實(shí)驗(yàn)教學(xué)與核心概念教學(xué)的有效鏈接

吳紅漫

摘 要 以“細(xì)胞增殖”教學(xué)為例，從分析教學(xué)現(xiàn)狀入手，闡述如何基于學(xué)生前概念，完成預(yù)實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)觀察實(shí)驗(yàn)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、獲得事實(shí)性知識(shí)、建構(gòu)核心概念的過(guò)程。

關(guān)鍵詞 細(xì)胞增殖前概念建構(gòu) 核心概念

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

文件編號(hào)： 1003 - 7586（2016）06 - 0042 - 03

生物學(xué)科核心概念是指生物學(xué)課程中超越具體、事實(shí)性知識(shí)的概念，是具有統(tǒng)攝一般概念和事實(shí)性知識(shí)的概念，對(duì)核心概念的學(xué)習(xí)是學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)的重中之重，提高核心概念教學(xué)的有效性是高中生物教學(xué)的核心話題。研究表明大多生物學(xué)概念的形成離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)論證，所以創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，讓學(xué)生設(shè)計(jì)、觀察、分析和實(shí)施相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，逐步完成核心概念的建構(gòu)，能幫助學(xué)生理解概念的本質(zhì)，有事半功倍之效。

下面以“細(xì)胞增殖”的教學(xué)過(guò)程為例，闡述如何實(shí)現(xiàn)“實(shí)驗(yàn)教學(xué)”與“核心概念教學(xué)”的有效鏈接?！凹?xì)胞增殖”是高中生物課程中的核心概念，通常的教學(xué)設(shè)計(jì)是先學(xué)習(xí)細(xì)胞分裂的相關(guān)知識(shí)，再進(jìn)行觀察細(xì)胞的有絲分裂的實(shí)驗(yàn)。筆者嘗試設(shè)計(jì)系列探究和觀察實(shí)驗(yàn)，采用組織學(xué)生進(jìn)行課前準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)、課中設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和邊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)邊歸納概念的教學(xué)策略，引導(dǎo)學(xué)生逐步完成細(xì)胞增殖概念的學(xué)習(xí)。

1 教學(xué)現(xiàn)狀分析與教學(xué)策略確定

1.1 理解課標(biāo)要求，確定教學(xué)思路

《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》對(duì)于“細(xì)胞增殖”教學(xué)提出的具體內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)是：簡(jiǎn)述細(xì)胞的生長(zhǎng)和增殖的周期性；觀察細(xì)胞的有絲分裂并概述其過(guò)程。

本節(jié)教學(xué)思路為：組織學(xué)生在進(jìn)行“觀察細(xì)胞的有絲分裂過(guò)程系列實(shí)驗(yàn)及過(guò)程分析”的基礎(chǔ)上，使其逐步構(gòu)建“細(xì)胞有絲分裂”“細(xì)胞增殖”的概念，幫助學(xué)生理解“什么是有絲分裂？”“細(xì)胞周期的含義”、“動(dòng)、植物細(xì)胞有絲分裂的異同”“有絲分裂在細(xì)胞生命歷程中的地位和作用”，從而達(dá)到“簡(jiǎn)述細(xì)胞周期、概述有絲分裂過(guò)程”的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

1.2 分析教材地位，確定教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)

必修一第5章“細(xì)胞增殖”一節(jié)，是“細(xì)胞生命歷程”教學(xué)的開(kāi)篇內(nèi)容，有細(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)和細(xì)胞代謝的知識(shí)作鋪墊為細(xì)胞分化、衰老、癌變、凋亡、減數(shù)分裂、染色體變異、免疫、細(xì)胞工程等知識(shí)作準(zhǔn)備，因此這個(gè)概念的學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生理解前后相關(guān)知識(shí)很關(guān)鍵，既是細(xì)胞結(jié)構(gòu)知識(shí)的深化和應(yīng)用，又是今后學(xué)習(xí)細(xì)胞功能及細(xì)胞發(fā)展變化的基礎(chǔ)。

因而將本節(jié)課教學(xué)重點(diǎn)確定為：細(xì)胞生長(zhǎng)與分裂在個(gè)體生長(zhǎng)中的作用；有絲分裂細(xì)胞周期的定義、階段、變化和特點(diǎn)；植物和動(dòng)物細(xì)胞有絲分裂過(guò)程中的細(xì)胞形態(tài)、結(jié)構(gòu)的變化，以及各個(gè)時(shí)期染色體行為和數(shù)量的變化、DNA數(shù)量變化；細(xì)胞增殖的種類和意義。其中有兩個(gè)教學(xué)難點(diǎn)：① 如何理解細(xì)胞周期？② 歸納出有絲分裂中染色體、DNA的變化規(guī)律。

