基于认知原理的高中生物“减数分裂”教学研究

慕晓茹

（大连教育学院 高中教师教育中心，辽宁 大连116021）

在高中生物教学中，“减数分裂”由于是微观、动态、连续变化的过程，给准确认知带来困难而成为教学的难点。[1]染色体行为变化的认知过程中伴随着诸多新概念术语的学习，这些术语又需要即学即用，这些新术语的数量达到了工作记忆容量的上限，对多数学生而言构成了较重的认知负荷，这也是构成认知难点的原因之一。如何进行教学设计与实施才能有效突破和化解学生认知难点？长期的教学实践表明，主要基于教材内容的知识解析并没有获得理想的教学问题解决，我们基于认知原理寻求突破并获得了“教的轻松、学的满意”的教学路径。

一、基于认知原理的“减数分裂”教学问题

认知有广义与狭义之分，广义的认知与认识是同一概念，是人脑反映客观事物的特性与联系，揭露事物对人的意义与作用的心理活动。[2]现代认知心理学认为，认知作为复杂心理系统中的子系统，具有结构、过程和功能三个维度[3]，这对我们的教学研究有启示与指导作用。针对人教版普通高中课程标准实验教材（教科书）高中生物必修2第2章第1节的“减数分裂”[4]的教学，从认知结构、过程和功能三个维度提出如下教学问题。

1.认知结构性问题

认知的结构意义在于，认知以个人已有的知识结构来接纳新知识，新知识为旧知识结构所吸收，旧知识结构又从中得到改造与发展。原有认知结构与新结构的关系、是否易于区分及原有知识掌握的如何则构成了认知结构变量。

从认知结构方面来看，学生对减数分裂是否已有认知以及认知水平如何？学生的已有相关知识经验作为认知结构变量的可利用性、分辨性与稳固性如何？

2.认知过程性问题

认知过程兼具阶段和处理两方面含义。从简单到复杂、从感性到理性、从现象到本质、从易到难、从已知到未知等等，这是认识发展的过程阶段；认识的建构方式及相应的环境条件与应用活动等则体现了认知的处理过程。

同时，依据认知建构理论，要想让学习者的认知得到发展，认知建构过程需要经历这样的环节：已有认识激活，足够的信息资源或体验活动，运用所获得的认识于实践活动，总结反思自我的认知发展。

从认知过程阶段方面来看，学生对减数分裂是否有感性认识？达到什么水平？减数分裂是微观、动态、连续变化的过程，细胞形态变化与染色体行为变化又错综相伴。那么，人类是如何从宏观到微观、从现象到本质来认识减数分裂过程的？对课堂上减数分裂的认知建构过程有何教学意义？

从认知过程处理方面来看，学生学习减数分裂的更好的认知建构方式是什么？什么样的活动及序列安排更有利于促进学生认识与理解染色体行为的动态连续变化？人类是以怎样的方式来建构有丝分裂与减数分裂知识的？对课堂上减数分裂的认知建构过程有何教学意义？

从认知建构过程环节来看，老师需要做到的是：明确和激发学生的已有认知，并确定认知发展点；为学生的认知发展提供足够的现象或体验；为学生设计运用知识的具体实践活动，以帮助学生获得稳定的认知行为；引领学生反思总结，并设计评价检测以对学习结果给予反馈。同时，良好的认知建构活动，还应该具备认知建构的情境、途径方法和必要且合理的认知序列（逻辑思路）。我们如何来设计落实认知建构过程环节，如何设计情境、途径方法及认知序列？学生在初中生物内容学习中对染色体图是否有或应该有学习经验？如何基于学生已有知识经验设计认知发展点？

教师用书[1]中建议教师介绍减数分裂发现简史，以激发学生的学习兴趣；关于魏斯曼的预言，教师用书中又指出应向学生讲清楚预言是在对大量事实进行观察、分析的基础上凭借敏锐的洞察力所做的大胆推测，是在事实与经验基础上的真知灼见。那么，教师如何“讲”清楚？如何让学生能体验到是在事实与经验基础上的大胆预见？教材中关于减数分裂发现史的文本信息可以构成这种体验吗？早期发现减数分裂现象的观察对象并不是果蝇染色体，问题探讨栏目设计的猜测过程可以构成这种体验吗？

