基于思維可視化的生物學(xué)重要概念教學(xué)設(shè)計(jì)研究

高穎

【摘 要】“細(xì)胞增殖”是高中生物教學(xué)的重要內(nèi)容，其中有眾多重要的、抽象的生物學(xué)概念。以模擬實(shí)驗(yàn)探究、數(shù)學(xué)建模分析，問題情境探究、思維建模探究等多種探究活動(dòng)為載體，剖析相關(guān)生物學(xué)概念，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行概念建構(gòu)。

【關(guān)鍵詞】思維可視化;重要概念;有絲分裂;數(shù)學(xué)建模;思維建模

1.教學(xué)背景分析

1.1本節(jié)內(nèi)容的地位和作用

細(xì)胞增殖是生物體的重要的生命特征，細(xì)胞增殖的實(shí)現(xiàn)，要依靠細(xì)胞各個(gè)結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，強(qiáng)調(diào)了“細(xì)胞是構(gòu)成生物體基本的結(jié)構(gòu)和功能單位”這一重要生物學(xué)概念。這部分知識(shí)與必修二“減數(shù)分裂”、“遺傳的分子基礎(chǔ)”等知識(shí)有密切聯(lián)系。有絲分裂的過程及各個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)等知識(shí)又與必修二“減數(shù)分裂”知識(shí)有直接的關(guān)系。所以本節(jié)在知識(shí)的學(xué)習(xí)上起著承上啟下的重要作用。

1.2概念分析

《課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：“生物學(xué)重要概念處于學(xué)科中心位置，包括了對(duì)生命基本現(xiàn)象、規(guī)律、理論等的理解和解釋，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)及相關(guān)科學(xué)具有重要的支撐作用?！币话銇碚f，處于上位的重要概念的抽象度較高，是生物學(xué)科的核心知識(shí)，重要概念又通過較為具體的、處于下位的一般概念和事實(shí)性知識(shí)達(dá)成。

根據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》和《教學(xué)指南》，結(jié)合教學(xué)實(shí)際，筆者對(duì)本節(jié)的重要概念、一般概念和事實(shí)性知識(shí)及其相互關(guān)系進(jìn)行了梳理如下。

重要概念：細(xì)胞增殖是生物體的重要生命特征，細(xì)胞以分裂的方式進(jìn)行增殖。

一般概念和事實(shí)性知識(shí)：細(xì)胞表面積與體積的關(guān)系、細(xì)胞周期、有絲分裂、分裂間期、分裂期、染色體（質(zhì)）、著絲點(diǎn)、姐妹染色單體、核DNA。

1.3學(xué)情分析

學(xué)生在初中七年級(jí)上冊(cè)曾經(jīng)學(xué)過《細(xì)胞通過分裂產(chǎn)生新細(xì)胞》，具有一定的生物學(xué)基礎(chǔ)，但沒有深入到細(xì)胞水平。作為高中生有了一定的自學(xué)能力，求知欲也較為強(qiáng)烈，思維模式也正從形象思維到抽象思維進(jìn)行轉(zhuǎn)移。

2.教學(xué)目標(biāo)設(shè)定

2.1知識(shí)目標(biāo)

通過建立數(shù)學(xué)模型的方法，準(zhǔn)確說出細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸效率的關(guān)系，簡(jiǎn)述限制細(xì)胞長(zhǎng)大的原因;說出細(xì)胞周期的發(fā)生條件和階段，能在相應(yīng)情景中判斷一個(gè)細(xì)胞周期的時(shí)間范圍;準(zhǔn)確描述動(dòng)物細(xì)胞有絲分裂各階段的主要特征，一個(gè)細(xì)胞周期中染色體、核DNA的數(shù)目，識(shí)別相應(yīng)的圖像;說出細(xì)胞增殖的意義。

2.2能力目標(biāo)

嘗試用模擬實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行科學(xué)研究，通過模擬實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、歸納和推理實(shí)驗(yàn)結(jié)論的能力;通過學(xué)習(xí)有絲分裂過程培養(yǎng)學(xué)生分析圖像、解讀圖像的能力。

