用论证的方式深度理解减数分裂的意义

周茜

摘要 随着课改的深入，将科学研究领域的论证方式引入课堂，有助于发展学生的科学思维。在学习减数分裂概念和过程的基础上，将论证的方式应用于核心问题的解决，帮助学生深刻理解了减数分裂染色体减半的实质，以及形成配子遗传多样性的机制。同时，在论证过程中发展了科学思维，理解了科学本质。

关键词 科学论证 科学思维 生物学教学

中图分类号 G633.91

文献标志码 B

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）明确提出高中生物学课程的目标之一是形成科学思维的习惯，能够运用已有的生物学知识、证据和逻辑对生物学议题进行思考或展开论证。可见，对生物学议题展开论证是促进科学思维发展的

重要途径。将科学研究领域的论证方式引入課堂，让学生对所得的证据和主张进行解释、权衡、辩护及评价，对探究过程和结果进行质疑与批判，就是让学生经历科学家评价资料、提出主张、为主张进行辩驳等构建理论知识的过程。这样的学习不是对所学内容的完善表征，而是所学内容的个人阐释。不仅涉及储存个人对事实和观点的阐释，还涉及要用科学思维在不同观点和已有知识之间建立逻辑关系，构建意义和理解，促进科学思维的发展。下面以“减数分裂”一节为例，探讨论证教学促进减数分裂教学意义深度理解的方法和策略。

1减数分裂的教学分析

减数分裂是《必修2·遗传与进化》第二章第一节的教学内容。“阐明减数分裂产生染色体数量减半的精细胞或卵细胞”是《课程标准》提出的教学要求。

《课程标准》中涉及减数分裂的内容要求：

概念3遗传信息控制生物性状，并代代相传

3.1亲代传递给子代的遗传信息主要编码在DNA分子上

3.2有性生殖中基因的分离和重组导致双亲后代的基因组合有多种可能

3.2.1阐明减数分裂产生染色体数量减半的精细胞或卵细胞

3.3由基因突变、染色体变异和基因重组引起的变异是可以遗传的

3.3.4阐明进行有性生殖的生物在减数分裂过程中，染色体所发生的自由组合和交叉互换，会导致控制不同性状的基因重组，从而使子代出现变异

分析此概念与各层级概念间的逻辑关系可知，减数分裂是有性生殖过程中遗传信息传递的细胞学基础，是学生理解遗传规律的知识基础，也是学生理解基因重组、染色体变异等变异的基础。因此，减数分裂是本单元的教学重点。由于减数分裂过程微观、抽象，学生缺乏感性认识，因此也是学生学习的难点。

教材通过图示介绍了减数分裂全过程，但未介绍减数分裂研究的关键事件和重要机制。传统教学中，围绕减数分裂过程中染色体数目减半的特征，教师采用图片、视频等直观教学的方法，重视减数分裂过程中染色体形态、数目的变化过程，帮助学生理解染色体数量减半是同源染色体分离的结果。新课程改革中，模型教学的运用让学生亲历体验了减数分裂全过程的变化过程，加深了学生的动作记忆。但是，由于缺乏内在机制的探究，模型探究也是表面化的模仿，学生的思维并未真正介入，没有理解减数分裂的意义。

如何改进减数分裂的教学？笔者在学生完成减数分裂概念及过程的学习后，鼓励学生大胆提问，梳理了4个核心问题。围绕问题，教师选择减数分裂发现史上关键的事件，引导学生基于科学事实与证据进行解释和评价，深入理解减数分裂在过程中同源染色体的配对与分离现象，进而理解减数分裂的意义，即通过对减数分裂使染色体数目减半的学习，理解减数分裂和受精作用使前后代染色体数目稳定;通过对同源染色体分离，非同源染色体自由组合过程的认识，理解减数分裂产生配子的多样性为进化提供原材料。

2基于问题的科学论证

（1）教师提出问题：11887年，德国动物学家魏斯曼从理论上预言了减数分裂的存在。他预测的依据是什么？

教师展示证据：11883年，比利时学者比耐登做了一项重要的观察。他以马蛔虫为材料研究受精作用。他发现：马蛔虫的体细胞里有4条染色体，而精子和卵细胞中都含2条染色体。这些染色体通过受精作用传给子代，子代细胞中恢复到2对染色体。但很遗憾的是，他并未对这个结果做更深入的分析，从而将能做出一项更大发现的机会拱手让给了魏斯曼。

21887年，魏斯曼系统地总结了前人及自己实验室对极体的研究结果。他认为，虽然极体与卵细胞比起来，在大小上差别甚大，但实质上它们和卵细胞一样，是卵母细胞分裂的结果。卵母细胞成熟形成极体的意义，就在于使卵细胞中的遗传物质减半。他将卵母细胞形成卵细胞的特殊分裂方式称为reducing division。并推论在精子形成的过程中存在着同样的过程。这就是减数分裂概念的最初来源。

教师先引导学生分析：魏斯曼通过观察研究，知道极体的染色体数减半，由此推理卵细胞和精子的成熟的结果是染色体减半。如果卵细胞中的染色体数与卵母细胞的染色体数一致，精子中的染色体数与精原细胞的染色体数一致。那么，子代细胞中的染色体数将翻倍地增长。所以，形成精子和卵细胞的染色体数目应该减半。由此，他预测减数分裂的存在。

教师反思：比耐登的观察呈现了减数分裂的结果，而魏斯曼对观察的结果进一步进行了分析和推测。学生通过证据1和证据2的分析，可以体验到科学的发展是基于观察的分析和推理，同时，理解配子染色体数减半的意义是维持前后代遗传的稳定性。