教师用书中建议将教材第2小节的模型建构活动前移，意图是让学生从有丝分裂染色体行为变化模型进一步猜想减数分裂的中间过程。那么，模型建构活动在减数分裂及受精作用学习过程中的教学价值是什么？

如何降低减数分裂染色体行为变化认知过程处理中的认知负荷？染色体行为认知过程中先后伴随着精原细胞、同源染色体、联会、四分体、交叉互换、初级精母细胞、次级精母细胞等新术语的学习，还有染色质因形态变化的染色质与染色体术语的转换、因行为变化的染色体与姐妹染色单体的术语转换等，还有派生的非同源染色体、非姐妹染色单体等，这让多数学生感觉认知负荷超载。那么，教学中如何分散或降低学生的认知负荷？对同源染色体的理解水平影响进一步的染色体行为学习，其教学任务相对独立且需时较长，能否将同源染色体学习内容从减数分裂过程中分离出来提前学习？怎样的认知序列是更符合学生的认知逻辑的，是更有效或高效的？

3.认知功能性问题

科学知识具有认知功能，认知的功能意义在于，一定的科学知识可以丰富与促进相应或其它认知对象的认知发展。

从认知功能意义方面来看，已有知识经验对减数分裂（高中阶段）学习的认知发展价值是什么？在减数分裂学习中如何运用？减数分裂对后续学习的其它认知对象的认知发展价值是什么？在减数分裂学习中如何体现？

二、问题解决及教学设计与实施

1.寻求问题解答

在相关教学问题提出及追问过程中，我们意识到了解科学史、阅读初中生物课标与教材的必要。

初中生物课标与教材第二单元第二章第二节内容[5]基本回答了认知结构性问题和认知过程阶段问题。在了解学生初中阶段生物学习的相关知识经验的过程中，对高中生物减数分裂内容的理想学习起点有了如下的准确认识：学生对减数分裂已建立了一些观念认识，即科学家在显微镜下观察并证实精子或卵细胞的染色体数目确实减少了一半，且不是任意的一半，是每对中的一条染色体进入了精子或卵细胞；学生初中知识经验与高中内容构成认知结构的上位类属关系、感性到理性和现象到本质的认识阶段递进关系，学生初中的知识经验具有观念固着的先行组织者认知功能；学生知道人体细胞染色体图谱，对“同源”与“成对”已建立模糊的先前观念，已了解减数分裂的结果，等等。这些相关学情促进我们思考并审视以往的教学，激活学生已有知识经验，让学生能在恰当的理想起点开始学习，这是解决减数分裂认知难点的策略选择。

科学史则解答了认知过程处理问题。我们清楚了减数分裂的科学发现过程，减数分裂详细过程的阐明更多地是基于实验观察和基于事实的想像，科学知识的建构方式给学习方式设计以重要启示。显化事实与经验才能让学生感知到减数分裂知识建构过程中的敏锐洞察与大胆预见，魏斯曼的特殊研究经历、显微图像辨识困难及近40年探索研究等科学史的关键细节可以增进学生对科学本质的理解。学生以探究方式进行学习应是教学设计研究的重点，“减数分裂过程染色体行为变化”可以给出实验事实让学生自主观察研究，减数分裂的概念也可以后置由学生尝试概括。

有丝分裂的学习对减数分裂学习具有图式与心理模型意义，初中相关知识经验的回顾再现可以给学生更上位的知识结构，让学生以“一览众山小”的心理状态进行学习，学习任务明确、学习目标清晰。模型建构活动并不是减数分裂科学知识的建构方式，其教学价值在于：一是让学生有机会运用获得的知识于具体实践活动，促进学生认识与理解染色体的动态连续行为变化；二是让学生体会其中的分离与自由组合行为、认识与理解配子染色体组合的多样性，理解变异的细胞学本质，体现了认知的认知功能（认识其他认知对象）。