2.3情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)

體驗(yàn)科學(xué)探究的基本過程，形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和實(shí)事求是的科學(xué)精神;通過有絲分裂過程中染色體形態(tài)、數(shù)目、行為等變化特點(diǎn)的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生建立科學(xué)的世界觀;通過對(duì)細(xì)胞分裂各時(shí)期圖像的觀察、描述以及制作模型等活動(dòng)，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。

3.教學(xué)重難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：利用模型探究細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系;

細(xì)胞增殖的周期性;有絲分裂的過程及有絲分裂的特點(diǎn)。

教學(xué)難點(diǎn)：理解細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系;有絲分裂過程中染色體、染色單體和DNA的數(shù)量變化規(guī)律及其相互間的關(guān)系。

4.教學(xué)準(zhǔn)備

4.1模擬實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及微課制作

稱取20g瓊脂置于700mL蒸餾水中，加熱融化。稱取0.06g酚酞溶解于20mL體積分?jǐn)?shù)為95%的酒精溶液中。待瓊脂溶液溫度降至80℃時(shí)加入酚酞溶液，攪拌均勻，冷卻后切割成邊長(zhǎng)分別為1cm、2cm、3cm的瓊脂塊。將瓊脂塊放入0.2%的NaOH溶液中，觀察NaOH溶液的擴(kuò)散至瓊脂塊的過程。拍攝實(shí)驗(yàn)視頻和照片，制作微課，其中NaOH擴(kuò)散進(jìn)瓊脂塊的過程采用10倍速播放，更清晰的觀察瓊脂塊由外及內(nèi)逐漸變紅的動(dòng)態(tài)過程。

4.2教（學(xué)）具準(zhǔn)備

準(zhǔn)備卡紙、扭扭棒、透明膠、馬克筆、文件袋，課前發(fā)給學(xué)生，于課堂上讓學(xué)生以小組合作的方式制作有絲分裂分裂期各時(shí)期模式圖。

5.教學(xué)過程

5.1通過微課互動(dòng)教學(xué)及數(shù)學(xué)建模探究細(xì)胞表面積與體積的關(guān)系

主要設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生對(duì)“表面積與體積比即相對(duì)表面積”并沒有明確的概念，如何讓學(xué)生從“大小”、“表面積”、“體積”等概念轉(zhuǎn)到“表面積與體積比即相對(duì)表面積”是一個(gè)難點(diǎn)。對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的初步分析、通過建立數(shù)學(xué)模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析是突破該難點(diǎn)的有效手段。教師通過問題串層層遞進(jìn)，將學(xué)生討論的重點(diǎn)由“細(xì)胞的表面積”、“細(xì)胞的體積”轉(zhuǎn)到“細(xì)胞的表面積與體積比即相對(duì)表面積”，進(jìn)而聯(lián)系到“細(xì)胞的表面積與體積比”與“物質(zhì)的運(yùn)輸效率”的關(guān)系上。

5.2通過問題情境探究、小組合作討論自主學(xué)習(xí)細(xì)胞周期概念

主要設(shè)計(jì)意圖：在概念的學(xué)習(xí)過程中，若僅停留在具體概念的結(jié)論上，概念很容易遺忘。細(xì)胞周期相關(guān)概念的教學(xué)，不僅僅讓學(xué)生理解和掌握細(xì)胞周期的定義，還需要學(xué)生能在新的情境下進(jìn)行遷移應(yīng)用。因此，細(xì)胞周期概念的起止點(diǎn)、生成的條件和分裂間期、分裂期的時(shí)間分配等概念要素尤為重要。教師通過設(shè)置一系列情境，讓學(xué)生細(xì)化細(xì)胞周期的概念，體會(huì)相關(guān)概念要素，從而體驗(yàn)概念的生成。

