模型與建模在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

黃偉明

摘要 在“減數(shù)分裂”第 1 課時(shí)教學(xué)中，指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展減數(shù)分裂物理模型、數(shù)學(xué)模型及概念模型的建模活動(dòng)，有效幫助學(xué)生直觀、形 象地建立與理解減數(shù)分裂時(shí)染色體的變化特點(diǎn)，以及減數(shù)分裂的生物學(xué)意義，形成結(jié)構(gòu)與功能觀、穩(wěn)態(tài)與平衡等生命觀 念，提升科學(xué)思維能力與科學(xué)探究能力。

關(guān)鍵詞 模型;建模;減數(shù)分裂;生命觀念;科學(xué)思維

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（下文簡(jiǎn) 稱(chēng)課程標(biāo)準(zhǔn)）明確提出高中生物學(xué)教學(xué)要讓學(xué)生學(xué)會(huì) 運(yùn)用模型進(jìn)行建模。^[1]為此，筆者嘗試開(kāi)展高中生物 學(xué)模型與建模教學(xué)實(shí)踐與研究，以期激發(fā)學(xué)生科學(xué)探 究興趣，習(xí)得生物學(xué)知識(shí)，形成生命觀念，提高科學(xué)思 維能力與建模能力。本文以“減數(shù)分裂”第1課時(shí)教學(xué) 為例，探討建模教學(xué)策略。

一、“減數(shù)分裂”第1課時(shí)建模教學(xué)概述

“減數(shù)分裂”是2007年版人教社《高中生物·必修 2·遺傳與進(jìn)化》（下文簡(jiǎn)稱(chēng)教科書(shū)）第2章第1節(jié)內(nèi)容， 包括以哺乳動(dòng)物精子和卵細(xì)胞形成為例介紹減數(shù)分 裂過(guò)程，觀察蝗蟲(chóng)精母細(xì)胞減數(shù)分裂固定裝片實(shí)驗(yàn)與 建立減數(shù)分裂中染色體變化的模型活動(dòng)等?！皽p數(shù)分 裂”是高中生物必修2模塊教學(xué)重點(diǎn)和學(xué)習(xí)難點(diǎn)，為學(xué) 生學(xué)習(xí)遺傳和變異、生物進(jìn)化等知識(shí)奠定基礎(chǔ)。課程 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該部分內(nèi)容的教學(xué)要求是“闡明減數(shù)分裂產(chǎn)生 染色體數(shù)量減半的精細(xì)胞或卵細(xì)胞”。建議開(kāi)展“運(yùn) 用模型、裝片或視頻觀察模擬減數(shù)分裂過(guò)程染色體的 變化”教學(xué)活動(dòng)，幫助學(xué)生能夠運(yùn)用細(xì)胞減數(shù)分裂的 模型，闡明遺傳信息在有性生殖中的傳遞規(guī)律，重點(diǎn) 發(fā)展生命觀念、科學(xué)思維維度的生物學(xué)核心素養(yǎng)。^[2]

“減數(shù)分裂”第1課時(shí)教學(xué)聚焦減數(shù)分裂過(guò)程中染 色體變化及其生物學(xué)意義，通過(guò)比較分析有絲分裂與 減數(shù)分裂的異同點(diǎn)、觀察與分析精子形成過(guò)程示意圖 等，促進(jìn)學(xué)生樹(shù)立結(jié)構(gòu)與功能觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀等生 命觀念，提高比較分析能力。從“直觀教具呈現(xiàn)、模型 方法運(yùn)用、模型與建模實(shí)施”等三個(gè)層次，由淺入深、 從具體到抽象逐步指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用磁性染色體模型，建 構(gòu)減數(shù)分裂模型，幫助學(xué)生歸納減數(shù)分裂概念及減數(shù) 分裂過(guò)程，舉例說(shuō)明減數(shù)分裂特點(diǎn)及結(jié)果，闡明減數(shù) 分裂過(guò)程中染色體發(fā)生自由組合和互換的意義，提高 觀察能力、綜合分析能力與建模能力，為學(xué)生建立重 要概念“有性生殖中基因的分離和重組導(dǎo)致雙親后代 的基因組合有多種可能”，以及大概念“遺傳信息控制 生物性狀，并代代相傳”奠定基礎(chǔ)。^[2] 二、“減數(shù)分裂”第1課時(shí)建模教學(xué)設(shè)計(jì)與 實(shí)施

