构建“细胞分裂”概念学习进阶的思考与实践

刘伟华 李 霞

（1 北京景山学校 北京 100006 2 北京市东城区教师研修中心 北京 100009）

科学教育的目标是提升学生的科学素养［1］，中学生物学教学围绕重要概念展开，生物学概念是生物学课程内容的基本组成。《义务教育生物学课程标准（2011年版）》［2］在内容上突出生物学科的主题教育与重要概念的发展，内容体系与高中生物学课程标准的内容对应性增强。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》［3］的课程理念之一为“课程内容聚焦大概念”，生物学科核心素养包括“生命观念”，并提出学生应能在较好地理解生物学概念的基础上形成生命观念，强调了概念教学的重要作用。

对于初、高中生物学内容来说，有许多同一主题下的重要概念，例如在初中学习中有关细胞结构、代谢、分裂、分化等内容，在高中生物学学习中，也会在相应的模块中，从细胞的组成、结构、增殖、分化等角度对细胞内容作相关阐述。在初、高中教材中也有相应呈现，例如初中生物学中涉及的“细胞分裂”内容，在高二必修1 第6 章“细胞的增殖、分化、衰老与癌变”中也是非常重要的组成部分。初、高中学生的知识储备、生活认知及思维能力等各有差异，如何基于核心素养帮助不同阶段的学生构建生物学重要概念是一个重要的问题。采取学习进阶的方式将有效帮助学生构建重要概念。本文以“细胞分裂”内容为例，探讨在教学中如何围绕概念教学的学习进阶促进学生掌握概念。

1 关于学习进阶

“学习进阶”（learning progressions，LPs）这一名词最早出现于美国国家研究委员会（NRC）的报告中。2005年，美国国家研究委员会在承担“幼儿园至高中科学成就检测的设计”项目时提出：基于标准的科学评估体系，必须考虑学生的理解是如何发展的，以及各学段学生应分别获取哪些科学知识、能力和理解，即“发展的连贯性（developmentally coherent）”［4］。为便于清晰地研究与呈现学生科学素养发展的连贯性，该项目组首次提出并运用学习进阶这一概念：学习进阶是指学生在学习某一核心概念的过程中，所遵循的一系列逐渐复杂的思维路径。随后，众多研究机构和学者都相继对学习进阶展开研究并作出界定，其中我国生物科学教育领域学者刘晟博士与刘恩山教授将学习进阶界定为：学习进阶是对学生在各学段学习统一主题的概念时所遵循的连贯的、典型的学习路径的描述，一般呈现为围绕核心概念展开的一系列由简单到复杂、相互关联的概念序列［5］。

关注学习进阶，对于促进学生的认知及学习发展、培养学生科学素养具有重要意义［6］。2011年7月美国国家研究委员会颁布了《K-12 科学教育框架》（A framework for K-12 science education），其中引入了学习进阶的设计理念。目前，国内的众多科学教育研究工作者，陆续开展了围绕学习进阶展开的相关研究，进阶研究在描述学生认知发展过程上取得了阶段性的成果，并向着精细化发展。在学习进阶中融合知识学习与能力培养、学习进阶与教学实践的交互影响等，将是后续研究的核心议题。当前，怎样基于学习进阶开展教学设计、改善教学实践，是研究的核心议题［7］。

2 对“细胞分裂”内容的分析及学习进阶的构建

2.1 初、高中课程标准中“细胞分裂”相关内容描述 “细胞分裂”在《义务教育生物学课程标准（2011年版）》［2］中对应主题2“生物体的结构层次”中“细胞分裂、分化形成组织”这部分内容，课程标准要求教师帮助学生形成的重要概念为：“细胞能进行分裂和分化，以生成更多的不同种类的细胞用于生物体的生长、发育和生殖。”具体内容标准如表1所示。

表1 《义务教育生物学课程标准（2011年版）》中“细胞分裂”具体内容标准

“细胞分裂”在《普通高中生物学课程标准（2017年版》［3］中，对应于必修课程模块1“分子与细胞”中的概念2“细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖”中的“2.3.1-描述细胞通过不同的方式进行分裂，其中有丝分裂保证了遗传信息在亲代和子代细胞中的一致性。”这一重要概念，课程标准要求为帮助学生达成该概念，需开展的教学活动为：制作和观察根尖有丝分裂简易装片，或观察其永久装片。

由此分析，初中教学主要讲解细胞分裂的作用和结果，而高中不仅说明细胞分裂的作用和结果，还分析了细胞分裂的3 种方式，详细讲述了有丝分裂过程，明确在此过程中染色体的行为变化，遗传物质是如何实现平均分配的；引入细胞周期的概念，明确细胞分裂在细胞的增殖、生长、发育中更具体的作用，以及与细胞代谢的关系等。在初、高中教学中都需要构建重要概念“通过细胞分裂过程将复制的遗传物质平均分配到2 个子细胞中，保证遗传信息的稳定传递”。因此，高中对于细胞分裂重要概念的理解更加深入，更能体现细胞结构与功能、信息传递等生命观念，且在形成生命观念的过程中培养学生建模、归纳、推理、假说-实证等科学思维习惯。

