猜想:某生物體細(xì)胞(2n-=4),1 號(hào)和2 號(hào)、3 號(hào)和4 號(hào)分別是一對(duì)同源染色體,其中1 號(hào)、3 號(hào)染色體來(lái)自父方;2 號(hào)、4 號(hào)來(lái)自母方。猜想一:1 和2、3 和4 彼此分開(kāi),將1 和3、2 和4 分在一起;猜想二:1和2、3 和4 彼此分開(kāi),將1 和4、2 和3 分在一起;猜想三:1 和2、3 和4 彼此分開(kāi),將1 和2、3 和4 又重新分在一起;猜想四:1 和2、3 和4 彼此分開(kāi),4條染色體任意組合均可。

        補(bǔ)充史料:①大型的短翅昆蟲(chóng)——雄蝗蟲(chóng)(2n=23,XO)體內(nèi)性染色體只有一條X 染色體,且還有一對(duì)大小不等的同源染色體,記為A、a。②美國(guó)遺傳學(xué)家薩頓(Sutton)觀察統(tǒng)計(jì)超過(guò)300 個(gè)雄蝗蟲(chóng)的MⅠ后期的細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)僅有的一條X 染色體與A、a 組合后,分到細(xì)胞同一極的比例接近1∶1[4]。

        形成主張:學(xué)生認(rèn)同非同源染色體之間是隨機(jī)組合,猜想①②均可能發(fā)生。

        第五,匯總每塊拼圖,構(gòu)建概念模型。

        師生共同回顧前面形成的主張:每個(gè)主張猶如減數(shù)分裂過(guò)程的一塊拼圖,依照拼圖內(nèi)容,派學(xué)生代表利用染色體(扭扭棒,含磁鐵)構(gòu)建減數(shù)分裂過(guò)程示意圖,其他小組補(bǔ)充、評(píng)價(jià)和完善。

        構(gòu)建概念模型:將構(gòu)建的減數(shù)分裂物理模型和教材中精子形成過(guò)程示意圖進(jìn)行比較,共同構(gòu)建減數(shù)分裂的概念模型,認(rèn)同減數(shù)分裂本質(zhì),準(zhǔn)確識(shí)記各個(gè)階段的細(xì)胞名稱、數(shù)量和“精細(xì)胞變形”等內(nèi)容。

        視頻展示,完美契合:播放減數(shù)分裂動(dòng)態(tài)微視頻,染色體的行為“活靈活現(xiàn)”地展現(xiàn)出來(lái),學(xué)生在驚奇和贊嘆中支持論證。

        第六,科學(xué)情感升華,增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感。

        從1887 年魏斯曼預(yù)測(cè)減數(shù)分裂的存在,科學(xué)家開(kāi)啟對(duì)減數(shù)分裂的深入研究,到1913 年薩頓證實(shí)非同源染色體自由組合,完成減數(shù)分裂的重要拼圖,歷經(jīng)二十多年的艱辛探究,眾多科學(xué)家基本達(dá)成對(duì)減數(shù)分裂過(guò)程的共識(shí)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,對(duì)減數(shù)分裂的探索仍將繼續(xù)進(jìn)行。

        四、課后延伸

        在不考慮變異的情況下,從減數(shù)分裂染色體行為的物理模型分析:1 個(gè)原始生殖細(xì)胞可產(chǎn)生幾個(gè)配子,有幾種類型?以人體23 對(duì)染色體為例,分析配子類型和后代類型,使學(xué)生認(rèn)識(shí)到生物的多樣性,體現(xiàn)有性生殖的優(yōu)勢(shì),從生物進(jìn)化的角度深度思考減數(shù)分裂的意義,形成進(jìn)化適應(yīng)觀。

        五、教學(xué)反思

        本節(jié)課補(bǔ)充了大量科學(xué)史材料,引導(dǎo)學(xué)生在“質(zhì)疑—提出猜想—補(bǔ)充資料—形成主張”的過(guò)程中構(gòu)建減數(shù)分裂的概念模型;通過(guò)扭扭棒和磁鐵構(gòu)建染色體行為的物理模型,提升學(xué)生的參與度和動(dòng)手能力;運(yùn)用模型,對(duì)減數(shù)分裂概念性知識(shí)進(jìn)行深度思考和討論,有助于突破本節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn),鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)探究論證能力。

        六、結(jié)束語(yǔ)

        基于生物科學(xué)史和構(gòu)建構(gòu)型的教學(xué)設(shè)計(jì)不僅要在重現(xiàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò)程中創(chuàng)設(shè)探究情境,引導(dǎo)質(zhì)疑批判,拉近課堂與科研之間的距離,還要充分挖掘科學(xué)史中的人文價(jià)值,既要關(guān)注求新、求真,也要關(guān)注育人、育心。

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