1.3 引伸學(xué)生“前概念”，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

常見(jiàn)教學(xué)設(shè)計(jì)是以細(xì)胞分裂的模式圖解為主要學(xué)習(xí)資料，教師通過(guò)分析圖解中細(xì)胞分裂的染色體、細(xì)胞形態(tài)等變化，配合適當(dāng)?shù)哪Ｐ徒?gòu)活動(dòng)，完成概念教學(xué)。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，高一學(xué)生具備一定的初中生物學(xué)知識(shí)和高中細(xì)胞學(xué)知識(shí)，對(duì)細(xì)胞增殖內(nèi)容存在前概念，教師通過(guò)問(wèn)題呈現(xiàn)與啟示，激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，設(shè)計(jì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)如表1。讓學(xué)生在前概念的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，自主建構(gòu)“細(xì)胞增殖”的新概念，既培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力，更學(xué)生全面認(rèn)識(shí)和深入理解“細(xì)胞增殖”核心概念。具體設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

2 教學(xué)實(shí)例及分析

奧蘇伯爾認(rèn)為學(xué)生獲得概念主要有兩條途徑，即概念形成和概念同化。概念形成是指學(xué)生從大量的同類事物或現(xiàn)象的不同例證中獨(dú)立發(fā)現(xiàn)共同的本質(zhì)特征，獲得概念的初級(jí)形式。概念同化是學(xué)生利用認(rèn)知結(jié)構(gòu)中原有的有關(guān)概念學(xué)習(xí)新概念的方式，是獲得概念的主要形式。細(xì)胞增殖的概念教學(xué)就是讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)細(xì)胞增殖的本質(zhì)，并利用原有的前概念，通過(guò)對(duì)比、分析、論證和歸納，完成概念的形成與同化。

2.1 布置預(yù)實(shí)驗(yàn)，探究植物生長(zhǎng)的“根源”

以洋蔥根尖有絲分裂為例，課前布置學(xué)生做準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)——“水培根尖”，并提出問(wèn)題：根尖為什么會(huì)生長(zhǎng)？

教學(xué)過(guò)程如下：每人1個(gè)洋蔥鱗莖，標(biāo)明實(shí)驗(yàn)時(shí)間；去掉老根，切掉基部腐爛層，打破休眠；將洋蔥放在直徑合適的燒杯口上，洋蔥底部接觸水面；放置室外溫暖、有陽(yáng)光處，培養(yǎng)4～7 d；記錄生根情況，并拍照。

結(jié)果展示：有的洋蔥長(zhǎng)出比較多的“白胡須”狀的須根，有的只長(zhǎng)了一圈或沒(méi)有長(zhǎng)出。

結(jié)果分析：有的學(xué)生在切掉基部腐爛層時(shí)，切的過(guò)多，破壞了根原基，沒(méi)有了根部分生組織，無(wú)法生根。

由此學(xué)生得出了結(jié)論：植物的生長(zhǎng)主要是通過(guò)尖端分生組織的細(xì)胞分裂和生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)的，觀察細(xì)胞增殖過(guò)程的實(shí)驗(yàn)材料是根尖。

2.2 討論實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，指導(dǎo)制作根尖臨時(shí)裝片

運(yùn)用問(wèn)題鏈的逐層提問(wèn)與提示，師生共同研討，設(shè)計(jì)出“制作洋蔥根尖臨時(shí)裝片”的實(shí)驗(yàn)方案，然后將預(yù)實(shí)驗(yàn)水培的根尖制成裝片，研究根尖細(xì)胞不同區(qū)域的細(xì)胞。師生討論過(guò)程簡(jiǎn)錄：

師：我們都切取0.5 cm根尖（不是2～3 mm），怎么看到細(xì)胞？

生：放在顯微鏡下。

師：直接放？顯微鏡下能看到嗎？根近于圓柱體？

生：壓平成一薄層，便于光線透過(guò)。（初中顯微鏡技能）

師：你壓一下。（提供載玻片、蓋玻片、根尖）

生：壓碎了。（動(dòng)手操作）

師：需解離。（展示初中教材胞間連絲圖片，并介紹解離的原理、試劑、用法等）。

師再問(wèn)：解離后就能看清細(xì)胞變化嗎？

生：染色。

師：給什么染色？什么是染色體和染色質(zhì)？（介紹染色的原理、方法等）

生：給染色體（質(zhì)）染色，要看到細(xì)胞形態(tài)、大小變化及染色體形態(tài)和數(shù)目的變化，需制作根尖臨時(shí)裝片，即解離→漂洗→染色→壓片后才能鏡檢。（學(xué)生完成裝片制作）

將學(xué)生制作裝片實(shí)驗(yàn)安排在學(xué)習(xí)分裂各時(shí)期特點(diǎn)之前，目的是讓學(xué)生能用自己制作的裝片進(jìn)行觀察，體驗(yàn)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題的過(guò)程。

