基于生物科學(xué)史和模型建構(gòu)的減數(shù)分裂深度教學(xué)設(shè)計(jì)

摘 要：文章以人教版普通高中生物學(xué)必修2“遺傳與進(jìn)化”第2章第1節(jié)“減數(shù)分裂和受精作用”的教學(xué)內(nèi)容為例，選擇科學(xué)家對(duì)減數(shù)分裂的觀察和研究作為時(shí)間主線，以減數(shù)分裂行為特點(diǎn)作為邏輯思維主線。各環(huán)節(jié)以“假說(shuō)演繹”的思維模式，引導(dǎo)學(xué)生基于事實(shí)證據(jù)，運(yùn)用推理歸納、模型建構(gòu)和質(zhì)疑批判等科學(xué)思維，深度構(gòu)建“減數(shù)分裂過(guò)程”這一重要概念，提升學(xué)生科學(xué)思維水平和探究能力，使學(xué)生形成進(jìn)化與適應(yīng)觀。

關(guān)鍵詞：高中生物學(xué)；減數(shù)分裂；科學(xué)史；模型建構(gòu)；深度教學(xué)

中圖分類號(hào)：G427? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2097-1737（2023）21-0082-03

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》明確提出“生物課堂要注重生物科學(xué)史和科學(xué)本質(zhì)的學(xué)習(xí)”[1]。筆者發(fā)現(xiàn)，教材中對(duì)于減數(shù)分裂本質(zhì)、聯(lián)會(huì)、染色體行為規(guī)律等概念性知識(shí)，多以敘述的方式直接呈現(xiàn)，與減數(shù)分裂有關(guān)的生物學(xué)史料內(nèi)容呈現(xiàn)較少。因此，筆者嘗試在不增加課堂難度和教學(xué)容量的基礎(chǔ)上，適當(dāng)補(bǔ)充減數(shù)分裂探究過(guò)程的科學(xué)史料，為學(xué)生理解減數(shù)分裂概念性知識(shí)提供事實(shí)支撐，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和探究能力。

在基于生物科學(xué)史的減數(shù)分裂教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生不僅要對(duì)細(xì)胞器、染色體等基本概念進(jìn)行應(yīng)用整合，還須對(duì)減數(shù)分裂概念模型、染色體數(shù)量變化模型進(jìn)行主動(dòng)構(gòu)建，深刻理解基因分離和自由組合導(dǎo)致后代多樣性的重要概念。這些要求都和深度學(xué)習(xí)理論契合，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)理論進(jìn)行本節(jié)課教學(xué)，既能引導(dǎo)學(xué)生重新體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程，又能促使學(xué)生將深度加工后提煉的科學(xué)思維和探究能力遷移應(yīng)用到真實(shí)情境下去解決復(fù)雜問(wèn)題。

一、教材分析及設(shè)計(jì)思路

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容為人教版普通高中生物學(xué)必修2“遺傳與進(jìn)化”第2章第1節(jié)“減數(shù)分裂和受精作用”第1課時(shí)。在本節(jié)課之前，學(xué)生已經(jīng)具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)、細(xì)胞增殖、遺傳學(xué)基本規(guī)律等相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備，了解假說(shuō)演繹、歸納概括科學(xué)思維。本節(jié)課是幫助學(xué)生從染色體水平、細(xì)胞水平進(jìn)一步理解真核生物細(xì)胞核遺傳信息的傳遞規(guī)律，認(rèn)識(shí)有性生殖對(duì)生物進(jìn)化的意義。減數(shù)分裂概念以及減數(shù)分裂過(guò)程染色體數(shù)量和行為變化規(guī)律是本節(jié)課的重點(diǎn)，染色體行為變化規(guī)律是本節(jié)課的難點(diǎn)。

二、教學(xué)目標(biāo)設(shè)定

（一）體驗(yàn)探究歷程，提升思維水平

教師引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑減數(shù)分裂次數(shù)、DNA復(fù)制時(shí)間、染色體行為等環(huán)節(jié)，然后猜想、解釋，補(bǔ)充史料和形成主張，體驗(yàn)科學(xué)探究歷程，提升科學(xué)思維水平，學(xué)習(xí)科學(xué)家不懈努力和奉獻(xiàn)科研的精神。

