以核心概念為中心建構“細胞增殖”專題知識的案例分析

何淑珠

(福建省漳州市第三中學 363000)

細胞增殖(主要指有絲分裂、減數分裂)是高中生物學教學的重點和難點，如何讓學生對已學的知識進行系統回顧，厘清細胞增殖與遺傳變異的關系，成為高三復習亟待解決的問題。核心概念是學科結構的主干部分，展現了當代學科圖景，圍繞核心概念進行課堂教學已成為優質課堂的主要特征之一。模型建構是一種重要的科學方法，建模思維和建模能力是學生必備的科學素質，生物模型建構主要包括物理模型、概念模型和數學模型等。在專題復習中，應用模型建構和典型例題，圍繞核心概念來組織教學，將有助于學生對遺傳學知識的深入理解和遷移應用，提高學生的學科能力[1]。

1 “細胞增殖”專題的學習要求及核心概念

在課程標準中對“細胞增殖”的學習要求是理解水平，即能概述細胞的有絲分裂過程，闡明細胞的減數分裂并模擬分裂過程染色體的變化，舉例說明配子的形成過程和動物的受精過程[2]。由于細胞增殖與遺傳變異、育種等緊密聯系，因此本專題是高中生物學復習的重點和難點。考查的方式主要是借助一定的情境，以細胞分裂圖像、坐標圖、文字信息等考查對細胞增殖過程及差異性的判斷，不同變異類型(基因突變、染色體變異)出現原因的分析等。

“細胞增殖”專題的核心概念是：在進行有性生殖的生物體中，遺傳信息由親代向子代的傳遞通過雄配子和雌配子完成；有性生殖中基因的分離和自由組合使得子代的基因型和表現型有多種可能，并可由此預測子代的遺傳性狀；當一個細胞中的基因發生改變，改變了的基因可被傳遞到由這個細胞分裂產生的細胞中；只有發生在生殖細胞中的基因突變才可能傳給子代[3]。

2 建構模型，深入理解“細胞增殖”專題的核心概念

有絲分裂和減數分裂的過程中染色體和DNA的變化是本專題教學的重點和難點。通過模型建構，對相關知識進行整合，形成對細胞增殖核心概念的深入理解。

2.1 建構細胞有絲分裂和減數分裂過程中染色體和DNA數量變化的模型 根據曲線變化的數學模型和細胞分裂圖像的物理模型(圖1)，通過分析細胞增殖過程中相關成分的數量變化及成因，判斷細胞增殖的方式和時期，厘清細胞增殖與遺傳變異的關系。

圖1 細胞有絲分裂和減數分裂過程中染色體和DNA的數量變化圖

2.1.1 判斷細胞增殖的方式和時期，鞏固對有絲分裂和減數分裂概念的理解 有絲分裂是真核生物進行細胞分裂的主要方式，有絲分裂將親代細胞的染色體經過復制之后，精確地平均分配到兩個子細胞中，在細胞的親代和子代之間保持了遺傳性狀的穩定性。減數分裂是進行有性生殖的生物，在產生成熟生殖細胞時進行染色體數目減半的細胞分裂。在減數分裂過程中，染色體只復制一次，而細胞分裂兩次。減數分裂的結果是：成熟生殖細胞中的染色體數目比原始生殖細胞的減少一半。

2.1.2 通過分析減數第一次分裂過程中染色體的行為變化，厘清減數分裂與遺傳的關系 具體見圖2。

圖2 減數分裂與遺傳的關系

2.1.3 通過比較生物可遺傳變異的三大來源，厘清有絲分裂和減數分裂與可遺傳變異的關系 具體見表1。

表1 細胞分裂與遺傳變異的關系

2.2 建構有絲分裂、減數分裂及受精過程中染色體和DNA數量變化規律的模型 有絲分裂將親代細胞的染色體經過復制之后，精確地平均分配到兩個子細胞中，在細胞的親代和子代之間保持了遺傳性狀的穩定性；減數分裂和受精作用對于維持每種生物前后代體細胞中染色體數目的恒定，對于生物的遺傳和變異都具有重要作用。