2.3 指導(dǎo)顯微觀察，啟迪發(fā)現(xiàn)細(xì)胞分裂的作用

以往的教學(xué)中，教師會(huì)直接告訴學(xué)生，取根尖2～3 mm觀察，找到分生區(qū)細(xì)胞觀察，這樣容易出現(xiàn)一些問(wèn)題。例如學(xué)生初中知識(shí)遺忘了，不能區(qū)分成熟區(qū)和分生區(qū)細(xì)胞，或在成熟區(qū)尋找細(xì)胞分裂相。從認(rèn)知水平的角度看，學(xué)生是沒(méi)有理解根尖為什么會(huì)生長(zhǎng)？根尖生長(zhǎng)的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)是什么？因此在指導(dǎo)顯微觀察中，需要幫助學(xué)生完善對(duì)根尖生長(zhǎng)的認(rèn)識(shí)。

教師指導(dǎo)學(xué)生觀察裝片簡(jiǎn)述：①取0.5 cm根尖制作臨時(shí)裝片；②低倍鏡觀察，找到根尖的根毛區(qū)、伸長(zhǎng)區(qū)、分生區(qū)（生長(zhǎng)點(diǎn)）、根冠；③高倍鏡觀察，對(duì)比四區(qū)細(xì)胞形態(tài)、長(zhǎng)短、結(jié)構(gòu)的差異，找到正在分裂和生長(zhǎng)的細(xì)胞；④去發(fā)現(xiàn)伸長(zhǎng)區(qū)細(xì)胞生長(zhǎng)現(xiàn)象明顯，分生區(qū)有的細(xì)胞正在分裂。

提出問(wèn)題：根尖生長(zhǎng)主要取決于伸長(zhǎng)區(qū)細(xì)胞生長(zhǎng)還是分生區(qū)細(xì)胞增殖？

通過(guò)師生共同觀察與分析，引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：細(xì)胞不能無(wú)限長(zhǎng)大；根尖生長(zhǎng)與細(xì)胞生長(zhǎng)和分裂都有關(guān)，主要取決于細(xì)胞分裂；觀察細(xì)胞分裂的部位是根尖分生區(qū)，不用取材0.5 cm，只需取2～3 mm。

2.4 對(duì)比排序不同分裂相，完善細(xì)胞周期的概念

“細(xì)胞周期”是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)問(wèn)題，難在3處，主要采取3方面的教學(xué)策略。

難點(diǎn)之一是學(xué)生幾乎無(wú)法真實(shí)觀察到細(xì)胞連續(xù)分裂的動(dòng)態(tài)過(guò)程，影響學(xué)生對(duì)“細(xì)胞周期”概念內(nèi)涵的理解。教學(xué)中通常通過(guò)動(dòng)畫、模型展示“一次分裂完成開(kāi)始，到下一次分裂完成為止為一個(gè)細(xì)胞周期”的過(guò)程。

本節(jié)課從觀察“自制分生區(qū)細(xì)胞裝片”出發(fā)：首先指導(dǎo)學(xué)生觀察裝片，從細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞大小、細(xì)胞核有無(wú)、染色質(zhì)多少、染色體位置等方面充分描述不同細(xì)胞分裂相的特征；然后將相同細(xì)胞分裂相歸類、排序，從而分辨細(xì)胞周期的間期和分裂期的前、中、后、末4個(gè)時(shí)期。例如：有一類細(xì)胞數(shù)目很多，都有一個(gè)細(xì)胞核、有明顯核仁、核占體積比很大；有幾個(gè)細(xì)胞很特殊，深色的染色體集中在細(xì)胞中央；有幾個(gè)細(xì)胞的染色體到細(xì)胞的兩極等；再指導(dǎo)學(xué)生排出3-5類細(xì)胞出現(xiàn)的前后順序，排列出細(xì)胞分裂時(shí)期。最后教師點(diǎn)拔學(xué)生認(rèn)識(shí)到，觀察到的是細(xì)胞解離殺死后，固定在不同的分裂時(shí)期的“相”，不能看到每個(gè)細(xì)胞分裂動(dòng)態(tài)過(guò)程；一個(gè)細(xì)胞的分裂歷程，就構(gòu)成一次細(xì)胞周期，它與時(shí)間周期、時(shí)鐘周期、鐘擺周期等的本質(zhì)區(qū)別，就是細(xì)胞結(jié)構(gòu)的周期性改變；不同類型的細(xì)胞表示它們分別停留在不同分裂時(shí)期，這些時(shí)期被依次人為地劃分為間期和分裂期，分裂期又依次被人為劃分為前期、中期、后期和末期；區(qū)分不同時(shí)期的依據(jù)主要是細(xì)胞核中染色體的變化，為學(xué)生歸納不同時(shí)期細(xì)胞的染色體、染色單數(shù)、DNA分子形態(tài)數(shù)目等變化，從而突破教學(xué)難點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生從分子水平和細(xì)胞水平理解細(xì)胞周期，并為建構(gòu)相應(yīng)數(shù)學(xué)模型打下基礎(chǔ)。