（2）教师提出问题：2科学家是如何发现减数分裂的全过程的？

学生根据问题，猜想：从观察洋葱根尖细胞有丝分裂的实验类推，可以通过制作生殖器官的装片观察染色体变化。

教师追问：观察洋葱根尖细胞有丝分裂的实验中，不能观察到连续的、动态的有丝分裂过程，而是在不同视野中观察到不同时期的细胞分裂特征。那么，如何通过制作生殖器官的装片观察减数分裂的全过程？

学生分析，得出：选择不同发育时期的生殖器官制作装片，通过观察可以获得减数分裂的动态变化过程。

教师接着展示证据：1900年，vonWiniwarter想了一个很巧妙的方法。他取出生1d、1.5d、2d......一直到28d的雌性小兔，解剖出卵巢，观察比较卵母细胞中染色体的动态变化。就这样，他用这样的办法确定了从细线期到双线期的一系列分裂相。之后，很多人用不同的植物和动物材料继续观察研究，最终描述减数分裂的全过程。

教师反思：学生从有丝分裂的观察实验迁移到减数分裂的研究中，提出了科学实验的思路。在此基础上，就能很好地理解证据，理解减数分裂模型的建构是对不同生物精子和卵细胞形成的共同特点的抽象和概括。

（3）教師提出问题：3科学家是如何发现同源染色体间的两两配对，而不是染色体的任意配对的？

教师展示证据，引导学生思考：减数分裂过程中出现染色体两两配对现象。配对发生在来自父方的染色体间和来自母方的染色体间，还是发生在来自父方的染色体与来自母方的染色体之间？科学家对此进行了研究。1901年，Montgomery做了大量观察。他发现有一个物种，2N=14。通过该生物的减数分裂过程的观察结果，他提出：配对的染色体中，一半来自父方，一半来自母方。你能分析得出这一结论的理由吗？

学生分析，得出：该物种体细胞染色体数目为14，则来自父方和母方的染色体数目均为7，是奇数。如果配对发生在来自父方或来自母方的染色体间，则配对完成后，必然各剩下1条染色体不能配对，这与观察到的染色体两两配对的现象不相符。所以，Montgomery提出：配对的染色体一条来自父方，一条来自母方。

教师追问：如果配对发生在来自父方或来自母方的染色体间，还会出现配对的染色体的大小形态不同。你对同源染色体还有什么新的理解？

学生讨论后，认为：同源染色体一般大小形态都相同，一条来自父方，一条来自母方。也可以这样理解，在减数分裂过程中两两配对的染色体是同源染色体。

教师反思：教师指导学生通过假设演绎法，否定了来自父方或来自母方的染色体间的配对方式，从而得出结论。分析过程也促进了学生对同源染色体概念的理解。

（4）教师提出问题：4科学家是如何证明同源染色体的分离是随机的？

教师展示证据，提出问题：萨顿提出在减数分裂后期，同源染色体“随机分离”，但证明随机分离却是比较棘手的问题。他的师妹Carother用一种笨蝗做了相关实验。笨蝗的性别决定为XO型，雄蝗虫的性染色体（X染色体）仅一条，体细胞中共有23条染色体。Carother统计了300多个减数第一次分裂后期的细胞，发现X染色体与大小相异的非同源染色体的组合比接近1∶1。以2对同源染色体为例，说明同源染色体随机分离产生的结果是什么？

学生分析：图1中1和2是同源染色体，3和4是同源染色体，1和3或4是非同源染色体，2和3或4是非同源染色体。同源染色体1和2，3和4随机分离，那么，非同源染色体1可以和3或4组合，非同源染色体2也可以和3或4组合。简单地说，如果同源染色体随机分离，那么，非同源染色体就会自由组合。

教师追问：萨顿提出在减数分裂后期同源染色体“随机分离”的依据是什么？请以人为例，加以说明。

学生分析：人体有23对染色体，如果父源的每一条染色体移向一极，而母源的染色体都移向另一极，那么，形成的精子和卵细胞的染色体组成都只有2种（不考虑各种变异的发生）。如果同源染色体随机分离，非同源染色体之间发生自由组合，可产生23种染色体组成不同的配子。可见，同源染色体的随机分离形成了配子的多样性。

教师追问：通常情况下，同源染色体是一对大小相等、形状一致的染色体，在显微镜下是比较难区分的。用Carother的实验如何解释配对的同源染色体的分离时是随机的？

学生分析：笨蝗的性别决定为XO型，雄蝗虫的性染色体（X染色体）仅一条，还有11对同源染色体。减数分裂时，这条X染色体只能呆在一极，11对同源染色体的父源和母源相互分离，形成两组。如果分离是随机的，那么，这条X染色体与两种组合的机会是相同的。如果观察的细胞足够多的话，组合比应该是1∶1。Carother实验的结果表明组合比接近1∶1，所以，实验证明同源染色体分离是随机的。

教师反思：在教师问题的引导下，学生基于证据分析推理，学生深刻理解了减数分裂染色体减半的意义，掌握了减数分裂产生配子遗传多样性的原因，进而从细胞水平理解孟德尔遗传规律和基因重组的原理，也为生物进化的学习奠定了基础。真实的科学史实也让学生体验到选择实验材料和研究方法是科学实验成功的关键。

3小结

“以怀疑作审视的出发点，以实证为判别的尺度，以逻辑作论辩的武器”是科学的基本特点。提供实证，引导逻辑论证不仅指导学生深度理解减数分裂的概念、过程和意义，还为学生提供了体会科学实践、理解科学本质，发展科学思维的机会。论证的介入课堂教学是当前高中生物学教学改革的方向和目标。积极探索与实践论证教学是生物教师更新观念、改进教学、自我发展的有效途径。

参考文献：

杨大祥.减数分裂的研究历史.生物学教学2007，32（1）：61.