（二）完成模型構(gòu)建，培養(yǎng)建模思維

教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用材料（如扭扭棒、磁鐵等）完成減數(shù)分裂模型的構(gòu)建，培養(yǎng)學(xué)生的建模思維，使學(xué)生形成結(jié)構(gòu)與功能觀。

（三）加深意義理解，形成進(jìn)化與適應(yīng)觀

通過(guò)對(duì)“減數(shù)分裂產(chǎn)生染色體減半，形成配子類型多樣”的學(xué)習(xí)，學(xué)生進(jìn)一步結(jié)合受精作用使體細(xì)胞染色體數(shù)目恢復(fù)的原理，理解減數(shù)分裂在生物進(jìn)化和物種多樣性方面的重要意義，形成進(jìn)化與適應(yīng)觀。

三、教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

（一）創(chuàng)設(shè)情境，問(wèn)題導(dǎo)入

教師提前向?qū)W生收集“全家?！闭掌舾蓮?，在課堂上展示，引導(dǎo)學(xué)生思考：（1）父母與子女之間通過(guò)什么細(xì)胞實(shí)現(xiàn)遺傳物質(zhì)傳遞？（2）這類細(xì)胞如果是通過(guò)有絲分裂產(chǎn)生的，你能預(yù)測(cè)子一代兒女的染色體數(shù)目嗎？子二代呢？（3）大膽預(yù)測(cè)這類細(xì)胞內(nèi)染色體數(shù)目有何特點(diǎn)？

師生總結(jié)：正如1887年德國(guó)生物學(xué)家魏斯曼（A.Weismann）的大膽猜測(cè)，在生殖細(xì)胞產(chǎn)生過(guò)程中，必然有一個(gè)特殊過(guò)程使染色體數(shù)目減少一半。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)生活中常見(jiàn)的“遺傳”話題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和批判思維，使學(xué)生意識(shí)到細(xì)胞學(xué)說(shuō)中“細(xì)胞是通過(guò)分裂產(chǎn)生”具有多層含義。

（二）假說(shuō)演繹，補(bǔ)充史料

第一，學(xué)生質(zhì)疑：在產(chǎn)生生殖細(xì)胞的過(guò)程中，如何實(shí)現(xiàn)染色體數(shù)目減半？

提出猜想，小組討論：猜想一，細(xì)胞直接分裂，染色體平均分給兩個(gè)細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)染色體數(shù)目減半；猜想二，減數(shù)分裂過(guò)程染色體復(fù)制1次，細(xì)胞分裂2次，實(shí)現(xiàn)染色體數(shù)目減半；猜想三，學(xué)生幽默地提出假說(shuō)：染色體復(fù)制2次，細(xì)胞分裂4次（甚至染色體復(fù)制4次，細(xì)胞分裂8次，類似均有可能……）（見(jiàn)表1）。

補(bǔ)充史料：①1888年，德國(guó)植物學(xué)家施特拉斯布格（E. A. Strasburger）觀察到百合花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂形成“四分孢子”；②1887年，德國(guó)生物學(xué)家鮑維里（Boveri）發(fā)現(xiàn)馬蛔蟲(chóng)經(jīng)過(guò)減數(shù)分裂后產(chǎn)生4個(gè)細(xì)胞。

形成主張：學(xué)生對(duì)上述科學(xué)史和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行閱讀討論后，直觀看到減數(shù)分裂結(jié)束產(chǎn)生4個(gè)子細(xì)胞，即得出減數(shù)分裂過(guò)程中染色體復(fù)制1次，細(xì)胞分裂2次，實(shí)現(xiàn)染色體數(shù)目減半的結(jié)論。

第二，學(xué)生質(zhì)疑：減數(shù)分裂過(guò)程染色體復(fù)制1次，

細(xì)胞分裂2次，那么染色體復(fù)制（實(shí)質(zhì)為DNA復(fù)制）出現(xiàn)在第幾次細(xì)胞分裂間期呢？

提出猜想，模擬解釋：猜想一，染色體復(fù)制出現(xiàn)在第1次分裂間期；猜想二，染色體復(fù)制出現(xiàn)在第2次分裂間期（見(jiàn)表2）。學(xué)生進(jìn)行小組合作，運(yùn)用扭扭棒（中間的鐵絲代表DNA分子，外層包裹的絨毛代表蛋白質(zhì)）模擬染色體。學(xué)生將扭扭棒圍繞鉛筆螺旋緊密纏繞，代表高度螺旋化的染色體；將兩根扭扭棒交叉用磁鐵環(huán)套住，代表復(fù)制后染色體。兩個(gè)磁鐵環(huán)相互吸引，可以模擬同源染色體聯(lián)會(huì)現(xiàn)象（見(jiàn)表2）。

