基于模型與建模的生物學(xué) “體驗(yàn)式教學(xué)” 實(shí)踐

宋凱 張志祥

摘要 運(yùn)用模型與建模的科學(xué)思維方式，以“細(xì)胞的增殖”為例開展體驗(yàn)式教學(xué)，以期幫助學(xué)生在建模體驗(yàn)中獲取細(xì)胞增殖知識、掌握科學(xué)探究方法、訓(xùn)練和提升邏輯思維能力、培植情感態(tài)度與價值觀。關(guān)鍵詞? 體驗(yàn)式教學(xué)模型與建模細(xì)胞的增殖高中生物學(xué)

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

文件編號：1003-7586（2023）03-0061-03

1 教材分析與教學(xué)設(shè)計思路

1.1教材分析

“細(xì)胞的增殖”是人教版高中生物學(xué)《必修1·分子與細(xì)胞》第六章第一節(jié)的內(nèi)容，包括細(xì)胞的增殖方式、細(xì)胞的增殖周期、細(xì)胞的有絲分裂過程及其生物學(xué)意義三部分內(nèi)容。其中，理解細(xì)胞的有絲分裂過程及其生物學(xué)意義是教學(xué)重難點(diǎn)，為大概念1“細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)與生命活動的基本單位”的具體體現(xiàn)，同時也是大概念3“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。

1.2教學(xué)設(shè)計思路

體驗(yàn)式教學(xué)是根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和規(guī)律，通過創(chuàng)造實(shí)際的或重復(fù)經(jīng)歷的情境，呈現(xiàn)或再現(xiàn)、還原教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生在實(shí)踐的過程中理解并建構(gòu)知識、發(fā)展能力、產(chǎn)生情感。為此，本項(xiàng)目的教學(xué)嘗試用花盆托盤、毛線等材料，在課堂教學(xué)過程中開展細(xì)胞有絲分裂過程的模型建構(gòu)，模擬該過程中染色體結(jié)構(gòu)形態(tài)或運(yùn)動形態(tài)的變化，強(qiáng)調(diào)該過程中細(xì)胞核遺傳物質(zhì)平均分配的思維體驗(yàn)，以期幫助學(xué)生在實(shí)踐、感受、分享、總結(jié)、應(yīng)用等過程中，認(rèn)識親子代細(xì)胞保持遺傳信息一致性的原因，思考DNA采用何種方式進(jìn)行復(fù)制及其生物學(xué)意義，猜測DNA 錯誤復(fù)制可能產(chǎn)生的后果，為“生物的變異”的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

SOLO 分類評價是由J.B.Biggs首創(chuàng)的一種以層級描述為特征，用于評價學(xué)生學(xué)業(yè)成就表現(xiàn)的質(zhì)性評價方法。對學(xué)生建構(gòu)修正模型的學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行SOLO分類評價，可將學(xué)生劃分為五個層次：前結(jié)構(gòu)水平（P）、單元結(jié)構(gòu)水平（U）、多元結(jié)構(gòu)水平（M）、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平（R）和抽象拓展結(jié)構(gòu)水平（E）。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）通過體驗(yàn)建構(gòu)、評價、修正、應(yīng)用模型，理解“細(xì)胞各部分結(jié)構(gòu)，既分工又合作，共同實(shí)現(xiàn)執(zhí)行細(xì)胞各項(xiàng)生命活動”的概念，樹立結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)、物質(zhì)與能量相統(tǒng)一的觀念。

（2）通過合作建模，從易到難，并推導(dǎo)出細(xì)胞中全部染色體DNA 的平均分配過程，領(lǐng)悟生物學(xué)家解決問題的思路和方法，提升類比推理、科學(xué)建模的能力。

（3）通過假說演繹，分析DNA 的復(fù)制及平均分配過程，理解有絲分裂的完成需要多種結(jié)構(gòu)相互配合，每一環(huán)節(jié)都不可或缺，體驗(yàn)和領(lǐng)悟提出問題、作出假設(shè)的科學(xué)探究的方法。

（4）通過資料分析，了解細(xì)胞的增殖次數(shù)是有限的，樹立和宣傳關(guān)愛生命的觀念，崇尚和推廣健康文明的生活方式。

3 教學(xué)過程

3.1模型預(yù)建構(gòu)：科學(xué)換算，等比擴(kuò)大，便于模擬實(shí)操

教師展示資料：人體細(xì)胞約有40～60萬億個，細(xì)胞的平均直徑在5～200μm 之間；細(xì)胞核基因組 DNA 堿基序列的總長度約為2 m，形成的1～46號染色質(zhì)的總長度約為4.76 cm。

教師引導(dǎo)學(xué)生分析直接建立平均分配細(xì)胞核中 DNA模型的可操作性和難易程度。

學(xué)生通過討論得出：相對而言，細(xì)胞體積過小，細(xì)胞核中染色質(zhì)長度過大，難以直接進(jìn)行模型建構(gòu)，進(jìn)而提出將細(xì)胞等比例擴(kuò)大后進(jìn)行模型建構(gòu)的設(shè)想。