2.2 “细胞分裂”内容学习者分析 初中7年级的学生刚接触生物学，具象思维占主导。学生在学习本节课之前，已学习了动、植物细胞的基本结构及功能，初步建立了“细胞是生命活动的基本单位”这一重要概念，能说出细胞核是细胞的控制中心，细胞核中具有遗传物质DNA 等相关知识，但生物学概念积累较少，对抽象的概念理解能力有限，以具象思维为主，同时充满好奇，喜欢动手实践。本节课的知识内容相对微观、抽象，仍处于具象思维阶段的初中学生对此理解有一定困难，需要通过直观观察和实例帮助其认识分裂现象和本质。

高一学生的抽象思维正在逐步形成，对抽象概念的认识、逻辑分析与归纳能力有所提高，更关注对事物本质的理解。学生在此之前，已明确了细胞作为最基本的生命系统，需要不断与环境进行物质、能量的交流，以维持系统的结构与功能的稳定。因此，其对细胞分裂内容是在初中认识的基础上，通过对有丝分裂过程的探究，深刻理解细胞准确分裂的重要意义。本节课涉及的染色体在细胞分裂过程中的形态及行为变化非常抽象，虽可制作临时装片观察相关时期的图像、观看有丝分裂过程的动态视频，但对于学生来说，从“结构和功能相适应”的角度出发，阐明细胞分裂过程中染色体形态及行为变化仍有一定困难，教学中需要精心设计教学过程，例如利用根尖细胞有丝分裂装片的制作进行观察推理，对染色体的行为变化规律进行模型构建与解释，进而说明结构与功能相适应的原理。

高三学生，从知识上已完成了高中各学段学习的内容，从认知角度及思维能力上比高一学生有一定程度的提高，能从生命的整体认识细胞分裂，包括有丝分裂、减数分裂等，也能综合分析问题、解决问题，不仅能理解细胞分裂中结构与功能相适应，还能从不同角度认识“细胞分裂”在生命延续和发展、生物遗传和变异中的重要作用，有利于理解生命的本质，以及遗传信息在有性生殖中的传递规律。因此，这一阶段学生对此部分内容的学习更多是应用细胞分裂、遗传变异等相关知识解决新情境下的实际问题。

2.3 “细胞分裂”内容不同水平学习进阶表现分析 自19世纪细胞学说建立时，施莱登、施旺提出“细胞通过分裂产生新细胞”，人们开始逐渐关注细胞的增殖过程，随着科学技术的进步，科学研究工作者在显微镜下观察到了细胞的分裂过程。1858年，魏尔肖总结得出“细胞通过分裂产生新细胞”。之后，德国细胞学家斯特拉斯伯格、弗莱明、拉布尔等，陆续对有丝分裂的过程进行描述并逐渐修正［8］。目前，对有丝分裂的过程及其细胞周期调控机制的研究已相对深入，学生学习该部分内容，对于认识生命体的成长、构建“结构与功能相适应”的重要概念、逐步培养科学思维、提升科学探究能力、养成健康的生活习惯，以及提升生物学核心素养具有重要意义。

“细胞分裂”这部分知识内容均安排在初、高中的起始年级，对于学生认识生命规律具有重要意义。本研究依据生物学课程标准，参考NGSS［9］中对细胞分裂初、高中阶段的教学目标，参考莫汉（Mohan）等构建的“生态系统中碳循环”这一主题的学习进阶［10］，结合不同年级学习者分析，描述与细胞分裂相关的学生表现。具体的学习进阶如表2所示。

表2 “细胞分裂”学习表现进阶表

2.4 “细胞分裂”内容重要概念的概念进阶图设计在构建“细胞增殖”学习进阶的基础上，依据《义务教育生物学课程标准（2011年版）》、《普通高中生物学课程标准（2017年版）》，并参考NGSS［9］中对细胞分裂初、高中阶段的重要概念设置，对构建初中和高中的概念进阶达成需要的下位概念及相关事实进行初步思考，并设计概念进阶图（图1）。

图1 细胞分裂概念进阶图

3 “细胞分裂”重要概念的学习进阶初、高中新授课教学策略分析

3.1 依据学习进阶分析整体设计初、高中教学的思路 根据上述分析及学习进阶在初、高中阶段学生应达成的学习表现进行设计思路的分析。

1）初中学段：教学设计力求从生活实际出发，学生结合亲自种植蚕豆、精心呵护蚕豆苗成长的生活经历，探讨蚕豆苗的生长历程，激发学习兴趣和求知欲。理解1 个细胞分裂后产生2 个细胞，并从遗传物质的角度理解新细胞与原细胞中遗传物质相同。通过实例观察，让学生认识到分裂过程中染色体的行为变化。教师在课前尝试以蚕豆、洋葱、金边吊兰、绿萝等学生常见的多种植物的根尖作为实验材料，制作有丝分裂临时装片。课堂中，利用实验显微图片、动态视频、模型等多种演示方式，引导学生进行小组讨论交流，逐渐总结、归纳并正确认识细胞分裂过程中染色体的变化。

