概念建构中科学思维培养的生物学实践研究——以细胞的增殖教学设计为例

吴佳雪 任玉燕 周亚平

（东华理工大学化学生物与材料科学学院 江西南昌 330013）

科学思维是生物学科核心素养的主要内容之一，也是学生树立生命观念、提升科学探究能力、形成社会责任的必要途径[1]。因此，在高中生物教学中发展学生的科学思维成了重要教学任务之一[2]。生物学概念是生物学大厦的基石，是教材内容的主要呈现形式，而概念的形成主要通过例证法和建构法[3]，其中，概念建构常通过分析与综合、模型与建模、比较与分类、抽象与概括等科学思维来实现[4]。为了在建构概念过程中提高学生的科学思维能力，本文以人教版高中生物必修一细胞的增殖（第一课时）为例，进行了尝试。

一、教材分析

细胞的增殖是人教版高中生物必修一分子与细胞中第六章第一节的内容。本节重点在于通过细胞增殖、细胞周期、有丝分裂等次要概念的学习，归纳出“细胞会经历生长和增殖的生命过程”这一重要概念，并为凝练出“细胞是生物体结构与生命活动的基本单位”的大概念打下基础。

本节概念的建构，可以运用大量的科学思维方法去实现，例如在“细胞大小与物质运输的关系”的实验中，通过引导学生明确模型建构的目的、学会选择和使用合理的模型表征方式以及能够利用模型解决生物学问题，从而训练学生模型与建模的科学思维。

二、学情分析

本节内容的教学对象是高中一年级学生，此阶段的学生已经学习过细胞通过分裂产生新细胞，但还没有深入了解到细胞的具体分裂过程。细胞分裂的过程属于微观知识，较为抽象，导致学生理解细胞周期和有丝分裂概念的难度有所增加。因此，本节内容的教学设计选择通过分析有丝分裂的科学史，帮助学生理解科学研究的思路与方法，引导学生分工合作建构有丝分裂过程的模型，通过展示有丝分裂显微结构和模式图修正模型、建构概念。

三、教学目标

1.通过模拟“细胞大小与物质运输的关系”的实验，说明生命活动与细胞增殖的关系，认同细胞增殖是生物体生长、发育、繁殖和遗传的基础的概念。

2.通过观察分析细胞有丝分裂的显微结构和模式图，归纳、概括细胞有丝分裂各时期的主要特征。

3.通过构建染色体的变化模型，进一步形成结构与功能观，阐明有丝分裂对保证亲子代细胞遗传物质一致性的重要意义。

4.通过学习有丝分裂的科学史，体会科学探究是一个继承发展的过程，了解科学家的伟大和科学探究道路的艰辛与漫长。

四、教学重难点

教学重点：有丝分裂各时期的特点。

教学难点：真核细胞有丝分裂过程中各个时期染色体行为和数目的变化，以及DNA数量的变化。

五、教学方法

探究法，讲述法，归纳法，实验法

六、教具

多媒体课件、毛根、卡纸

七、教学过程

1.导入问题，引出概念，启发科学思维

教师展示大象和小鼠图片并提出问题：象和鼠的个体大小相差悬殊，是由于细胞大小不同吗？多细胞生物体长大主要是由于细胞数量增长还是细胞体积增大？细胞不能无限长大的原因是什么？

教师采用多媒体模拟细胞大小与物质运输的关系的实验。由于细胞形状不规则，体积不易计算，所以引导学生利用三个不同边长的立方体作为3类不同大小细胞的模型，计算模型的相对表面积、核质比、物质扩散体积与总体积比。通过这个实验帮助学生认识到细胞不能无限长大是受细胞表面积和体积关系的限制以及细胞核所能控制范围的限制，然后引导学生解释细胞大小与物质运输效率的关系。教师提问学生细胞体积的最小限制，总结细胞体积的限制因素，引出细胞增殖的概念；举例说明生命活动与细胞增殖的关系，总结出细胞增殖是生物体生长、发育、繁殖、遗传的基础这一概念。

设计意图：教师通过问题导入引发学生思考后，利用物理模型帮助学生明确模型建构的目的、选择和使用合理的模型表征方式以及利用模型解决生物学问题，从而启发学生模型与建模的科学思维[5]。在学生理解了细胞不能无限长大的原因后，引导学生深入理解细胞体积大小的影响因素，引导学生辨证分析生命现象培养学生的批判性思维，最后形成这一次要概念。

