基于科學思維和科學探究的“減數(shù)分裂第1課時”教學設計

閆 霞 安 軍

（北京市第一0 一中學 北京 100091）

1 教材分析

人類對減數(shù)分裂的發(fā)現(xiàn)和認識，為理解遺傳物質的傳遞規(guī)律奠定了細胞學基礎。減數(shù)分裂的內(nèi)涵包括：1）減數(shù)分裂是有性生殖的生物在產(chǎn)生精子和卵細胞時進行的染色體數(shù)量減半的細胞分裂。減數(shù)分裂過程中，染色體只復制1 次，細胞連續(xù)分裂2 次；2）由于減數(shù)分裂過程中染色體的特殊行為產(chǎn)生了極其多樣的配子類型，這有利于有性生殖的生物在自然選擇中進化。19世紀末魏斯曼預言了生殖細胞的形成過程應該是一個特殊的減數(shù)分裂過程，他的假說被后來大量的實驗觀察所印證。

減數(shù)分裂歷來是教學的難點，學生很難理解減數(shù)分裂過程中染色體的復雜行為，特別是對“同源染色體”概念的建立存在困難。

本教學設計有2 條主線：1）精選減數(shù)分裂發(fā)現(xiàn)史中的4 個關鍵素材，創(chuàng)設問題情境，模擬科學家工作，引導學生經(jīng)歷假說-演繹的科學探究過程，通過觀察、歸納、概括、推理和建模等方法，認識同源染色體，并清晰減數(shù)分裂的概念。在這一過程中培養(yǎng)和訓練學生的科學思維，在思考中建立概念。這樣的教學設計指向發(fā)展學生的生物學科核心素養(yǎng)。2）用“對減數(shù)分裂價值的思考”貫穿教學始終。從一開始單元核心問題的導入就有意引導學生關注配子多樣性的問題，再到學習過程中對素材的分析，使學生在學習減數(shù)分裂過程染色體行為變化時不斷感悟這種變化對配子多樣性產(chǎn)生的意義。這樣的設計目的在于滲透生命觀念中的進化適應觀。

2 教學目標

1）通過引導學生提出假說、設計實驗、分析實驗結果，構建減數(shù)分裂的概念，培養(yǎng)科學探究能力（科學探究、科學思維）。

2）通過圖解構建減數(shù)分裂過程中染色體變化的模型，使學生感悟觀察、假說、質疑、推理、建模等方法在科學研究中的重要作用（科學思維）。

3）初步解釋配子具有多樣性的原因，理解有性生殖產(chǎn)生的變異在進化中的作用（進化適應觀）。

3 教學重、難點

1）重點：減數(shù)分裂過程中染色體的行為；減數(shù)分裂的概念。

2）難點：同源染色體概念；減數(shù)分裂過程中染色體的行為；配子多樣性的原因。

4 教學過程

4.1 創(chuàng)設情境，提出問題 有性生殖的生物個體在其發(fā)育過程中，細胞要經(jīng)過有絲分裂和細胞分化的過程。如果該個體成年后，其產(chǎn)生的精子或卵細胞是通過有絲分裂形成的，精、卵結合形成受精卵時，會發(fā)生什么現(xiàn)象？這一問題使學生體會精子、卵細胞中染色體數(shù)目必須減半，否則親子代體細胞中的染色體數(shù)目就不能恒定。教師介紹：在精子、卵細胞的形成過程中，必然有一個特殊過程使染色體數(shù)目減半，這個特殊的過程叫減數(shù)分裂。接著提問：一對夫妻生了多個孩子，為什么每個孩子長得都不相同？引導學生想到人類產(chǎn)生的精子和卵細胞具有多樣性。即減數(shù)分裂要完成2 個任務，一個是使染色體數(shù)目減半，同時還能實現(xiàn)配子多樣性。

