基于科学思维的“染色体变异”教学设计

彭菲菲

(江苏省溧阳中学 溧阳 213300)

1 教材分析

高中生物学必修2《遗传与进化》教材中，“染色体变异”既是前面所学细胞分裂、遗传规律、DNA的结构与功能、基因概念和功能等知识的延续，也与基因突变和基因重组一起形成较为直观而完整的知识体系，有助于学生对“遗传和变异”的整体理解，也为之后学习生物育种、生物多样性以及生物进化等知识奠定基础。

本节内容的教学重点是染色体数目变异，难点是染色体组、二倍体、多倍体、单倍体的概念及其联系，其中“染色体组”是本节课的核心概念，是学习其他概念的基础和关键。理解了染色体组含义，才能正确理解依据染色体数目变异这一原理衍生出的单倍体育种技术和多倍体育种技术。

在这节内容的教学过程中，设计了一系列的探究活动，让学生在学习过程中逐步发展科学思维，探讨、阐释生命现象及其规律。

2 教学目标

基于课程标准的内容要求、学业要求及学业质量标准，并围绕培养学生核心素养的要求制订了如下教学目标：

(1) 通过一系列探究活动，概述染色体组、二倍体、多倍体、单倍体的概念及其相互关系，说出多倍体育种和单倍体育种的原理及应用。

(2) 通过模型建构生成染色体组的概念，培养理性思维能力；通过概念转换的学习，培养思维迁移能力；通过科学探究实验，培养合作交流能力；通过衔接“STS”，培养应用知识解决实际问题能力。

(3) 通过思维的发展和内化，认同生命的多样性与复杂性，激发对生命现象的探究意识；形成关注健康、关爱生命的社会责任感。

3 教学过程

3.1 创设问题情境，激发思维 展示一组无籽西瓜与普通西瓜的图片，提问： 这两种西瓜有什么不同？为什么有的西瓜天生就没有种子？教师引导学生观察这两种西瓜的染色体组成，为什么会有这样的变化呢？通过本节课“染色体变异”的学习我们就能洞悉其中的奥秘。

设计意图： 联系学生的实际生活，创设生活化的情境，激发学生的思维兴趣，引发学生质疑、思考、提问，活跃课堂氛围。

3.2 建构概念模型，发展思维 过渡： 在某些因素影响下，减数分裂会出现异常。例如，1932年美国科学家布里吉斯用X射线照射雌果蝇，得到了一些异常的卵细胞。小组活动模拟构建雌果蝇分别在以下三种情况下产生的卵细胞染色体组成模型： ①正常减数分裂；②同源染色体全部不分离；③Ⅳ号同源染色体不分离。

小组合作构建、展示模型，并由学生自评、互评、修改、完善模型(图1)。

图1 卵细胞染色体组成模型

设计意图： 学生在动手构建模型的过程中获得感性体验，真正参与到减数分裂产生卵细胞的过程中；学生在合作与交流中思维相互碰撞，使学生在获得感性材料的真切体验中，理解整个动态过程，发展学生的科学思维。

3.3 通过问题讨论，生成概念 观察正常卵细胞染色体组成模型，小组思考讨论以下问题： ①正常卵细胞中有哪几条染色体？这些染色体在形态、大小和功能上有什么特点？它们之间有什么关系？②生物性状由什么控制？卵细胞缺少一条染色体，能否正常控制生物性状？为什么？③若卵细胞中的染色体称为一个染色体组，那么雌果蝇体细胞中有几个染色体组？④现在你能否构建染色体组的概念？尝试分析我们构建的另外三种异常卵细胞中的染色体是否构成一个染色体组？为什么？

设计意图： 设置环环相扣的问题链，学生互相讨论，教师适当启发、点拨，引导学生提炼出核心成分，主动生成“染色体组”的概念，并通过分析异常卵细胞染色体组成加深对概念内涵的理解，培养学生观察与思考、归纳与概括的能力。

3.4 再构建概念模型，提升思维 这些卵细胞正常受精后形成的受精卵染色体组成有什么特点呢？再次构建这四种果蝇卵细胞与含X染色体的正常精子形成的受精卵中染色体组成模型。(图2)

图2 受精卵染色体组成模型

观察正常受精卵模型，其发育成的个体有几个染色体组？由此，生成二倍体的概念。再观察同源染色体全部不分离产生的卵细胞受精后，形成的个体中有几个染色体组，是几倍体？根据二倍体概念中的核心词，你能否类比推理出三倍体、多倍体的概念？