2）高中学段：设置一系列逐步推进的学生活动，引导学生结合已有知识，使用相关材料推测细胞分裂过程中染色体数目变化、形态变化、行为变化；模拟过程中，教师在阶段性节点出示相关事实性证据，帮助学生完善模拟过程；最后通过真实的显微照片、细胞分裂动态视频等，引导学生进一步总结归纳，构建重要概念，从结构与功能相适应的角度阐明细胞分裂过程中染色体的形态及行为变化。

3.2 初、高中教学问题设计策略分析 在初中学段：基于学生学习特点和学习进阶分析，初中问题设计更多趋向于“是不是”或“是什么”的问题，而对于“为何”或“如何”等问题，从初中构建的重要概念水平及初中学生思维水平涉及并不多，例如：细胞能无限长大吗？细胞分裂结果如何？细胞分裂产生的2 个新细胞之间有什么关系？结合蚕豆、吊兰等细胞分裂图像，说出染色体变化的最关键特点是什么？从细胞层面考虑：蚕豆苗是如何长大的？

在高中学段：更重要的是从本质出发，认识有丝分裂过程，深入理解“有丝分裂能保证亲子代细胞遗传性状的稳定性”，因此，问题设置要在“是不是”或“是什么”的基础上，更多偏向于“为何”或“如何”等问题，例如：亲代和子代细胞之间为什么要保证染色体恒定？怎样保证染色体恒定？染色体需移动到细胞中央，再分配，这样做的意义是什么？是什么引导了染色体在细胞中有序地移动？为什么能够引导？哪些结构阻碍了染色体的变化？怎样解决？

3.3 具体教学方法

3.3.1 初中学段

1）采用项目学习教学法，充分注重学生主体地位。本节课是“陪伴蚕豆成长”项目的一部分，在学习本节课之前，学生已亲自种植蚕豆，观察了蚕豆的萌发及生长过程。上课时以蚕豆苗的生长作为切入点，通过大量的实验结果，引导学生对实验结果进行讨论交流，尝试作出科学猜想，在活动中发现问题，解决问题，不断构建与细胞分裂相关的重要概念。

2）注重实验探究过程中学生分析、推理能力的培养，充分体现新课标核心素养中的科学思维。本节课，教师从学生的生活实际经历出发，以洋葱、蚕豆、绿萝和金边吊兰等植物的根尖为实验材料，获得了不同植物根尖有丝分裂图像。课堂上，循序渐进地向学生呈现实验结果，逐步引导学生对实验结果进行分析、总结和归纳，进而推导细胞分裂的过程，并通过动态植物细胞分裂视频帮助学生加以论证。

3）通过体验活动，帮助学生将抽象问题形象化，进而突出重点、突破难点。在讲授染色体形态的过程中，通过体验活动，引导学生结合生活经验，猜想细胞分裂过程中染色体的形态变化。用毛线绳模拟染色体，让学生体验拆分2 根纠结在一起的毛线绳的过程，鼓励学生主动探索解决方案，进而引导学生猜想细胞分裂过程中染色体的形态变化。

3.3.2 高中学段

1）引导学生小组合作，模拟细胞分裂过程中染色体的数量及行为变化。细胞分裂过程中染色体的数量及行为变化是学习的难点，因此，选用生活中常见的食品包装金属扎丝为模拟材料，引导学生通过小组讨论和交流，设计模拟细胞分裂过程中染色体的数目及行为变化。

2）演示模拟，引导学生归纳细胞分裂过程中染色体的形态变化，深入理解实质。在该环节中，依据细胞与染色体的真实比例，用透明容器模拟细胞，毛线绳模拟染色体，请2 位学生对复制好的“染色体”进行拆分。拆分过程中凸显矛盾，激发学生对细胞分裂过程中染色体的形态变化作出假设，并出示科学数据进行反馈。

3）模型、显微图像、真实视频、模拟视频等多种演示方式相结合，多个角度引导学生构建概念。整节课对于重要概念的构建，设计了模型推演，蚕豆、吊兰、洋葱等多种植物细胞分裂显微实验图像、细胞分裂真实视频、模拟视频等多种演示方式相结合，突破不同难点。

本研究围绕细胞分裂相关重要概念的构建，探讨核心素养下生物学重要概念的学习进阶行动，设计与实施以一个重要概念为突破口，描述与细胞分裂相关的学习进阶表现，设计了概念进阶图，并针对初、高中学生的实际特点开展行动研究。本研究是对学习进阶行动研究的一次尝试，在后续研究过程中，上述模型还会不断被修饰，同时将以本次研究为经验，不断探索新的主题。