提出本節(jié)課的核心問題：在形成配子的過程中，如何實現(xiàn)染色體數(shù)目減半，同時還能產(chǎn)生多樣性的配子？

4.2 利用假說－演繹法構建減數(shù)分裂的定義 學生分組討論分析減數(shù)分裂產(chǎn)生的配子中的染色體數(shù)目為什么只有體細胞的一半？（提示可以與有絲分裂相比，復制1 次分裂1 次）。學生提出的假說1：細胞直接分裂1 次；假說2：染色體復制1 次，細胞連續(xù)分裂2 次。

表1 不同生物體細胞中染色體數(shù)目

出示不同生物中染色體數(shù)目表（表1），引導學生設計實驗驗證假說，要求說出選材原則和實驗步驟。

總結選材原則：簡單（染色體條數(shù)少），材料易得，最后在多個物種中研究，得到普適規(guī)律?？茖W家一般選擇模式生物為實驗材料，讓學生感受到實驗材料在科學研究中的重要性。

史料1：鮑威爾在1887年首次觀察到了馬蛔蟲減數(shù)分裂的過程，發(fā)現(xiàn)馬蛔蟲的一個原始生殖細胞經(jīng)過減數(shù)分裂后產(chǎn)生4 個細胞。

根據(jù)史料1 學生認識到細胞一定是分裂了2次，即假說2 正確。師生共同總結減數(shù)分裂的定義。此環(huán)節(jié)可以讓學生體會科學探究和分組合作的樂趣。

4.3 精子形成過程及精子多樣性的原因

問題：以精子形成過程為例，研究精原細胞（圖1）是如何分裂成精細胞的？

圖1 精原細胞

4.3.1 同源染色體概念的建立

史料2：1891年亨金首次正確描述了減數(shù)分裂的過程，他觀察某種蝽（2n=24）時發(fā)現(xiàn)：在減數(shù)第一次分裂時，染色體開始呈現(xiàn)一種環(huán)狀，共有12 個環(huán)狀物。

圖2 配對的染色體圖［1］

提問：在減數(shù)第一次分裂過程中，難道細胞還沒有分裂成2 個，染色體數(shù)目就減半了？

引導學生說出每個環(huán)狀物很可能是一對染色體，減數(shù)第一次分裂時染色體兩兩配對了。出示環(huán)狀物放大圖及模式圖。

引導學生分析圖2 得出同源染色體的概念。告訴學生人有23 對染色體（圖3），就是指有23對同源染色體。其中包括22 對常染色體和1 對性染色體，XY 代表男性，XX 代表女性。XY 是一對特殊的同源染色體。讓學生分析Y 和X 的來源。

學生能深刻理解同源染色體中的2 條染色體一條來自父方一條來自母方，大小形態(tài)一般都相同。基于科學史，先觀察后分析的方法突破教學難點——同源染色體的概念。

圖3 男性的染色體核型［1］

4.3.2 認識“同源染色體分離”出示科學家在觀察蝗蟲減數(shù)分裂時得到的圖片（圖4）讓學生分組畫出減數(shù)第一次分裂后期的染色體行為圖。這是第2 次引導學生提出假說。

圖4 蝗蟲減數(shù)分裂［2］

總結分析學生構建的減數(shù)第一次分裂后期模型圖（圖5），減數(shù)第一次分裂后期是同源染色體分離還是姐妹染色單體分離？引發(fā)觀點的沖突，科學家為此問題也爭論了10 多年。直到新的研究結果的出現(xiàn)，這與實驗材料密切相關，科學家發(fā)現(xiàn)雄蝗蟲性別決定是XO，雌蝗蟲性別決定是XX。再次讓學生感受到實驗材料在科學研究中的重要性。

圖5 不同學生構建的減數(shù)第一次分裂后期模型圖

史料3：科學家發(fā)現(xiàn)雄蝗蟲（2n=23，XO 型）減數(shù)第一次分裂結束后，結果產(chǎn)生2 類細胞，一類細胞含有X 染色體，一類細胞不含性染色體。

