高中生物真实情境问题串教学设计

张孝燕

摘 要：以“减数分裂”第一课时为例，融合探究、论证、建模等教学策略，就“真实情境”和“问题串”在生物教学中对培养学生核心素养进行应用分析。实践证明，真实情境问题串教学不仅能充分调动学生的积极性，增加师生、生生之间的互动和交流，还可有效促进学生对减数分裂相关生命观念的构建和学科思维的养成。

关键词：减数分裂；真实情境；问题串；核心素养

《普通高中生物学课程标准》（2017年版2020年修订）指出，生物学学科核心素养是学生通过生物学课程学习逐步形成的，解决真实情境实际问题时的价值观、必备品格和关键能力，其内涵包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。课堂教学发展学科核心素养，必须关注生物学的学科本质及它的理科属性，并让学生在生物学情境中活学活用。教学中若只是简单事实性知识传授，或是将学科思维直接传递给学生，学生没有主动参与探索新知的过程，核心素养目标难以落实。教学中创设真实情境有利于激发学生探索生命世界内在规律的动力，设计循序渐进的问题串有助于学生通过适当的方法探究和厘清知识的内在联系，构建相关生命观念，并在知识构建过程中学会认识生命奥秘的思维方式和探究方法。因此高中生物采用真实情境问题串教学方式，能让学生在明理、讲理的过程中，感受学习过程的挑战性，体验知识掌握的成就感，从而更加积极主动地参与学习探索过程，锻炼关键能力，发展生物学科核心素养。为此，本课例通过教材分析、学情分析，锁定教学目标，选择“探究式”“论证式”“建模式”教学策略，从学生学科能力发展水平出发，提供真实情境，设计问题串，帮助学生层层深入探索减数分裂过程，学生通过观察、对比、猜想、推理等方法提出自己的观点，综合论证概括出结论，从而构建减数分裂模型，形成相关生命概念与学科思维，为核心素养视野下的真实情境问题串教学设计提供参考[1]。

一、教材分析

“减数分裂”选自人教版必修2《遗传与进化》第二章第一节，其核心是指向减数分裂过程和结果，阐明减数分裂过程产生染色体数减半的精细胞或卵细胞；是在有丝分裂基础上构建一种新的细胞分裂方式，为后续遗传规律和可遗传变异的学习奠定细胞学基础，因而具有承上启下作用。

二、学情分析

高中生抽象逻辑思维逐步占优势、辩证逻辑思维开始发展，这些有助于学生在回顾有丝分裂的基础上做出新的假设，并结合情境素材等生物学事实，进行理论与实践等，审视既定的观点；又由于减数分裂过程的理解是本课的重难点所在，对学生而言是新的知识，大部分学生不能独立完成，一步到位。这就需要教师创设逻辑关联的问题串，一步步引领学生分阶段深入，通过假说与演绎、论证与推理等方法帮助学生探索减数分裂生命的过程，弱化难点、突破重点。这种在学生思维碰撞的过程中构建的模型，更有助于学生掌握减数分裂的实质，为迁移应用做准备[2]。

三、目标制定

以往的教学目标以识记减数分裂过程为目的，学生大多处于被动的接受状态，只了解知识并没有深入体验知识的探索过程，学习浮于表面，不能形成深刻记忆，以致具体应用时无法得心应手。因此，本节课创设现实生命情境和探究史情境，通过设置问题串，引导学生参与探索减数分裂奥秘过程的比较、假设、推理、论证等思维过程，让绝大部分学生达成下面素养发展目标：

生命观念：①阐述减数分裂过程中的染色体行为；②解释减数分裂产生染色体数目减半的配子；③阐明有性生殖的生物在减数分裂过程中，染色体发生自由组合和交叉互换，导致双亲后代的基因组合有多种可能；④理解减数分裂的意义。

科学思维：①基于科学史和证据推测减数分裂过程；②结合有性生殖过程，类比有丝分裂模型，构建减数分裂模型；③运用细胞减数分裂模型，阐明遗传信息在有性生殖中的传递规律。