教師提供人類基因組中24條DNA 的堿基序列長度的資料，要求學(xué)生等比例換算出每條染色質(zhì)的長度。

學(xué)生將人體細(xì)胞、每條染色質(zhì)的長度等比擴(kuò)大104倍后，教師提供半徑為13 cm 的圓形花盆托盤模擬動物細(xì)胞，便于開展模擬實(shí)驗(yàn)。

3.2模型建構(gòu)：親歷選擇，從易到難，模擬平均分配

教師請學(xué)生將毛線模擬的等比例擴(kuò)大后的46條染色質(zhì)全部放置在用圓形花盆托盤模擬的動物細(xì)胞中，并提問：能否直接同步開展46條染色質(zhì)復(fù)制后 DNA平均分配的模型？

教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行整體建模難易程度分析，并由學(xué)生討論、制定染色質(zhì)復(fù)制后DNA平均分配的模擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計思路，完成模擬實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生通過模擬實(shí)驗(yàn)得出：有絲分裂的意義是將每一條染色質(zhì)經(jīng)復(fù)制后再平均分配到兩個子細(xì)胞。在知道換算后的每條染色質(zhì)長度的情況下，學(xué)生首先采用類比推理的方法，選擇以最短的21號染色質(zhì)為代表，進(jìn)行模擬研究，化繁為簡；其次，根據(jù)Bak等的研究資料，學(xué)生將21號染色質(zhì)經(jīng)過一定程度的壓縮、螺旋成染色體后，研究其分配過程；最后，學(xué)生從簡單到復(fù)雜，進(jìn)行演繹推理，歸納46條染色質(zhì) DNA 的分離過程。

設(shè)計意圖：利用學(xué)生直接建模時的困擾為切口，以Bak等的研究資料為輔助，教師引導(dǎo)學(xué)生換位思考，由點(diǎn)及面、從易到難，模擬染色質(zhì)經(jīng)過進(jìn)一步的壓縮、螺旋成染色體，精確地實(shí)現(xiàn)細(xì)胞中遺傳物質(zhì)平均分配的目的。通過該教學(xué)過程，學(xué)生領(lǐng)悟生物學(xué)家研究問題過程中解決問題的思路和方法，達(dá)到 SOLO 分類評價多元結(jié)構(gòu)水平（M）。

3.3模型修正：分享交流，模擬實(shí)驗(yàn)，評價修正模型

教師提出任務(wù)：學(xué)生兩人一組，以21號染色質(zhì)為例，在規(guī)定時間內(nèi)模擬復(fù)制后伸展開的染色質(zhì)平均分配給子細(xì)胞的過程。學(xué)生用毛線模擬復(fù)制后伸展開的染色質(zhì)，并用半徑為13 cm 的花盆托盤模擬放大104倍的細(xì)胞，用手模擬紡錘絲將染色質(zhì)移向兩極。

分析評價：教師在該過程中，根據(jù)SOLO分類評價理論，針對不同建模層次的學(xué)生，提出相應(yīng)的思維層級提升方案，幫助學(xué)生提升科學(xué)思維能力層級。同時，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)出細(xì)胞有絲分裂過程中，每條染色體上 DNA 含量變化、細(xì)胞核中 DNA 含量變化的曲線圖，并比較兩者的異同點(diǎn)。若學(xué)生建構(gòu)成圖2（a）模型，教師則提供Bak等的研究資料，引導(dǎo)學(xué)生將染色質(zhì)進(jìn)一步壓縮、螺旋成染色體；若學(xué)生建構(gòu)成圖2（b）模型，教師則提供著絲粒的組成與功能等資料，引導(dǎo)學(xué)生將染色體在紡錘絲的牽引下拉向細(xì)胞兩極，實(shí)現(xiàn)平均分配；若學(xué)生建構(gòu)成圖2（c）模型，教師則引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合牛頓第一定律，對著絲粒受力后的染色體進(jìn)行受力分析，得出染色體臂的運(yùn)動遲滯于著絲粒的運(yùn)動，并對之前染色體運(yùn)動的模型進(jìn)行修正，將移向細(xì)胞兩極的染色體呈顯出“V”字形，開口分別朝向細(xì)胞中央的赤道面。

在生生建模體驗(yàn)交流后，教師進(jìn)行建模過程評價。在相關(guān)研究資料輔助下，學(xué)生最終能科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亟?gòu)出以21號染色質(zhì)為例的DNA平均分配過程的模型，如圖2（d），并建構(gòu)出每條染色體上的DNA、細(xì)胞核DNA含量變化曲線。