模型能對(duì)認(rèn)知對(duì)象本質(zhì)特征進(jìn)行簡(jiǎn)單且直觀的 概括與描述。^[3]建模是指運(yùn)用生物模型解決生物學(xué)問(wèn) 題。其實(shí)質(zhì)是運(yùn)用模型設(shè)計(jì)新的知識(shí)結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)表 象的操作、加工而實(shí)現(xiàn)的思維活動(dòng)。建?？梢源龠M(jìn)學(xué) 生調(diào)動(dòng)多種感官、充分發(fā)揮想象力進(jìn)行探索，提高科 學(xué)思維能力、科學(xué)探究能力與創(chuàng)新能力。^[4]

（一）建構(gòu)有絲分裂模型，導(dǎo)入新課教學(xué)

創(chuàng)設(shè)“精子是怎樣形成的”問(wèn)題情境，指導(dǎo)學(xué)生運(yùn) 用紅、黃色及長(zhǎng)短不同的兩對(duì)磁性染色體模型建構(gòu)有 絲分裂模型，復(fù)習(xí)有絲分裂過(guò)程中染色體行為變化的 規(guī)律，加深對(duì)有絲分裂及其生物學(xué)意義的理解。進(jìn)一 步指導(dǎo)學(xué)生觀察教科書(shū)第16頁(yè)“果蠅體細(xì)胞和配子的 染色體圖”，分析精子形成的方式，得出“精子的形成 不能通過(guò)有絲分裂”的結(jié)論。由此引出本節(jié)教學(xué)課題 “減數(shù)分裂” ，并介紹減數(shù)分裂發(fā)現(xiàn)史上科學(xué)家魏斯曼 的預(yù)言“精子和卵子染色體數(shù)要減半”。

通過(guò)建構(gòu)有絲分裂模型，激發(fā)學(xué)生的好奇心與學(xué) 習(xí)興趣欲望，營(yíng)造濃厚的科學(xué)探究氣氛，促進(jìn)學(xué)生主 動(dòng)參與建?；顒?dòng)，建立“細(xì)胞分裂過(guò)程實(shí)質(zhì)是染色體 的行為變化”的認(rèn)識(shí)，提升觀察能力與分析能力。

（二）建構(gòu)減數(shù)分裂模型，開(kāi)展建模教學(xué)

• 建構(gòu)減數(shù)第一次分裂模型

指導(dǎo)學(xué)生觀看減數(shù)分裂動(dòng)畫(huà)視頻，了解精子形成 時(shí)減數(shù)分裂過(guò)程，初步認(rèn)識(shí)同源染色體、姐妹染色單 體、聯(lián)會(huì)及四分體等生物學(xué)專(zhuān)業(yè)名詞。并組織學(xué)生根 據(jù)教科書(shū)第19頁(yè)“哺乳動(dòng)物精子的形成過(guò)程圖解”建 構(gòu)減數(shù)第一次分裂模型。

首先，每桌兩位學(xué)生合作運(yùn)用8個(gè)長(zhǎng)短不同紅黃 兩色的磁性染色體模型代表8條染色單體，建構(gòu)顏色 和長(zhǎng)度兩兩相同的4條染色體，即減數(shù)第一分裂前期 模型。接著，學(xué)生建構(gòu)減數(shù)第一分裂中期、后期染色 體模型。有的學(xué)生將長(zhǎng)短一樣、紅黃色不同標(biāo)記的同 源染色體配對(duì)，分別擺放在細(xì)胞赤道板上。有的將其 中一個(gè)四分體交叉擺放。最后，學(xué)生將長(zhǎng)短不同、顏 色不同的染色體分別移至細(xì)胞兩極，表示兩對(duì)同源染 色體分離，完成減數(shù)第一次分裂，染色體數(shù)目減半，產(chǎn) 生兩個(gè)次級(jí)精母細(xì)胞。

根據(jù)建模教學(xué)目標(biāo)及建模難易程度，請(qǐng)不同學(xué)習(xí) 程度的學(xué)生展示小組合作建構(gòu)的減數(shù)第一次分裂模 型，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相互評(píng)價(jià)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題并 修正模型，幫助學(xué)生直觀、形象地了解減數(shù)第一次分 裂前期時(shí)每條染色體是由兩個(gè)染色單體組成的，這兩 條染色單體長(zhǎng)短顏色是一致的，說(shuō)明其是來(lái)自父方或 母方的一對(duì)同源染色體。加深學(xué)生對(duì)同源染色體、姐 妹染色單體、聯(lián)會(huì)與四分體等概念的認(rèn)識(shí)，厘清其相 互之間的關(guān)系，避免死記硬背。進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生思考與 討論：①同源染色體如何分離？何時(shí)分離？非同源染 色體如何自由組合？何時(shí)自由組合？ ②四分體的交 叉互換是否會(huì)改變遺傳信息？為后續(xù)學(xué)習(xí)基因重組 打下基礎(chǔ)。