5.3通過思維建模探究有絲分裂過程中染色體的形態(tài)、數(shù)目、行為的變化

主要設(shè)計(jì)意圖：有絲分裂過程中染色體是如何復(fù)制和平分及其相關(guān)概念的建構(gòu)是本節(jié)課的重點(diǎn)。教師以學(xué)生學(xué)習(xí)過的、較為熟悉的染色體（質(zhì)）為切入點(diǎn)，再以一條染色體為例，模擬染色體在有絲分裂過程中是如何復(fù)制和平分的，讓學(xué)生在過程中理解姐妹染色單體、核DNA與染色體的關(guān)系，明確染色體、核DNA和姐妹染色單體的數(shù)量判斷方法。經(jīng)過兩輪教學(xué)互動(dòng)，再分別以四條、兩條染色體為例，學(xué)生以小組合作探究的方式制作分裂期各時(shí)期模式圖并進(jìn)行展示評(píng)比，學(xué)生在親自動(dòng)手操作的過程中，對(duì)之前學(xué)習(xí)的相關(guān)概念修正。

5.4評(píng)價(jià)教學(xué)效果，利用思維導(dǎo)圖進(jìn)行概念建構(gòu)

主要設(shè)計(jì)意圖：首先利用模式圖、學(xué)案對(duì)有絲分裂全過程進(jìn)行再次梳理，使學(xué)生對(duì)有絲分裂過程有個(gè)整體的認(rèn)識(shí)。在有絲分裂過程中，有許多相似的概念易混淆，如染色體的復(fù)制、染色體的加倍等，把這些相似的概念列舉出來，以快問快答的方式提問學(xué)生，若遇到概念混淆錯(cuò)誤及時(shí)糾正，有利于學(xué)生的自我檢測(cè)和教師教學(xué)的查漏補(bǔ)缺。有絲分裂過程中染色體和核DNA的數(shù)量變化規(guī)律也是本節(jié)的重要概念，讓學(xué)生嘗試?yán)L制曲線圖，培養(yǎng)學(xué)生概念遷移的能力。

6.教學(xué)反思

“探究細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸之間的關(guān)系”的模擬實(shí)驗(yàn)在瓊脂濃度的配置上，瓊脂粉與蒸餾水的質(zhì)量比不低于1：50，即1000mL蒸餾水融化20g的瓊脂。瓊脂溶液濃度過低，冷卻后的瓊脂硬度不夠，易變形，切瓊脂塊成型率不高或放入含酚酞的NaOH溶液后擴(kuò)散效果不佳。NaOH溶液濃度為0.1%，NaOH擴(kuò)散時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致瓊脂塊紅色和無色的界限不明顯，NaOH溶液濃度在0.15-0.2%之間為宜。擴(kuò)散現(xiàn)象是由分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)形成的，根據(jù)分子的熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律，溫度越高，構(gòu)成物質(zhì)的分子的運(yùn)動(dòng)速率越快，擴(kuò)散速度也就越快，而本次實(shí)驗(yàn)的時(shí)間是在冬季，在配置NaOH溶液時(shí)，保持NaOH溶液于常溫下（高于環(huán)境溫度），可以提高NaOH擴(kuò)散速率，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯。

模型建構(gòu)能以直觀的形式來表示復(fù)雜的實(shí)物，在進(jìn)行“有絲分裂過程中染色體的形態(tài)、數(shù)目、行為的變化”相關(guān)內(nèi)容教學(xué)時(shí)，采用模型建構(gòu)的方法建構(gòu)有絲分裂的相關(guān)概念，使學(xué)生對(duì)染色體在有絲分裂過程中的形態(tài)、數(shù)目、行為的變化有了直觀的了解，使原本抽象的概念通過建構(gòu)思維模型直觀化、可視化。最后在通過學(xué)生體驗(yàn)式學(xué)習(xí)、自主制作實(shí)物模型，使抽象、零散的概念清晰呈現(xiàn)，更直觀化、系統(tǒng)化。

【參考文獻(xiàn)】

[1]汪忠.生物1.遺傳與進(jìn)化·教學(xué)指南[M].江蘇鳳凰教育出版社，2013：133-143

[2]普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].人民教育出版社，2018：14

（基金項(xiàng)目：江蘇省教育科學(xué)規(guī)劃課題“基于思維可視化的生物學(xué)重要概念教學(xué)設(shè)計(jì)研究”，No.E-b/2013/006）