2.教学设计与实施

在回答所提出的教学问题的同时，我们也同步进行人教版必修2第2章第1节“减数分裂与受精作用”的“减数分裂”内容的教学设计研究与实施探索。教师用书建议“减数分裂与受精作用”内容分配2课时，我们所设计的具体教学内容呈现序列及课时分配是：第1课时：同源染色体、减数分裂过程（染色体行为变化）、减数分裂概念、精子形成的完整过程；第2课时：卵子的形成过程、观察蝗虫精母细胞减数分裂固定装片。下面是第1课时的教学过程设计与实施说明。

（1）在初高中内容衔接中有效导入与前置“同源染色体”教学

通过初中教材图片、相关页面的呈现，在激活初中知识经验的过程中，在完成初、高中内容衔接过程中，设计先行组织者（见图1），实现由上位到下位、由感性到理性、由已知到未知的认知过程引导。由于学生遗忘率较高，即作为固着的知识经验的“稳固性”比较差，需要老师帮助回顾甚至补习，这涉及初、高中衔接教学的微观策略方法。

在章导入中，通过初中教材中人体细胞染色体图谱激活学生关于染色体成对存在的观念；在节导入中，弃用教材果蝇染色体图，由再现初中教材中的“图VII－11生殖过程中染色体的变化”填图练习而顺势完成了“同源染色体”概念的学习，这解决了长期困绕教学的“同源染色体”学习冲淡重点（减数分裂过程）进而导致的教学逻辑或层次感降低的教学问题，同时也分散了染色体行为变化学习中的认知负荷。

导入教学结束时，在大屏幕上（或板书）完成了本节学习内容的知识框架图如图1，这是由初中教材中的填图练习图演化而成的。

图1 “减数分裂与受精作用”教学的先行组织者

（2）感知科学知识建构过程并以探究方式学习减数分裂过程

有丝分裂过程发现不久，研究者又观察证实了魏斯曼所做的“染色体减半分裂”过程的预言，经历大量的实验观察，并随着显微技术的进步，直到1930年才在细胞学家与遗传学家的共同努力下探明了减数分裂的全部过程。

基于这样的科学史实，我们力图能显化由感性到理性、由现象到本质的认识飞跃过程。我们设计先引领学生回顾有丝分裂内容，再让学生以观察研究者的角色发现（学习）“减数分裂过程染色体行为变化”，之后让学生抽象概括减数分裂的概念。

当然我们只能设定一些模拟场景以引起学生的内心体验，比如魏斯曼因眼疾转而理论研究的史实交待，早期大量的实验与观察，显微视野图像与电镜下图像、显微镜下视野图像与模式图的先后呈现与转换，早期显微镜下的视野图像辨认困难等，如此观察与事实基础，科学知识建构的真实过程就得以显化，体验才可以产生。真实图像与模式图的切换也为“观察蝗虫精母细胞减数分裂固定装片”实验建立了认知基础。

在章、节导入有所交待的基础上，观察研究活动的逻辑切入点实际已经建立，这部分教学是从显微镜下真实视野呈现转换到模式图，如此就在真实与模仿之间建立了内在联系，接下来的学生观察探究活动就好比科学家在显微镜下观察研究一样。学生虽然没有亲历实验与观察，观察研究的也不是真实的显微镜视野下的图像，但同样要运用如科学家一样的观察研究方法，如科学家一样求索与思考，体验并经历着如科学家一样的发现环节、一样的想像猜测与抽象概括等思维活动、一样的建构“减数分裂”知识的过程。