• 建構(gòu)減數(shù)第二次分裂模型

學(xué)生繼續(xù)運(yùn)用磁性染色體模型建構(gòu)減數(shù)第二次 分裂模型，加深理解染色體數(shù)目加倍的原因是著絲點(diǎn) 分裂。并指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考：減數(shù)分裂形成生殖細(xì) 胞過(guò)程中，若沒(méi)有紡錘體形成，能否產(chǎn)生正常生殖能 力的生殖細(xì)胞？為學(xué)習(xí)染色體變異打下基礎(chǔ)。

通過(guò)小組合作建構(gòu)減數(shù)分裂模型，使學(xué)生直觀地 認(rèn)識(shí)減數(shù)分裂過(guò)程染色體行為與數(shù)目變化過(guò)程，促進(jìn) 學(xué)生建立與理解減數(shù)分裂概念及其生物學(xué)意義，培養(yǎng) 學(xué)生合作的精神，提高科學(xué)思維能力與建模能力。

• 建構(gòu)減數(shù)分裂數(shù)學(xué)模型

在本課時(shí)小結(jié)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生建構(gòu)減數(shù)分裂染色 體數(shù)目變化數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行展示與互評(píng)，修正存在 的錯(cuò)誤。指導(dǎo)學(xué)生分析染色體數(shù)目加倍處是垂直線 條、DNA數(shù)目加倍處是斜線條的原因，厘清減數(shù)分裂 過(guò)程中染色體數(shù)目變化與DNA數(shù)目變化之間的關(guān)系， 提高運(yùn)用知識(shí)能力。

此外，本節(jié)課后要求學(xué)生獨(dú)立繪制減數(shù)分裂概念 圖，讓學(xué)生以概念模型的形式表征對(duì)減數(shù)分裂的認(rèn) 識(shí)。通過(guò)建構(gòu)減數(shù)分裂物理模型、數(shù)學(xué)模型及概念模 型的方式，促進(jìn)學(xué)生深入理解減數(shù)分裂這一重要概念 及其生物學(xué)意義，做到知其然，知其所以然。

三、“減數(shù)分裂”建模教學(xué)反思

（一）激發(fā)學(xué)生的探究欲望，學(xué)習(xí)與運(yùn)用建模方法

運(yùn)用模型開(kāi)展建?；顒?dòng)有利于激發(fā)學(xué)生的好奇 心與探究欲望，讓學(xué)生在建模實(shí)踐中，正確理解抽象 的減數(shù)分裂概念，直觀、形象地認(rèn)識(shí)減數(shù)分裂過(guò)程中 染色體行為與數(shù)目變化，改變傳統(tǒng)的死記硬背減數(shù)分 裂各個(gè)時(shí)期染色體變化的現(xiàn)象，彰顯了高中生物學(xué)的 理科屬性，使得學(xué)生習(xí)得生物學(xué)概念，形成生命觀念， 學(xué)習(xí)與運(yùn)用建模方法，提高科學(xué)思維能力、科學(xué)探究 能力與創(chuàng)新能力

（二）調(diào)整教學(xué)內(nèi)容及保證充足的建模活動(dòng)時(shí)間

根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平，將減數(shù)分裂教學(xué)內(nèi)容調(diào)整 到“遺傳因子的發(fā)現(xiàn)”之前，有利于學(xué)生基于對(duì)有絲分 裂的認(rèn)識(shí)，運(yùn)用模型與建模學(xué)習(xí)重要概念減數(shù)分裂， 為后續(xù)學(xué)習(xí)孟德?tīng)柾愣闺s交實(shí)驗(yàn)、遺傳分離定律和自 由組合定律奠定基礎(chǔ)。此外，為了保證充足的建?；?動(dòng)時(shí)間，編寫(xiě)導(dǎo)學(xué)案指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)，并以小組合 作建模的方式進(jìn)行減數(shù)分裂學(xué)習(xí)，有利于學(xué)生相互幫 助，當(dāng)堂完成建構(gòu)減數(shù)分裂模型的任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

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• （責(zé)任編輯 ：陳 欣）