難點(diǎn)之二是學(xué)生容易對(duì)細(xì)胞周期的時(shí)間分配產(chǎn)生誤解，只關(guān)注細(xì)胞數(shù)目以指數(shù)函數(shù)的形式遞增，而忽略分裂間期的實(shí)質(zhì)變化和重要作用，因?yàn)橄嚓P(guān)動(dòng)畫、模型的連續(xù)播放讓學(xué)生容易產(chǎn)生沒(méi)有間期或間期很短的錯(cuò)覺(jué)。本節(jié)課是通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生觀察比較不同分裂相的細(xì)胞數(shù)目的多少來(lái)突破此難點(diǎn)的。學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)最多的是間期細(xì)胞，最少的是中期細(xì)胞，說(shuō)明什么？間期本質(zhì)是發(fā)生在準(zhǔn)備期，完成了染色體復(fù)制過(guò)程，經(jīng)歷時(shí)間最長(zhǎng)，而中期是分裂期中時(shí)間最短的，使學(xué)生從物質(zhì)變化的角度認(rèn)識(shí)到細(xì)胞周期的本質(zhì)，即細(xì)胞中遺傳物質(zhì)復(fù)制后平均分配的、周而復(fù)始的過(guò)程。從實(shí)驗(yàn)方法的角度，也讓學(xué)生知道通過(guò)“數(shù)目占比”推算“時(shí)間分配”是實(shí)驗(yàn)分析中的常用方法。

難點(diǎn)之三是細(xì)胞周期什么時(shí)候開(kāi)始？什么時(shí)候停止？學(xué)生對(duì)細(xì)胞周期外延的理解容易停留在周期性分裂的層次，對(duì)細(xì)胞為什么分裂、分裂后“去哪兒了”等不作深入思考。本節(jié)課通過(guò)組織學(xué)生觀察根尖的根冠、分生區(qū)、伸長(zhǎng)區(qū)、成熟區(qū)的細(xì)胞圖像，引導(dǎo)學(xué)生從生物學(xué)事實(shí)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，如：不是所有細(xì)胞都在分裂；形成的子細(xì)胞有的繼續(xù)分裂，有的發(fā)生分化等，這樣形成對(duì)細(xì)胞周期更完整的認(rèn)識(shí)。

2.5 展示模擬分裂過(guò)程，歸納有絲分裂概念

囿于學(xué)生觀察自制的洋蔥根尖分生區(qū)細(xì)胞顯微圖像的清晰程度不夠，學(xué)生由此歸納細(xì)胞中染色體等變化規(guī)律有困難，因此用模擬動(dòng)畫和相應(yīng)圖片輔助學(xué)生觀察有絲分裂過(guò)程中細(xì)胞各部分結(jié)構(gòu)的變化。教師引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)物觀察的基礎(chǔ)上，將自制顯微圖像與模擬圖片相對(duì)比，更容易找出各時(shí)期的特征。從以下四個(gè)角度歸納建構(gòu)有絲分裂的概念，包括“絲”的含義、來(lái)源和變化規(guī)律；染色體數(shù)量、運(yùn)動(dòng)、形態(tài)的變化規(guī)律；DNA、染色單體、著絲點(diǎn)數(shù)量等變化規(guī)律；動(dòng)物和植物細(xì)胞中核膜、核仁、細(xì)胞器等亞顯微結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助概念教學(xué)的教后反思

3.1 融入探究理念

在觀察根尖、制作裝片、對(duì)比分裂相等系列實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，讓學(xué)生獲得了豐富的事實(shí)性知識(shí)，基于觀察逐步深入探究，更有助于建構(gòu)概念。

3.2 借助前概念引伸

學(xué)生已形成的前概念是新概念形成的基礎(chǔ)，也可能成為新概念形成的障礙，充分利用前概念引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、觀察分析，能夠豐富學(xué)生前概念，也能糾正概念誤區(qū)，從而建構(gòu)新概念，為形成更上位的概念打好基礎(chǔ)。

3.3 還原實(shí)驗(yàn)初衷

教師要重視學(xué)生實(shí)驗(yàn)，在做中思、做中學(xué)，不能停留在“重在參與”的層次，更要注重實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題提出、目標(biāo)確定、方案設(shè)計(jì)、過(guò)程分析和結(jié)論產(chǎn)生，使學(xué)生最終形成對(duì)相應(yīng)生物學(xué)概念的認(rèn)識(shí)。培養(yǎng)學(xué)生從實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)真理，從實(shí)驗(yàn)中形成概念，這正是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的初衷，提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)，使其受益終生。