2.分析科学史，形成概念，训练科学思维

教师展示资料1：波兰生物学家里麦克1841年发表了两篇论文，在论文中，他清楚且准确地记载了鸡幼胚有核血细胞分裂成为2个带核子细胞的全过程[6]。教师提问：细胞一分为二，细胞内的染色质是否也会均分？学生思考后，教师展示图片让学生对比洋葱根尖分生区新老细胞的染色质形态和数目。教师提问：亲代细胞有16条染色体，子细胞也有16条染色体，染色体是否能够直接一分为二？最后，教师讲明染色质需要先复制再均分，以此引出分裂间期（准备）和分裂期（分裂）的定义，并形成细胞周期的概念。

教师展示资料2：瑞士植物学家内格里被认为是看到染色体的第一人，他在1842年出版的著作中写道：百合和紫露草细胞核在分裂过程中被一群很微小、生存时间很短的微结构所替代[6]。教师说明微结构是染色体的复合结构，并提问：染色质在分裂期转变为染色体的原因是什么？学生思考回答后，教师用模型展示染色体与染色质的复合结构、阐明染色质转变为染色体的原因是伸展的染色质形态，有利于在它上面的DNA储存的信息的表达，而高度螺旋化了的棒状染色体则有利于细胞分裂中遗传物质的平分，并借助模型引导学生形成染色单体、着丝粒等结构的概念。

教师展示资料3：1849年，霍夫曼斯特精确地记载了紫露草等植物细胞的有丝分裂过程，其中包括分裂前期细胞核形态的变化、中期纺锤体和染色体的复合结构、后期染色体的重现、末期核膜的重新形成[6]。然后，教师展示洋葱根尖分生区组织细胞有丝分裂的真实图片，让学生观察比较细胞内各个时期染色体、纺锤体、核膜和核仁的特征。紧接着，教师引导学生展开探究活动：以体细胞内含有8条染色体的果蝇为例，用桌子上的毛根代表染色体结构，卡纸代表细胞，用水笔画出核膜、纺锤体等结构。再将学生分组，引导他们合作完成模拟有丝分裂过程的活动，之后，各小组分享成果并讨论，讨论后明确纺锤丝在染色体平分过程中的作用，最后自行修正有丝分裂过程的模型。模型建构完成后，教师展示有丝分裂的显微结构和模式图，由学生归纳各个时期染色体、纺锤体、核膜和核仁的特征，教师与学生一同完善并确定一条染色体变化的模型。

最后，通过染色体间期与末期形态的对比，引导学生发现有丝分裂的意义，即细胞中的各种物质变化都是为了将亲代细胞的染色体经复制后精确地平分到两个白细胞中，从而保持亲代细胞和子代细胞之间遗传的稳定性。教师总结并引导学生形成有丝分裂这一次要概念，即有丝分裂的定义、过程、特征与意义。

设计意图：教师引导学生运用已有知识和经验对生物科学史资料进行分析和讨论，引导学生建立起个人对概念的认识和理解，最终形成细胞周期、染色单体、着丝粒、有丝分裂等次要概念[7]。在分析的过程中，既培养了学生的科学探究能力，又训练了学生模型与建模、对比与分析、推理与演绎的科学思维。学生通过学习有丝分裂的科学史，也可以发展学生的社会责任感，了解科学家的伟大和科学探究道路的艰辛与漫长。

3.建构思维导图，强化概念，养成科学思维

教师以问题为导向与学生一起绘制细胞增殖相关知识的思维导图。教师提出以下问题：细胞生长的限制因素是什么？细胞生长与细胞增殖有怎样的关系？细胞增殖的概念与意义是什么？细胞增殖的方式是什么？细胞周期的概念和可连续分裂的原因是什么？有丝分裂的过程和意义是什么？然后教师以细胞生长、细胞增殖概念、细胞增殖意义和细胞增殖方式四方面内容为导向，根据学生对以上问题的回答，同步绘制思维导图。在此过程中，可以将本节课所有的概念进行联结和归纳，以此帮助学生建构细胞增殖的知识框架，加强学生对次要概念的理解。最后，教师引导学生形成本节内容的重要概念：细胞会经历生长和增殖的生命过程。

设计意图：教师采用设计问题支架和绘制思维导图两种方法，帮助学生对概念进行加工、记忆和储存；在此过程中既可以加强学生对次要概念的理解，引导学生对重要概念进行概括，还可以培养学生的逻辑思维和发散思维。