設(shè)計意圖：以模擬實(shí)驗(yàn)為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生交叉應(yīng)用物理學(xué)的知識，對染色體運(yùn)動的模型進(jìn)行修正，使之更具科學(xué)性。學(xué)生通過實(shí)操一條染色質(zhì)有絲分裂過程中運(yùn)動過程，推理全部染色質(zhì)運(yùn)動過程，并以該模擬實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，總結(jié)比較出每條染色體上 DNA、細(xì)胞核DNA含量變化的異同，達(dá)到SOLO 分類評價的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平（R）。

3.4模型提升：歸納概括，科學(xué)類比，總結(jié)平均分配的規(guī)律

教師提出問題：細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)與生命活動的基本單位，細(xì)胞需要哪些結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的增殖呢？

教師引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀念，運(yùn)用類比推理的科學(xué)思維方式，分析細(xì)胞增殖過程中所涉及的能量保障、物質(zhì)保障等，系統(tǒng)地表述出細(xì)胞有絲分裂過程中細(xì)胞核DNA經(jīng)復(fù)制后，平均分配給子細(xì)胞的過程，及其所涉及的相關(guān)結(jié)構(gòu)。

學(xué)生得出結(jié)論：①線粒體為細(xì)胞增殖供能；②核糖體合成大量蛋白質(zhì)承擔(dān)組成成分、生物催化劑等角色；③細(xì)胞膜通過多種方式運(yùn)輸物質(zhì)，為細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)合成提供原料，同時利用膜的流動性實(shí)現(xiàn)胞質(zhì)分裂等。

設(shè)計意圖：教師以問題為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生思考細(xì)胞的多個結(jié)構(gòu)是如何既分工又合作來實(shí)現(xiàn)增殖，樹立結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)、物質(zhì)與能量相統(tǒng)一的觀念，以期將學(xué)生的科學(xué)思維層級達(dá)到SOLO分類評價的抽象拓展結(jié)構(gòu)水平（E）。

3.5模型應(yīng)用：分析細(xì)胞中染色體數(shù)目變異的多種可能性

教師提出問題：細(xì)胞在多個結(jié)構(gòu)的分工合作下完成了細(xì)胞的增殖，如果某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，會有什么后果？

教師引導(dǎo)學(xué)生采用假說演繹法，分析推理線粒體、核糖體、細(xì)胞膜等不同環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題后的可能結(jié)果。學(xué)生得出初步結(jié)論：任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都將導(dǎo)致復(fù)制后的染色體 DNA 不能平均分配給兩個子細(xì)胞，從而導(dǎo)致細(xì)胞中染色體數(shù)目發(fā)生變異。同時，通過資料分析得出正常細(xì)胞的增殖次數(shù)是有限的，發(fā)生變異的細(xì)胞則可能突破限制實(shí)現(xiàn)無限增殖。

設(shè)計意圖：基于假說演繹法，教師引導(dǎo)學(xué)生分析得出細(xì)胞增殖過程中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都可能導(dǎo)致細(xì)胞變異的結(jié)論。通過教學(xué)，為后續(xù)“細(xì)胞的癌變”“生物的變異”的學(xué)習(xí)奠基，同時幫助學(xué)生樹立和宣傳關(guān)愛生命的觀念，崇尚和推廣健康文明的生活方式。

4 教學(xué)思考

教師采用體驗(yàn)式教學(xué)的策略，組織學(xué)生開展細(xì)胞增殖的模型建構(gòu)過程，引導(dǎo)學(xué)生親歷選擇、感受科學(xué)推理、分享建構(gòu)、評價、修正、應(yīng)用模型過程中的實(shí)踐體悟。通過不斷建構(gòu)、修正實(shí)物和數(shù)學(xué)模型后，學(xué)生能更加深刻地理解“細(xì)胞各部分結(jié)構(gòu)，既分工又合作，共同實(shí)現(xiàn)執(zhí)行細(xì)胞各項(xiàng)生命活動”這一次位概念，進(jìn)而支撐大概念的建構(gòu)。學(xué)生強(qiáng)化模型與建模、分析與推理等科學(xué)思維能力，同時提升合作探究、交流討論等科學(xué)探究能力。

然而，整個體驗(yàn)式教學(xué)課堂中最難把握的是問題分析、模型建構(gòu)和概念表征這三方面的深度體驗(yàn)過程。因?yàn)橐陨檄h(huán)節(jié)設(shè)計的未知數(shù)太多，如部分學(xué)生由于沒有掌握著絲粒這一概念，在以染色質(zhì)形式進(jìn)行 DNA 分配時，通過移動手指分段將染色體 DNA 移向細(xì)胞兩極；部分學(xué)生的學(xué)科交叉應(yīng)用能力較弱，錯誤地建構(gòu)運(yùn)動時染色體臂的朝向；部分學(xué)生的前概念與新概念的融合應(yīng)用能力較弱，未能全面地分析線粒體、細(xì)胞膜等結(jié)構(gòu)對模擬實(shí)驗(yàn)的影響。雖然以上內(nèi)容都可能成為學(xué)生體驗(yàn)失敗的原因，但也可以作為課堂生成的亮點(diǎn)。

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