補(bǔ)充史料：①研究人員為使不同細(xì)胞分裂進(jìn)程同步化，使用DNA合成阻斷劑，該試劑可以將細(xì)胞群阻斷在DNA復(fù)制過(guò)程，而不影響其他時(shí)期細(xì)胞的正常分裂。當(dāng)去除該試劑后，細(xì)胞分裂正常進(jìn)行。②研究人員使用DNA合成阻斷劑處理減數(shù)分裂的原始細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)原始細(xì)胞無(wú)法進(jìn)行細(xì)胞分裂。

形成主張：染色體復(fù)制出現(xiàn)在減數(shù)第一次分裂間期，減數(shù)第二次分裂不進(jìn)行DNA復(fù)制，即細(xì)胞核DNA數(shù)目減半發(fā)生在減數(shù)第二次分裂。

第三，學(xué)生質(zhì)疑：當(dāng)細(xì)胞中有多對(duì)染色體時(shí)，減數(shù)第一次分裂和減數(shù)第二次分裂染色體行為相同嗎？

提出猜想，模擬解釋：如表3，兩種猜想均實(shí)現(xiàn)了減數(shù)第一次分裂進(jìn)行染色體復(fù)制，子細(xì)胞染色體數(shù)目減半。如果要驗(yàn)證哪種假設(shè)成立，可對(duì)不同時(shí)期細(xì)胞的染色體行為進(jìn)行觀察分析。

補(bǔ)充史料：①1891年，德國(guó)生物學(xué)家亨金（H．Henking）在觀察某種蝽的減數(shù)第一次分裂時(shí)，發(fā)現(xiàn)前期染色體形成“環(huán)”狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)由2個(gè)大小相同的染色體配對(duì)構(gòu)成（如圖1）[2]；②1901年，美國(guó)生物學(xué)家蒙哥馬利（T．H．Montgomery）觀察到所謂的“二價(jià)染色體”，即由母方和父方大小相同的染色體結(jié)合形成，在減數(shù)第一次分裂時(shí)橫向分離[3]。

形成主張：“二價(jià)染色體”和“環(huán)”都是由2個(gè)大小相同染色體組成，根據(jù)這一現(xiàn)象，學(xué)生對(duì)自己猜想進(jìn)行質(zhì)疑和修改，認(rèn)同減數(shù)第一次分裂時(shí)大小相同的染色體分離，導(dǎo)致染色體數(shù)目減半，故猜想二正確。師生趁熱打鐵，共同完善同源染色體、聯(lián)會(huì)等基礎(chǔ)概念的學(xué)習(xí)。

第四，學(xué)生質(zhì)疑：大小相同的同源染色體彼此分開(kāi)時(shí)，大小不同的染色體（即非同源染色體）如何分配的呢？

提出猜想：某生物體細(xì)胞（2n-=4），1號(hào)和2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)分別是一對(duì)同源染色體，其中1號(hào)、3號(hào)染色體來(lái)自父方；2號(hào)、4號(hào)來(lái)自母方。猜想一：1和2、3和4彼此分開(kāi)，將1和3、2和4分在一起；猜想二：1和2、3和4彼此分開(kāi)，將1和4、2和3分在一起；猜想三：1和2、3和4彼此分開(kāi)，將1和2、3和4又重新分在一起；猜想四：1和2、3和4彼此分開(kāi)，4條染色體任意組合均可。

補(bǔ)充史料：①大型的短翅昆蟲(chóng)——雄蝗蟲(chóng)（2n=23，XO）體內(nèi)性染色體只有一條X染色體，且還有一對(duì)大小不等的同源染色體，記為A、a。②美國(guó)遺傳學(xué)家薩頓（Sutton）觀察統(tǒng)計(jì)超過(guò)300個(gè)雄蝗蟲(chóng)的MⅠ后期的細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)僅有的一條X染色體與A、a組合后，分到細(xì)胞同一極的比例接近1∶1[4]。

