高中生物学模型建构教学设计

【摘要】模型构建是生物学核心素养“科学思维”中重要的思维方法。人教版高中生物学教材必修2第2章第1节第一课时“减数分裂”内容抽象，染色体变化过程复杂，是学生学习的难点。本教学设计利用卡纸模拟染色体，对“减数分裂”过程进行模型建构，在帮助学生解决重难点的同时，培养了学生的“科学思维”生物学核心素养。

【关键词】模型构建；减数分裂；教学设计

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称新课标）中提出“科学思维”是高中生物学课程培养的核心素养之一，模型建构是高中生需要掌握的重要科学思维方法。建模教学（Modeling Teaching）是20世纪80年代在美国发展起来的一种教学方法，它可以解决传统的“讲授—示范”教学方法的很多问题，例如知识之间的割裂、学生学习的积极性不高等。

一、教学设计说明

“减数分裂”一节内容涉及的概念大都抽象难懂，因此借助模型将抽象概念具体化，学生学习时便会容易许多。“建立减数分裂中染色体变化的模型”是“减数分裂”中的一个重要模型建构，可以说“减数分裂”是“有丝分裂”知识的延伸，学好“减数分裂”不但能为学好孟德尔分离定律和自由组合定律等遗传定律的细胞学打下基础，还为后续学习基因突变和基因重组等知识做好铺垫，可见“减数分裂”内容对遗传和变异概念的理解有着极其重要的作用。

目前建构的模型已有较多形式，如毛线模型、软磁铁模型、扑克牌模型，以及橡皮泥模型等。与以上模型相比，本文提出的相对较新颖的手工卡纸减数分裂模型，所用材料易获得、操作简单。在教师的指导下，学生通过动手制作染色体模型模拟细胞减数分裂的关键过程，使学习充满乐趣，从而自主建构知识，突破教学重难点，理解遗传概念，掌握模型建构的科学思维。

二、学情分析

学生通过高中生物学必修1的学习，对有丝分裂过程中染色体的行为变化有一定的理解，对细胞分裂过程中的相关概念，如有丝分裂、着丝点、姐妹染色单体、赤道板、中心体、纺锤体、细胞板等概念也有较为准确的认知，并掌握了染色体、染色单体、DNA的数量判断方法，以及上述三者变化规律的数学模型建构方法，这为学习减数分裂奠定了基础。

三、教学目标

目标一：理解减数分裂次数、DNA复制时间、染色体行为等环节，提升科学思维水平，学习科学家不懈努力和奉献科研的精神。

目标二：运用手工卡纸完成减数分裂模型的构建，培养学生的建模思维，使学生形成结构与功能观。

目标三：通过对“减数分裂产生染色体减半，形成配子类型多样”的学习，进一步结合受精作用使体细胞染色体数目恢复的原理，理解减数分裂在生物进化和物种多样性方面的重要意义，形成进化与适应观。

四、减数分裂手工卡纸模型的制作

1.材料准备

实验材料：手工卡纸（两种不同颜色）、细线（两种不同颜色）、剪刀、铅笔、橡皮、圆规、量尺、大头针、泡沫板（A4纸大小）等。

2.制作模型及构建减数分裂过程

（1）制作模型。

①制作染色质模型。具体操作如下：用剪刀将黄色的细线裁剪成长度为3cm与5cm的2条细线，拿剪刀将蓝色的细线裁剪成长度为3cm与5cm的2条细线，用这4条细线来表示染色质模型。

②制作染色（单）体模型。具体操作如下：取一张黄色手工卡纸平均对折，在其中的一面画下长度2cm的细线，然后用剪刀剪下作为一条黄色染色（单）体模型。以得到的这条模型作为模板，继续在黄色手工卡纸上画出相同的模型，并用剪刀剪下，一共要得到30条（长度4cm）相同的黄色染色（单）体模型。再取一张蓝色手工卡纸平均对折，在其中的一面画下的细线长度4cm的细线，以同样的方法一共要得到30条（长度6cm）相同的蓝色染色（单）体模型。按照上面的方法，再得到颜色（蓝色）相同、但长度不同（4cm和6cm）的染色体模型各30条。

（2）构建减数分裂过程（以2n＝4为例）。

①减数第一次分裂间期。准备一块白色泡沫板（A4纸大小）：在上面画一个足够大的初级精母细胞的轮廓，并适当画上纺锤体、中心体等结构，使模型更加直观。大小能够容纳所做的4条染色质模型。接着把前面四条裁剪好的细线（染色质模型）用大头针处理后，随意放在泡沫板上的间期细胞内，呈现复制前的染色质状态。

②减数第一次分裂。取4块白色泡沫板（A4纸大小），分别在上面画足够大的前期、中期、后期、末期的细胞轮廓，并适当画上纺锤体、中心体等结构，使模型更加直观，大小能够容纳2对染色体模型。接着将前面得到的其中2对（长度相同、颜色不同，黄色代表父方，蓝色代表母方）染色体模型用大头针处理后，放在泡沫板上的前期、中期、后期、末期细胞内。

