基于理性思维培养的有丝分裂实验设计

李 佳

(首都师范大学生命科学学院 北京 100048)

郭琪琦

(广东省深圳市第二实验学校 518021)

1 问题的提出

“观察根尖分生组织细胞的有丝分裂”是人教版高中生物学教材必修1《分子与细胞》的实验，实验的目的是通过对细胞分裂图像的观察，识别有丝分裂的不同时期，并比较细胞周期在不同时期的时间长短。然而，由于该实验操作过程比较复杂，解离、漂洗等操作的处理时长不易掌控，学生实验的结果往往并不理想，难以在视野中找到处于各个时期的清晰的细胞图像，进而影响对细胞周期的深入研究。而且，学生在之前的“观察DNA和RNA在细胞中的分布”“用高倍镜观察叶绿体和线粒体”、“质壁分离及复原的观察”等实验中，已经掌握了制作临时装片的基本方法，并做过两次染色实验，再在“观察根尖分生组织细胞的有丝分裂”实验中制作临时装片，属于同一实验操作技能的重复，既不利于学生的多种核心素养的培养，也容易导致学生对实验失去兴趣。

美国《新一代科学教育标准》将“建立和使用模型”“分析和解释数据”列入能够促进学生理解学科核心概念的核心科学实践活动[1]。我国2017年颁布的“普通高中生物学课程标准”将培养学生的理性思维作为生物学科的核心素养之一，其中运用图示或模型等方式表达阐明生物学规律属于较高水平的理性思维。因此，培养学生包括数学方法和模型方法的理性思维就显得尤为重要[2]。在“观察根尖分生组织细胞的有丝分裂”实验中通过建立和使用模型去识别观察到的细胞图像，通过估测细胞周期的持续时间来训练学生分析和解释数据的能力，更能够发挥该实验在培养学生理性思维方面的功能。

基于此，本文借鉴美国主流生物学实验教材[3]，用根尖细胞有丝分裂固定装片替代学生的自制装片，以培养学生理性思维为目的，对人教版有丝分裂实验进行优化设计。

2 有丝分裂实验设计

本实验分为两部分：实验一建立数学模型有丝分裂树，让学生利用有丝分裂树对有丝分裂过程进行识别和分析，数学模型的运用可以将感性的经验转化为理性的分析；实验二估测细胞周期的持续时间，在人教版实验的基础上，对实验数据的收集和处理进行了细化和深化，以提高学生收集和处理数据的能力。

2.1 实验一：识别有丝分裂的各个时期 用图1中的有丝分裂树去识别图2中细胞周期的不同分裂时期。

图1 有丝分裂树

图2 识别细胞周期的不同分裂时期

2.2 实验二：估测细胞周期的持续时间 观察细胞有丝分裂固定装片，从装片中可以观察到很多细胞正处于某一分裂时期，也可以观察到处于有丝分裂各个时期的细胞数目。用以上数据可以估测细胞周期中各时期的相对持续时间。

(1) 学生独立进行实验。每个人使用的材料有：一个洋葱根尖细胞有丝分裂固定装片和一台复式显微镜。用高倍镜观察装片。将视野对准洋葱根尖部分，洋葱根尖中会有许多细胞正在进行有丝分裂。老师帮助学生学会如何确定装片的最佳视野。

(2) 利用洋葱根尖细胞有丝分裂的各个时期的装片，计算视野中处于不同分裂时期的细胞数目。将结果记录在表1。

(3) 对步骤(2)进行两次重复实验(这样会得到3个不同视野中洋葱细胞的总数目)，将2次实验的结果都记录在表1。

(4) 计算每个视野中的细胞总数，并将结果记录在表1。

(5) 计算细胞周期各时期细胞数目占的百分比。①计算5个阶段细胞数目之和。细胞总数=间期+前期+中期+后期+末期；细胞总数=________。②分裂间期的细胞数目除以第一步计算得到细胞总数，然后乘以100。(间期细胞数/细胞总数)×100 =________%。③用第二步的方法计算剩余四个阶段的细胞数目占细胞总数的百分比。将结果记录在表1。

(6) 用表1的数据回答下列有关各个细胞分裂时期的时间长短的问题。你认为哪个时期最长？你认为哪个时期最短？你认为哪些阶段的时长大致相同？如果有的话，将这些时期列出。

表1 细胞周期观察结果

(7) 表2中有洋葱细胞周期各个分裂时期时长的实验数据，你的计算结果和这些数据是否相符？回答并解释。

表2 洋葱细胞周期中各分裂时期时长的实验结果

3 实验分析

3.1 实验注重培养学生建立和使用模型解决问题的能力 实验一利用数学决策树对有丝分裂的过程和知识进行梳理，建立了有丝分裂树模型，将感性的经验和现象转化为理性的分析。学生在使用模型识别有丝分裂时期的过程中，建模解决问题的意识会渗透到学生的头脑中，有助于学生学习如何建立模型解释生物学现象，拓宽学生解决问题的思路，提高学生的理性思维。

另外，有丝分裂不同阶段的识别历来是高考重点之一。学生对该部分内容的学习多为对文字描述内容的识记。格式塔心理学早已证明学习中掌握关系的重要性，意义识记要比机械识记效果好得多[4]。实验一利用有丝分裂树识别有丝分裂的不同时期，使有丝分裂的过程非常清晰，一目了然。显然，相较于堆积的文字，有丝分裂树更有利于学生快速准确地提取信息，便于学生理解和记忆。

3.2 实验注重培养学生收集、处理和解释数据的能力 实验二估测细胞周期的持续时间将重点放在培养学生收集、处理和解释数据的能力，旨在加强学生理性思维的培养。因此，实验二对人教版实验做出了以下改进：①人教版实验观察的样本数为两组，本实验让学生观察3个显微镜视野中的处于不同分裂时期的细胞个数，这符合生物科学研究中至少做3组重复实验的原则，可以减小误差，使实验数据更加准确。②人教版实验仅要求学生回答处于哪个分裂时期的细胞最多，而本实验则让学生对数据有了更全面的分析，找出了持续时间最长和最短的时期，并比较了持续时间相近的时期。③本实验给出了经反复验证过的洋葱细胞周期中各分裂时期时长的实验数据，让学生用自己的数据和该数据进行比较，分析自己获取数据成败的原因。加深了学生对数据获取过程的思考和解释。

3.3 实验步骤详细，可操作性更强 人教版实验也让学生估测细胞周期的持续时间，但是教材内容过于简洁，没有引导学生全面地获取数据，以及深入地分析解释数据。因此，本实验设计对步骤进行了细化，逐步引导学生收集和分析数据，使之对学生更有指导意义，正确而必要的指导可以增加学生的实验成功率，提升学生的成就感和学习兴趣。

综上所述，本文设计的有丝分裂实验将实验教学的重点转移到了培养学生的理性思维上。在高中生物学实验教学中，让学生建立和使用模型，分析和解释数据，体现了生物学科的科学性，符合高中生的心理特征和认知水平，能够培养学生的理性思维。且实验设计增强了可操作性，有助于培养学生的实验兴趣。