形成主張：學(xué)生認(rèn)同非同源染色體之間是隨機(jī)組合，猜想①②均可能發(fā)生。

第五，匯總每塊拼圖，構(gòu)建概念模型。

師生共同回顧前面形成的主張：每個(gè)主張猶如減數(shù)分裂過(guò)程的一塊拼圖，依照拼圖內(nèi)容，派學(xué)生代表利用染色體（扭扭棒，含磁鐵）構(gòu)建減數(shù)分裂過(guò)程示意圖，其他小組補(bǔ)充、評(píng)價(jià)和完善。

構(gòu)建概念模型：將構(gòu)建的減數(shù)分裂物理模型和教材中精子形成過(guò)程示意圖進(jìn)行比較，共同構(gòu)建減數(shù)分裂的概念模型，認(rèn)同減數(shù)分裂本質(zhì)，準(zhǔn)確識(shí)記各個(gè)階段的細(xì)胞名稱、數(shù)量和“精細(xì)胞變形”等內(nèi)容。

視頻展示，完美契合：播放減數(shù)分裂動(dòng)態(tài)微視頻，染色體的行為“活靈活現(xiàn)”地展現(xiàn)出來(lái)，學(xué)生在驚奇和贊嘆中支持論證。

第六，科學(xué)情感升華，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感。

從1887年魏斯曼預(yù)測(cè)減數(shù)分裂的存在，科學(xué)家開(kāi)啟對(duì)減數(shù)分裂的深入研究，到1913年薩頓證實(shí)非同源染色體自由組合，完成減數(shù)分裂的重要拼圖，歷經(jīng)二十多年的艱辛探究，眾多科學(xué)家基本達(dá)成對(duì)減數(shù)分裂過(guò)程的共識(shí)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)減數(shù)分裂的探索仍將繼續(xù)進(jìn)行。

四、課后延伸

在不考慮變異的情況下，從減數(shù)分裂染色體行為的物理模型分析：1個(gè)原始生殖細(xì)胞可產(chǎn)生幾個(gè)配子，

有幾種類型？以人體23對(duì)染色體為例，分析配子類型和后代類型，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到生物的多樣性，體現(xiàn)有性生殖的優(yōu)勢(shì)，從生物進(jìn)化的角度深度思考減數(shù)分裂的意義，形成進(jìn)化適應(yīng)觀。

五、教學(xué)反思

本節(jié)課補(bǔ)充了大量科學(xué)史材料，引導(dǎo)學(xué)生在“質(zhì)疑—提出猜想—補(bǔ)充資料—形成主張”的過(guò)程中構(gòu)建減數(shù)分裂的概念模型；通過(guò)扭扭棒和磁鐵構(gòu)建染色體行為的物理模型，提升學(xué)生的參與度和動(dòng)手能力；運(yùn)用模型，對(duì)減數(shù)分裂概念性知識(shí)進(jìn)行深度思考和討論，有助于突破本節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)，鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)探究論證能力。

六、結(jié)束語(yǔ)

基于生物科學(xué)史和構(gòu)建構(gòu)型的教學(xué)設(shè)計(jì)不僅要在重現(xiàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò)程中創(chuàng)設(shè)探究情境，引導(dǎo)質(zhì)疑批判，

拉近課堂與科研之間的距離，還要充分挖掘科學(xué)史中的人文價(jià)值，既要關(guān)注求新、求真，也要關(guān)注育人、育心。

參考文獻(xiàn)

劉恩山，曹保義.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)解讀（2017年版2020年修訂）[M].北京：高等教育出版社，2020.

潘承湘.細(xì)胞減數(shù)分裂過(guò)程的闡明與H.Henking的重大貢獻(xiàn)[J].自然科學(xué)史研究.1985，4（4）：377-390.

楊大祥.減數(shù)分裂的研究歷史[J].生物學(xué)教學(xué)，2007，32（1）：6163．

全雪萍.昆蟲(chóng)細(xì)胞同步化及其對(duì)HGH表達(dá)影響的初步研究[D].天津：南開(kāi)大學(xué)，2002.

作者簡(jiǎn)介：袁剛（1988.6-），男，陜西商南人，任教于陜西省榆林中學(xué)，一級(jí)教師，研究生學(xué)歷。