社会责任：认同生物通过生殖、发育和遗传实现生命的延续和种族的繁衍；认同减数分裂对生物多样性的意义；树立保护生物、保护环境的责任感[3]。

四、教学过程

探究一、有性生殖产生配子的过程是哪一种分裂方式？

【情境1】春天昆虫在花海中传粉采蜜的视频。

【问题1】花万紫千红为了啥？引出有性生殖概念。

【情境2】桃花受精图、桃树染色体和配子染色体图。

【问题2】桃花体细胞是受精卵通过哪种分裂过程产生的？

【问题3】有丝分裂前后染色体数量如何变化？

【问题4】桃花有性生殖产生精子的分裂方式还是有丝分裂吗？说说你的猜想与理由。

【提示】如果是，会是怎样的结果？如果不是，你的判断依据是什么？

【老师】肯定学生。大家通过认真观察与思考，进行比较与逆向推理过程，像科学家魏斯曼一样提出了天才般的预见：减数分裂。

设计意图：花海视频让学生了解有性生殖使后代性状多样化，感叹生物多样性美并积极参与本节探究。借月季染色体图回顾有丝分裂前后染色体数保持不变的特点，对比分析图像资料染色体数变化，得出产生配子的分裂方式与有丝分裂不同，通过推理论证得出减数分裂普遍存在于有性生殖产生配子过程，且认同减数分裂与有丝分裂共同维持繁衍过程物种遗传稳定性。初步认同减数分裂的存在和意义，激发思维，引发探索新分裂方式的学习动力。

探究二、减数分裂是怎样进行的？

环节1.探索减数分裂怎样实现染色体数目减半？

【情境1】减数分裂发现史资料1；有丝分裂示意图。

【老师】魏斯曼预言，减数分裂是一种特殊的有丝分裂。接下来我们追随科学家的探究史，结合有丝分裂过程，以精子的形成过程为例，预测减数分裂的染色体减半机制。

【问题1】有丝分裂过程中，哪些变化保持了染色体数目不变？

【学生】染色体复制一次，细胞分裂一次。复制后形成的姐妹染色单体在有丝分裂后期分开，染色体数增倍，增倍后的染色体随细胞质的分裂和核膜的重建而分到两个子细胞，保持复制前后染色体数不变。

【情境2】蝗虫精母细胞减数分裂显微照片；水稻花粉母细胞减数分裂显微照片。

【问题2】类比有丝分裂，减数分裂染色体数减半，会是哪个变化引起的？

【教师】有人认为减数分裂染色体不复制，细胞分裂一次，请结合上图判断正误，并提出你的理由与看法。

【学生】这种说法不正确。如果不复制，就不会出现蝗虫精母细胞减数分裂图中的姐妹染色单体。这与事实不符，说明减数分裂过程也进行染色体的复制。

【问题3】减数分裂染色体也复制一次，那染色体数减半的原因是什么？

【学生】分裂次数增加一次。

【追问】哪些证据可以支持这一观点？

【学生1】科学史资料1上提到科学家们观察发现配子母细胞形成配子的过程实际上包含了两次连续的减数分裂过程。

【学生2】蝗虫精母细胞和水稻花粉母细胞减数分裂显微照片均有生成2个子细胞和4个子细胞时期。

【追问】这两个时期的细胞分别是处于哪个时期，名称分别是什么？

【小结】请结合上述探究过程和相关证据，归纳出减数分裂染色体数减半的机制？

【学生】精原细胞在减数分裂过程中，染色体复制一次，细胞连续分裂两次，减数分裂I生成两个次级精母细胞，紧接着两个次级精母细胞通过减数分裂Ⅱ生成四个精细胞，实现染色体数减半。