③减数第二次分裂。建构过程与减数第一次分裂各时期有相似之处，但也有区别，由于减数第二次分裂无分裂间期，减数第二次分裂前期细胞图与减数第一次末期细胞图相似。

五、教学过程

教师个人依据所带班级数量提前准备相关资料、材料与用具，教学时将全班学生分为3～5组，每组一套制作染色体模型的材料。

1.回顾有丝分裂相关知识并导入减数分裂

教师提问：图1中①所示受精卵发育成个体过程中，细胞是以什么方式来进行增殖的？学生讨论、回答后，教师继续提问：在有丝分裂过程中细胞分裂几次？染色体复制几次？染色体的数目和行为发生了哪些变化？学生讨论、回顾有丝分裂相关知识。接着，教师继续提问学生：图1中②精子或卵细胞染色体数目减半的现象是通过哪种分裂方式进行的？还是有丝分裂吗？这时学生能初步联系到减数分裂。这时再继续抛出问题：减数分裂的具体过程是怎样的呢？

通过一系列问题，引导学生从有丝分裂内容过渡到减数分裂内容，具有较强的逻辑关联性。

2.以精子的形成过程建构减数分裂模型

教师以精子的形成过程为例，在教学中先展示完整的精子形成过程，让学生对减数分裂有一个整体印象，然后有步骤、有针对性地开启建模教学的内容。

（1）减数第一次分裂建模过程。

①明确活动目的。教师利用多媒体展示减第一次分裂过程图片，并讲解具体制作手工卡纸染色体模型的过程。接着要求各小组运用课前发放的材料制作模型模拟减数第一次分裂各个时期的发生过程。学生认真倾听模型建构要求并准备建构模型。

②分工合作。教师进一步建议各小组成员可根据材料来建构模型，但需注意以下几点要求：一是各小组成员可分工合作，比如用画图，剪纸等任务进行分工；二是制作过程中应能灵活方便地展示同源染色体的联会、四分体等现象；三是各小组需将减数第一次分裂各个时期的模型都制作出来，并将各时期的静态模型按次序排列来展示一个完整过程。学生可按照教师的建议和要求进行分工合作。

③建构模型。教师根据之前展示的图片，再次介绍减数第一次分裂过程，并引导学生开始建模。在建模过程中，教师在各个小组间巡回指导，及时发现学生在建模时可能遇到的困难，并适当地给出解决建议。学生按要求分小组开始建构减数第一次分裂模型。

④检验并评价。教师根据学生建模活动完成的情况后，邀请两组成员展示并讲解小组的模型。接着再请其他小组成员对展示和讲解过程中可能出现的错误或表述不当之处进行评价。待学生互评完毕后，教师对两组成员的模型进行总结性评价。教师在评价过程中要重点强调学生容易理解错误的几个概念，比如同源染色体、四分体、联会等；以及减数第一次分裂后期，由于同源染色体分开，非同源染色体自由组合，这样可能会出现哪些组合类型等。两小组成员分别展示并使用模型阐述减数第一次分裂过程，其他小组成员观看、聆听并对比自己小组的模型。学生讨论评价已展示模型的优缺点。

⑤归纳及总结。教师根据各小组成员的成果，引导学生思考减数第一次分裂过程与之前所学有丝分裂过程的异同点，并对减数第一次分裂建模过程进行总结。学生再次对比教师之前展示的减数第一次分裂图片及自己小组的成果，尝试归纳减数第一次分裂和有丝分裂的异同点。

（2）减数第二次分裂建模过程。

教师展示减数第二次分裂过程图片，学生再按照上述教学内容逐步来进行建模过程即可，最后同样归纳减数第二次分裂和有丝分裂的异同点，教师再进行总结。

通过建模及对比、归纳来认识减数分裂和有丝分裂过程，并从中概括出减数分裂的概念，掌握模型建构的科学思维方法。

六、教学反思

手工卡纸材料容易获得，个别学生会出现浪费材料（卡纸）的现象。卡纸能清晰地展示各个时期染色体的数目及特点，但减数分裂过程中出现的交叉互换现象，是手工卡纸不能体现出来的。在建模过程中，由于个别学生动手能力、分工合作的能力都不够强，对同源染色体这一概念理解不深刻，用了长度、颜色都相同的一对染色体模型来代表一对同源染色体，这其实是错误的。因此在进行建模教学前，教师有必要提前对各小组组长进行培训、强化课前预习等的作用来提高课堂效率。

由于建构模型时任务较大，减数分裂过程中染色体、染色单体和ＤＮＡ数目变化这一重要内容可放在卵细胞的形成过程中让学生学习和掌握。教师可适当布置跟本节内容有关的作业，为后续学习卵细胞的形成过程打下基础。

【参考文献】

［1］郑助君.减数分裂模拟教学方法集锦[J].生物学教学，2011（02）.

［2］刘翠英.立体教具新制作展示减数分裂与有丝分裂的区别[J].教学仪器与实验，2012（12）.

［3］赵萍萍，刘恩山．生物学建模教学研究进展及启示［J］．生物学通报，2015（01）．

［4］张晋，毕华林.模型建构与建模教学的理论分析[J].化学教育（中英文），2017（13）.