设计意图： 按照建构主义学习理论进行概念转换教学，在染色体组这个核心概念的基础上，让学生类比推理出新概念，提升思维迁移能力。

3.5 通过科学探究，活跃思维 展示图片材料： 世界著名高原——帕米尔高原，多倍体植物种类的比例高达65%。为什么此地有那么多的多倍体植物？他们是怎么形成的？

学生讨论分析、作出假设： 可能低温诱导染色体数目加倍。如何设计实验，验证假设？请小组合作、简要叙述实验步骤，并预测可能的实验结果。

视频展示学生实验的过程、结果(图3)，由此得出结论： 低温能诱导染色体数目加倍。

此时，教师进一步抛出探究问题： 低温诱导染色体加倍的原理是什么？还有什么方法吗？

设计意图： 以情境材料激发学生的探究欲望，在设计探究实验的过程中使学生思维高度活跃，掌握科学探究的思路和方法，形成合作精神和科学态度。

图3 低温诱导染色体加倍的实验结果

3.6 通过猜测推理，思维碰撞 展示图片： 普通玉米和“另类”玉米(植株弱小，高度不育)。“另类”玉米是怎么形成的？可能原因有哪些？(教师鼓励学生大胆猜测，并给予高度赞赏)现对玉米进行细胞学鉴定(展示这两种玉米体细胞的染色体组成图)，你发现什么了？(“另类”玉米染色体只有体细胞的一半。)你能推测出“另类”玉米可能是由什么发育而来的吗？

果真如此吗？教师展示玉米子房受精和未受精情况下发育的示意图，师生推测： 由受精卵发育得到的玉米是二倍体，而由配子发育成的玉米是单倍体。那么到底什么是单倍体？你能抓住核心词，尝试给它下个定义吗？

观察Ⅳ号同源染色体不分离形成的两种卵细胞受精后形成的个体细胞中染色体组成，与正常果蝇相比，有什么特点？生成单体和三体的概念。

人体中会发生这种染色体数目变异的情况吗？如果会，你猜测可能会产生什么后果？图片展示21三体综合征和性腺发育不良患者及其染色体组成，推测出染色体数目变异的另一种类型： 个别染色体数目增减。

教师总结： 个别染色体的增加或减少，打破了染色体组中遗传物质的平衡，往往对生物性状是不利的，呼吁学生对弱势群体给予应有的尊重和尽可能的帮助。

设计意图： 教师鼓励学生质疑、猜测，欣赏学生个性化的理解和表达，与学生平等交流、思维碰撞，而不能把知识以定论的形式直接传授给学生，这将不利于学生思维的磨练、智慧的提升和科学态度的形成。同时，让学生树立从个体到细胞、从宏观到微观的科学研究方法，实现由感性认识到理性认识的飞跃。

3.7 通过概念应用，内化思维 有了这些知识的铺垫，是时候解开谜底了。为什么无籽西瓜没有种子？再次展示无籽西瓜与普通西瓜的染色体组成。

思维拓展： 无籽西瓜品质好、能为农户带来更好的经济效益，你能帮助农户利用二倍体西瓜培育三倍体西瓜吗？怎么培育？请分步设计育种方案。多倍体优势显著，而单倍体只有一个染色体组，高度不育，是不是一无是处呢？

教师强调： 单倍体本身直接被利用的价值不大，但在育种上却有特殊的意义。现有基因型为Aa的玉米，如何快速获得基因型为AA的玉米？

总结： 多倍体育种和单倍体育种在生产上满足了人们的不同需求，创造了很多的作物新品种，为解决全球粮食问题做出了卓越贡献。

设计意图： 通过对多倍体和单倍体各自特点、成因、应用的学习，让学生建立起科学的思维框架，内化思维，形成“STS”学习思路，同时激发学生关注社会和技术的情感及学以致用的意识。

3.8 构建思维导图，总结概念 根据染色体组这一核心概念，完成染色体数目变异的概念图(图4)。

图4 染色体数目变异的概念图

教师留白： 今天我们学习的染色体数目变异仅属于染色体变异中的一种类型，染色体还有什么变异类型吗？我们下节课学习。

设计意图： 本节课涉及的概念多且关系复杂，利用概念图有利于学生梳理本节课的内容，同时又将变异在教材中的地位进行总结升华，有利于学生整体上构建知识网络，形成思维导图。

最后的留白，让学生意犹未尽，激发下节课继续学习的兴趣。

4 教学反思

本节内容的教学中，将原本由教师讲解的概念知识转变为学生的模拟活动，充分发挥学生的主体性。通过构建卵细胞中染色体组成模型，结合设问讨论，生成染色体组的概念，使学生真正体验、感悟概念的内涵；运用建构主义学习理论进行概念的转换，生成单倍体、二倍体、多倍体等新概念，培养学生知识生成、思维迁移能力；适当调整教材内容的呈现顺序，即先生成概念，后学习概念的应用，有利于衔接“STS”教育，将染色体变异、育种与人体健康相联系，加强理论与实际生活的联系，培养学生应用知识解决实际问题的能力，激发学生热爱生活和自然、关爱健康和生命的情感和社会责任感，发展生物学核心素养。