【建模】小组合作填写减数分裂模型图中的每一次分裂的名称和生成的细胞名称与数量。

设计意图：通过问题串层层分析有丝分裂染色数保持不变原因，引导学生聚焦染色体复制次数和细胞分裂次数两个变量，结合科学家的实验观测数据和科学探究史资料等真实情境，推测减数分裂染色体数减半的原因，论证观点，归纳结论。从而理解并初步构建减数分裂模型。此过程培养学生观察对比分析的能力和在矛盾中应用单一变量原则解析原因的科学思维，学会用概念图简洁直观地表达习得知识的建模思想，为本节后续的模型构建做铺垫。

环节2.探究减数分裂第一次分裂染色体发生哪些变化？

【情境1】哺乳动物精子形成过程示意图。

【问题1】图中减数分裂染色体数减半，发生在哪一次分裂？

【问题2】减数第一次分裂如何实现染色体数的平均分配？

【学生】可能是姐妹染色单体分开。

【学生】图中减数分裂Ⅱ还有姐妹染色单体，说明减数分裂I姐妹染色单体没有分开，可能是形状相似的染色体分开。

【问题3】这相似的一对染色体称为什么？

【教师】引导学生阅读课本认识同源染色体相关知识。

【过渡】课本呈现了精子形成过程示意图，然而科学家们从发现配子形成是两次连续的分裂过程，到弄清如图所示减数分裂的完整过程，却构想了巧妙的观察方法，观察了大量的材料，经历了不少的争论，花了长达30多年的时间。

【情境2】减数分裂发现史资料2。

【介绍】减数分裂发现史资料2中提到：玉米（2n=20），但在减数第一次分裂中期只能看到的染色体的数目仅是10条。

【问题4】若你是当时参与观察的科学家，你会做怎样的猜想？

【学生】与有丝分裂比较，染色体复制次数不变，减数第一次分裂中期细胞质也没有分裂，所以染色体并没有真正减少，观察到减少现象的原因可能是同源染色体配对了。

【问题5】染色体如何配对呢？你的猜想依据是什么？证据是什么？

【学生】配对的染色体中，一半来自父本，一半来自母本。猜想依据是如果配对是在父本内或母本内的染色体进行，非同源染色体间的大小不等，配对后不会那么整齐，且可能出现剩下一条不能成对的情况。而且减数分裂发现史资料2中，蒙哥马利（1901）做了染色体大小差异很大的（2n=14）物种的染色体配对观察结果证实了这一观点。

【问题6】同源染色体在减数第一次分裂中还会发生哪些行为变化？

【学生】同源染色体联会时可能发生同源染色体的非姐妹单体间的互换。

【学生】后期同源染色体会彼此分开，随细胞质分裂进入不同的次级精母细胞。

【问题7】进入同一次级精母细胞的染色体都来自父母一方还是随机分配？

【问题8】你是怎样得出这个猜想？

【学生】如果来自父方或母方的源染色体均进入同一次级精母细胞，生成的配子将只有两种类型，这与自然界中“一猪生九仔，个个不一样”的事实相矛盾。所以我认为是随机分配。

【学生】由课本提供的果蝇配子中染色体有红色也有蓝色，猜测同源染色体是随机分配的。

【学生】研究史料2中提到：卡罗瑟斯统计了300多个雄蝗虫（X染色体仅一条）减数第一次后期的细胞，发现X染色体与另一对大小相异的同源染色体的组合，接近1：1。这结果证明同源染色体是随机地分向两极的。

【情境3】果蝇中雌雄体细胞染色体图和配子染色体图。

【问题9】果蝇染色体（2n=8），如果父本的染色体归向一极，母本的染色体归向另一极，则产生的配子类型有几种？如果同源染色体的分离与组合也随机独立的，则产生的配子类型有几种？