基于實驗事實，學生通過觀察、猜想、建模、推理、模型修正，構建概念——減數(shù)第一次分裂后期是同源染色體的分離。

4.3.3 認識“非同源染色體自由組合”分析圖5中學生1、學生2 構建的模型，提問：減數(shù)第一次分裂后期移向細胞每一極的非同源染色體的組合是隨機的嗎？

史料4：1913年，Eleanor Carothers 發(fā)現(xiàn)雄蝗蟲（2n=23，XO 型）常染色體中有一對特殊的同源染色體，其大小不等，她統(tǒng)計了300 多個細胞，X 染色體與那對大小相異的同源染色體的組合，接近1∶1。

基于對史料4 的分析討論推理，學生可以理解減數(shù)第一次分裂后期同源染色體分離的同時，非同源染色體自由組合。

教師總結減數(shù)第一次分裂過程中染色體的行為，然后提問減數(shù)第二次分裂過程中染色體如何變化？

圖6 學生構建的減數(shù)第二次分裂模型圖

師生共同總結減數(shù)分裂過程中染色體的行為。評價：觀察所構建的減數(shù)分裂模式圖，嘗試解釋上課初始提出的問題：“染色體在哪一過程減半的？配子多樣性是如何形成的？”4.4 減數(shù)分裂的價值 一對夫妻生了很多個孩子（同卵雙胞胎除外），能否出現(xiàn)完全一樣的孩子？

讓學生分析人體有23 對染色體，減數(shù)分裂過程中產(chǎn)生的精子種類223種（僅考慮同源染色體分離，非同源染色體自由組合）。

教師提升：有性生殖的生物產(chǎn)生的配子具有多樣性，加上受精過程中精卵隨機結合，同一雙親的后代必然呈現(xiàn)多樣性。這種多樣性有利于生物在自然選擇中進化，體現(xiàn)了有性生殖的優(yōu)勢。此環(huán)節(jié)的設置是為了讓學生從進化角度思考減數(shù)分裂，逐步形成進化適應觀。

5 教學反思

本節(jié)教學設計特別關注學生的猜想，實驗驗證，根據(jù)實驗結果修正假說（主要培養(yǎng)學生的科學思維和科學探究能力）。對于學生來說，創(chuàng)新力是可以培養(yǎng)的，應在課堂中給學生猜想的機會，而不是僅讓學生通過資料歸納總結、演繹推理，更不是直接告訴學生概念。此外，在第1 課時就談及減數(shù)分裂的價值——有利于有性生殖的生物在自然選擇中進化，體現(xiàn)進化與適應觀。這是單元整體備課的必然結果。只有將生命觀念滲透在每一節(jié)課中，學生才能逐步建立生命觀念。

從課堂教學具體實施來說，本節(jié)課暫時舍棄掉一些新的名詞，例如四分體、聯(lián)會、初級精母細胞、次級精母細胞等，極度關注染色體的行為。減數(shù)分裂過程中同源染色體的行為很重要，對于同源染色體的概念提出，本節(jié)課采取的方法是：遵循科學史，科學家在減數(shù)第一次分裂過程中觀察到12 個環(huán)狀物（該物種精原細胞中染色體數(shù)目是24條），學生可以猜到科學家看到的每個環(huán)狀物實際上配對的2 條染色體，說明減數(shù)第一次分裂過程中染色體要兩兩配對。放大其中一個環(huán)狀物，觀察到構成環(huán)狀物的2 條染色體大小形態(tài)基本一樣。接著解釋人體體細胞中的23 對染色體就是23 對同源染色體，期中XY 是一對特殊同源染色體，讓學生分析X 和Y 的來源，很容易想明白Y 來源于父親，X 來源于母親。通過這樣的方式突破教學難點——同源染色體的概念。在這一環(huán)節(jié)，學生也觀察到結成環(huán)的環(huán)狀物之間的交叉現(xiàn)象，為下一節(jié)課學習交叉互換，進一步學習配子的多樣性埋下伏筆。