圖3 細胞有絲分裂和減數分裂及受精過程中染色體和DNA數量變化圖

通過對圖1、圖3模型的分析，加深理解核心概念：①在進行有性生殖的生物體中，遺傳信息由親代向子代的傳遞通過雄配子和雌配子完成；②有性生殖中基因的分離和自由組合使得子代的基因型和表現型有多種可能，并可由此預測子代的遺傳性狀；③當一個細胞中的基因發生改變，改變了的基因可被傳遞到由這個細胞分裂產生的細胞中；④只有發生在生殖細胞中的基因突變才可能傳給子代。

3 模型建構與典型例題結合，對“細胞增殖”專題核心概念的遷移運用

3.1 減數分裂中染色體的異常行為 結合分析異常配子基因型的成因，理解“在進行有性生殖的生物體中，遺傳信息由親代向子代的傳遞通過雄配子和雌配子完成”這一核心概念。

例1 一個基因型為AaXbY的雄果蠅經減數分裂產生了甲、乙兩個異常精細胞，精細胞甲的基因和性染色體組成為aYY，精細胞乙的基因和性染色體組成為AXbY。下列敘述不正確的是( C )

A．精細胞甲和精細胞乙不可能來自同一個初級精母細胞

B．與精細胞乙同時形成的另外三個精細胞都是異常精細胞

C．精細胞甲形成的原因是染色體在減數第二次分裂前多復制一次

D．精細胞乙形成的原因是X和Y 染色體在減數第一次分裂過程中未分離

圖4 細胞減數分裂過程中染色體和DNA數量變化圖

指導學生建構圖4所示的模型，依題分析可知：精細胞甲的基因和性染色體組成為aYY，說明在減數第二次分裂后期著絲點分裂后，兩條Y染色體移向細胞的同一極，而不是染色體多復制一次；精細胞乙的基因和性染色體組成為AXbY，說明在減數第一次分裂后期，同源染色體X和Y沒有分離，移向細胞的同一級；精細胞甲和精細胞乙在減數分裂過程中發生的染色體異常行為不同，不可能來自同一個初級精母細胞；與精細胞乙同時形成的另外三個精細胞都是異常精細胞，其基因和性染色體組成分別為AXbY，a，a。

3.2 細胞分裂與遺傳變異的關系 結合細胞分裂圖像和圖示信息進行分析，理解“在進行有性生殖的生物體中，遺傳信息由親代向子代的傳遞通過雄配子和雌配子完成；有性生殖中基因的分離和自由組合使得子代的基因型和表現型有多種可能，并可由此預測子代的遺傳性狀。”等核心概念。

例2 (2015天津理綜)低溫誘導可使二倍體草魚卵原細胞在減數第一次分裂時不形成紡錘體，從而產生染色體數目加倍的卵細胞，此卵細胞與精子結合發育成三倍體草魚胚胎。上述過程中產生下列四種細胞，下圖所示四種細胞的染色體行為(以二倍體草魚體細胞含兩對同源染色體為例)可出現的是( B )

通過分析細胞分裂圖像和圖示信息可知：由于草魚卵原細胞在減數第一次分裂時不形成紡錘體，初級卵母細胞不會發生同源染色體的分離；形成的次級卵母細胞含有同源染色體，在減數第二次分裂后期應含有8條染色體；次級卵母細胞正常進行減數第二次分裂，產生的卵細胞含有4條同源染色體；此卵細胞與精子結合發育成三倍體草魚胚胎，胚胎細胞在有絲分裂中期應有6條染色體，3個染色體組(每一形態的染色體有3條)。

(基金項目：2015年福建省中青年教師教育科研項目課題“模型建構在高中遺傳學核心概念教學中的案例研究”，項目編號：JAS151468，福建教育學院資助)