【学生】分别是2种和24种。

【情境4】人染色体的扫描电镜照片。

【问题10】上述两种情况，人类精原细胞通过减数分裂分别能产生几种精细胞？

【学生】2种和223种。

【问题11】由减数第一次分裂同源染色体随机分配，有的还进行互换，可以得出减数分裂的生物学意义有哪些？

【学生】可以增加配子种类数。

【学生】有性生殖通过减数分裂，产生不同类型的配子，增加合子种类数，使品种多样化，丰富了生物的多样性，提高物种对不同环境的适应性。

【情境4】有研究表明抽烟影响男性精子活动，环境破坏使得一些生物无法繁衍后代。为保护多样性，我们可以做的事情是什么？

【学生】健康生活，保护环境。

【小结】综合上述探究请简述减数第一次分裂同源染色体行为变化。

【学生】减数第一次分裂中，同源染色体两两配对，有的会互换，然后被纺锤丝牵引着进入两极，随细胞质分裂进入不同的子细胞。

【建模】类比有丝分裂，构建减数第一次分裂的间期与前、中、后、末等分裂期模型图。

设计意图：通过问题串，引导学生层层递进探究减数分裂过程染色体行为变化，让学生思维深度得到发展。以减数分裂探究史为情境，对减数第一次分裂前期同源染色体配对行为进行假设和论证，得出染色体的配对方式；对笨蝗性染色体、果蝇染色体再到人类染色体规律分配和随机分配两种方式产生配子种类的探讨，推测出减数分裂第一次分裂同源染色体随机分配，让学生亲身体验科学探究过程，并感受捕捉特殊生命现象对得出一般生命规律的重要参考价值，理解有性生殖遗传信息通过配子传递给后代。学会善于观察和由简到繁的科学探究方法，养成猜想—假说—推理—论证的思维习惯，并结合新知识类比已知有丝分裂模型构建减数分裂第一次分裂过程。

环节3.探究减数第二次分裂，姐妹染色单体如何变化？

【情境】减数分裂视频。

【问题1】减数分裂第二次分裂中最突出的染色行为变化是什么？

【学生】姐妹染色单体分开，分别进入不同的子细胞。

【问题2】此过程染色体数量如何变化？

【问题3】减数第二次分裂就是有丝分裂吗？请作出你的判断，并说明理由。

【学生】是，因为减数分裂Ⅱ分裂前后染色体数不变。

【学生】不是，因为减数分裂Ⅱ分裂前没有经历分裂间期，且不存在同源染色体。

【追问】减数分裂Ⅱ中也有大小一样，形态相同的染色体，为什么不是同源染体？

【学生】同源染色体在减数分裂Ⅰ已分到不同的次级精母细胞，不再含同源染色体。

【学生】同源染色体还需要满足一条来自父方，一条来自母方，减数分裂Ⅱ中两条相同的染色体是姐妹染色单体因着丝粒分裂而得的，是来自同一亲本的染色体，所以不含。

【小结】综合上述探究请描述减数第二次分裂过程与结果。

【学生】减数第一次分裂生成的次级精母细胞紧接着进行减数第二次分裂，姐妹染色单体分开，染色体数恢复体细胞染色体数。随着细胞质的分裂，染色体数平均分配到2个精细胞中，每个精细胞只含体细胞染色体数的一半，减数第一次分裂生成两个次级精母细胞共生成四个精细胞。

【建模】类比有丝分裂，构建减数第二次分裂的前、中、后、末等分裂期模型图。

设计意图：通过减数分裂视频播放能让学生对减数分裂过程有直观整体的认识，又对接着的减数分裂Ⅱ的学习起承上启下的作用。通过问题串帮助学生找出减数第二次分裂的特点，并从现象到本质分析同源染色体的概念，进一步巩固减数第一次分裂完成同源染色体的平均分配，明确减数第二次分裂不再存在同源染色体，大小相同的染色体为来自同一亲本的染色体，从而有效突破易混淆知识难点，并学会从本质上探索生命现象的研究方法，并学会用理说理，达到去伪存真。