需要说明的是，减数分裂过程染色体行为变化的探究性学习，需要对教材内容做必要的处理：将教材图2－2中的文字去掉，将四对染色体改为两对染色体，减数分裂概念（教材黑体字）后置并由学生尝试抽象概括。将文字去掉，就使知识的意义只是隐含在图像中，需要学生经历着事实的观察发现、各概念术语的尝试发明过程，需要学生自己去提取、去抽象概括，如果不做这样的处理，发现与探究就无从发生。在这样的探究学习过程中，诸多概念术语不再如横空出世般强制学生认识，认知负荷有效弱化；四对八条染色体改成两对四条染色体，染色体数目及行为变化更简洁清晰，便于学生观察并更有效地提取信息意义，且提高了课堂中发现与探究的效率，当然这种简洁化处理也与导入结束时的先行组织者图是匹配一致的。

（3）以精子形成为例学习配子形成的完整过程

回到导入结束时的图，由此在知识整体框架了然中导入配子形成过程学习。在这段教学中，学生将有机会以精子为例说明配子的形成过程、阐明细胞的减数分裂过程，学习行为恰与课程标准的内容标准相匹配。

这里需要说明的是，卵细胞的形成过程设计为课后作业，并在第2课时中让学生以卵子为例说明配子的形成过程，如此设计主要基于两点考虑：一是给学生机会再次表现与内容标准匹配的学习行为；二是替代了“观察蝗虫精母细胞减数分裂固定装片”实验的相关知识依据的回顾环节，教学系统因而得以优化。

（4）重温认知建构过程并以概述配子形成过程作总结

在这个环节中，要显化学生的认知建构过程，概述并不是简单的知识是什么水平的概述，而是在认知建构过程的重温中概述，这其中必然有认知发展过程的反思或元认知。

（5）建构减数分裂染色体行为变化的模型以评价学习效果

教师用自制学具设计模型建构学习活动：用彩色扭扭棒（或用塑浸金属线）代替橡皮泥，长短两组，两种颜色分别代表两套染色体，另有同色纸圈（扭扭棒可恰好穿过）做交叉互换模拟（金属线则直接剪连接），金属线緾绕固定做着丝点。与橡皮泥比较，扭扭棒（或塑浸金属线）更易于成形，并方便交流展示。

安排学生分小组建立减数分裂染色体行为变化的模型，意图是：一是针对本节重难点（染色体行为变化）给学生提供运用所获认知的实践应用活动，同时也是学生学习效果的自我评价活动；二是引导学生体会同源染色体分离与非同源染色体自由组合，体会配子染色体组合的多样性，即还可以体现减数分裂知识对遗传规律本质理解与受精作用配子染色体组合多样性及意义的认知发展价值。我们基于认知原理进行深入系统的教学研究所设计与实施的减数分裂教学，解决了长期困扰教学的“同源染色体”教学序列位置问题，且有效分散了染色体行为变化学习中的认知负荷；本课例中2课时内容分配及序列安排、模型建构活动的认知与学习评价功能合一设计等，则使教学系统得以优化；通过真实图像与模式图的切换建立探究的场景，简约再现减数分裂知识的建构方式与过程，让学生以探究性学习方式学习，并像科学家一样自主发现及建构减数分裂染色体行为的知识，彻底改变了学习方式，有效落实了新课程倡导探究性学习的课程理念，当然教学效果也得以最大化。

[1]人民教育出版社，课程教材研究所，生物课程教材研究开发中心.普通普通高中课程标准实验教科书·生物2遗传与进化（必修）教师教学用书：2版[M].北京：人民教育出版社，2010：43－47.

[2]朱智贤.心理学大辞典[M].北京：北京师范大学出版社，1959：536.

[3]邢强.认知发展研究的新趋势与贡献[J].湖南师范大学教育科学学报，2003（1）：73－75.

[4]人民教育出版社，课程教材研究所，生物课程教材研究开发中心.普通普通高中课程标准实验教科书·生物2（必修）遗传与进化.第2版[M].北京：人民教育出版社，2010：15－21.

[5]课程教材研究所生物课程教材研究开发中心.义务教育课程标准实验教科书·生物学·八年级下册[M].北京：人民教育出版社，2008：28－31.