环节4.探究精细胞到精子发生了哪些变化？

【情境】精子形成过程图。

【问题1】精细胞在形成精子的过程发生哪些变化？

【问题2】这对繁衍后代有何意义？

【问题3】有性生殖形成的受精卵中遗传物质一半来自父本，一半来自母本，这句话可对？

设计意图：通过比较精细胞与精子的不同，让学生树立结构与功能相适应的生命观念。通过意义分析让学生理解有性生殖是通过减数分裂产生精细胞等生殖细胞将遗传信息传递给后代。最后通过辨析遗传物质是否各半，引导学生发散思维并引导学生预习本节第二课时内容。

探究三、完善并应用减数分裂模型，阐明遗传信息在减数分裂中的传递规律。

【情境】果蝇是遗传学研究最常用的二倍体生物，体细胞含有8条染色体，请根据本节探究结果，小组合作完善果蝇精原细胞减数分裂模型图，并绘制减数分裂染色体数目变化曲线图。

分享与交流：

【问题1】你们组是怎样完善模型构建的？模型解析了怎样的遗传信息传递规律？

【问题2】染色体数目变化曲线图的横纵坐标怎么确定，依据是什么？

【问题3】曲线中有哪几个拐点，拐点的原因是什么？

【问题4】除上述模型外，你们还想构建哪一类型的减数分裂模型？（作为小组作业上交）

【问题5】对本节减数分裂过程知识，你还想了解哪些奥秘？试着搜集相关资料。（同上）

设计意图：通过小组合作完善模型和绘制曲线图问题情境，为不同理解层次的学生提供梳理本节探究思路与总结规律的载体。由于初次绘制减数分裂染色体数目变化图对大多数学生而言是比较困难的，采用小组合作形式，并设置问题串，能帮助生生互助且更快速找到解决情境问题的矛盾点，从而准确锁定变量及变量背后的原理，让难点淡化、逻辑达成。最后通过布置实物模型，让学生真切感知减数分裂过程及其本质，培养动手实验能力、互助协作及评价与修正能力[4]。

五、教学反思

本文由自然生命现象引出有性生殖产生配子分裂方式是减数分裂，接着提供具体生物减数分裂电镜扫描图和减数分裂探究资料史，引导学生对照已知的有丝分裂知识，沿着教师设置的问题串进行由表及里地展开对减数分裂奥秘的探索，让减数分裂模型构建过程充满挑战，环环相扣，层层深入。真实情境的应用，让学生为主体的素养培养育人理念更易实现，通过与有丝分裂的对比，让学生从熟悉的情境中出发，让思维有所借鉴；提供减数分裂探究史，帮助学生在陌生情境中收集处理数据，让思路有所拓展；提供具体事实，帮助学生分析判断，让思维结果的表达论证更具说服力。问题串的设计不仅关注学生相关生命观念的形成，还考查和培养了学生自觉运用类比法、控制变量法、论证法及概括归纳法等解决新情境新问题的思维习惯和能力[5]。

结束语

因此，问题串与真实情境相交融更有助于引导学生沉浸式参与课堂教学互动，并在探索生物学奥秘中发展阅读理解与加工处理信息的能力，在同伴不同思维碰撞和个人猜想、推测、说理、论证中发展高阶思维和创新思维能力，从而更好地在生物学科学习中培养和发展学科核心素养。

参考文献

[1]闫霞，安军.基于科学思维和科学探究的“减数分裂第1课时”教学设计[J].生物学通报，2019，54（7）：14-16.

[2]刘恩山.中学生物学教学论（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2020.

[3]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[4]杨大祥.减数分裂的研究历史[J].生物学教学，2007（1）：61-63.

[5]朱丽丽.基于真实问题情境培养化学学科核心素养的课堂研究：以“金属钠的性质与应用”教学为例[J].化学教与学，2021（1）：10-14.

本文系福建省教育科学“十四五”规划2021年度课题“高中生物真实情境化教学中问题串设计有效性研究”（立项批准号：FJJKZX21-644）的研究成果。