基于理性思維培養(yǎng)的有絲分裂實驗設計

李 佳

(首都師范大學生命科學學院 北京 100048)

郭琪琦

(廣東省深圳市第二實驗學校 518021)

1 問題的提出

“觀察根尖分生組織細胞的有絲分裂”是人教版高中生物學教材必修1《分子與細胞》的實驗，實驗的目的是通過對細胞分裂圖像的觀察，識別有絲分裂的不同時期，并比較細胞周期在不同時期的時間長短。然而，由于該實驗操作過程比較復雜，解離、漂洗等操作的處理時長不易掌控，學生實驗的結(jié)果往往并不理想，難以在視野中找到處于各個時期的清晰的細胞圖像，進而影響對細胞周期的深入研究。而且，學生在之前的“觀察DNA和RNA在細胞中的分布”“用高倍鏡觀察葉綠體和線粒體”、“質(zhì)壁分離及復原的觀察”等實驗中，已經(jīng)掌握了制作臨時裝片的基本方法，并做過兩次染色實驗，再在“觀察根尖分生組織細胞的有絲分裂”實驗中制作臨時裝片，屬于同一實驗操作技能的重復，既不利于學生的多種核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，也容易導致學生對實驗失去興趣。

美國《新一代科學教育標準》將“建立和使用模型”“分析和解釋數(shù)據(jù)”列入能夠促進學生理解學科核心概念的核心科學實踐活動[1]。我國2017年頒布的“普通高中生物學課程標準”將培養(yǎng)學生的理性思維作為生物學科的核心素養(yǎng)之一，其中運用圖示或模型等方式表達闡明生物學規(guī)律屬于較高水平的理性思維。因此，培養(yǎng)學生包括數(shù)學方法和模型方法的理性思維就顯得尤為重要[2]。在“觀察根尖分生組織細胞的有絲分裂”實驗中通過建立和使用模型去識別觀察到的細胞圖像，通過估測細胞周期的持續(xù)時間來訓練學生分析和解釋數(shù)據(jù)的能力，更能夠發(fā)揮該實驗在培養(yǎng)學生理性思維方面的功能。

基于此，本文借鑒美國主流生物學實驗教材[3]，用根尖細胞有絲分裂固定裝片替代學生的自制裝片，以培養(yǎng)學生理性思維為目的，對人教版有絲分裂實驗進行優(yōu)化設計。

2 有絲分裂實驗設計

本實驗分為兩部分：實驗一建立數(shù)學模型有絲分裂樹，讓學生利用有絲分裂樹對有絲分裂過程進行識別和分析，數(shù)學模型的運用可以將感性的經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為理性的分析；實驗二估測細胞周期的持續(xù)時間，在人教版實驗的基礎上，對實驗數(shù)據(jù)的收集和處理進行了細化和深化，以提高學生收集和處理數(shù)據(jù)的能力。

2.1 實驗一：識別有絲分裂的各個時期 用圖1中的有絲分裂樹去識別圖2中細胞周期的不同分裂時期。

圖1 有絲分裂樹

圖2 識別細胞周期的不同分裂時期

2.2 實驗二：估測細胞周期的持續(xù)時間 觀察細胞有絲分裂固定裝片，從裝片中可以觀察到很多細胞正處于某一分裂時期，也可以觀察到處于有絲分裂各個時期的細胞數(shù)目。用以上數(shù)據(jù)可以估測細胞周期中各時期的相對持續(xù)時間。

(1) 學生獨立進行實驗。每個人使用的材料有：一個洋蔥根尖細胞有絲分裂固定裝片和一臺復式顯微鏡。用高倍鏡觀察裝片。將視野對準洋蔥根尖部分，洋蔥根尖中會有許多細胞正在進行有絲分裂。老師幫助學生學會如何確定裝片的最佳視野。

(2) 利用洋蔥根尖細胞有絲分裂的各個時期的裝片，計算視野中處于不同分裂時期的細胞數(shù)目。將結(jié)果記錄在表1。

(3) 對步驟(2)進行兩次重復實驗(這樣會得到3個不同視野中洋蔥細胞的總數(shù)目)，將2次實驗的結(jié)果都記錄在表1。

(4) 計算每個視野中的細胞總數(shù)，并將結(jié)果記錄在表1。

(5) 計算細胞周期各時期細胞數(shù)目占的百分比。①計算5個階段細胞數(shù)目之和。細胞總數(shù)=間期+前期+中期+后期+末期；細胞總數(shù)=________。②分裂間期的細胞數(shù)目除以第一步計算得到細胞總數(shù)，然后乘以100。(間期細胞數(shù)/細胞總數(shù))×100 =________%。③用第二步的方法計算剩余四個階段的細胞數(shù)目占細胞總數(shù)的百分比。將結(jié)果記錄在表1。

(6) 用表1的數(shù)據(jù)回答下列有關(guān)各個細胞分裂時期的時間長短的問題。你認為哪個時期最長？你認為哪個時期最短？你認為哪些階段的時長大致相同？如果有的話，將這些時期列出。

表1 細胞周期觀察結(jié)果

(7) 表2中有洋蔥細胞周期各個分裂時期時長的實驗數(shù)據(jù)，你的計算結(jié)果和這些數(shù)據(jù)是否相符？回答并解釋。

表2 洋蔥細胞周期中各分裂時期時長的實驗結(jié)果

3 實驗分析

3.1 實驗注重培養(yǎng)學生建立和使用模型解決問題的能力 實驗一利用數(shù)學決策樹對有絲分裂的過程和知識進行梳理，建立了有絲分裂樹模型，將感性的經(jīng)驗和現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為理性的分析。學生在使用模型識別有絲分裂時期的過程中，建模解決問題的意識會滲透到學生的頭腦中，有助于學生學習如何建立模型解釋生物學現(xiàn)象，拓寬學生解決問題的思路，提高學生的理性思維。

另外，有絲分裂不同階段的識別歷來是高考重點之一。學生對該部分內(nèi)容的學習多為對文字描述內(nèi)容的識記。格式塔心理學早已證明學習中掌握關(guān)系的重要性，意義識記要比機械識記效果好得多[4]。實驗一利用有絲分裂樹識別有絲分裂的不同時期，使有絲分裂的過程非常清晰，一目了然。顯然，相較于堆積的文字，有絲分裂樹更有利于學生快速準確地提取信息，便于學生理解和記憶。

3.2 實驗注重培養(yǎng)學生收集、處理和解釋數(shù)據(jù)的能力 實驗二估測細胞周期的持續(xù)時間將重點放在培養(yǎng)學生收集、處理和解釋數(shù)據(jù)的能力，旨在加強學生理性思維的培養(yǎng)。因此，實驗二對人教版實驗做出了以下改進：①人教版實驗觀察的樣本數(shù)為兩組，本實驗讓學生觀察3個顯微鏡視野中的處于不同分裂時期的細胞個數(shù)，這符合生物科學研究中至少做3組重復實驗的原則，可以減小誤差，使實驗數(shù)據(jù)更加準確。②人教版實驗僅要求學生回答處于哪個分裂時期的細胞最多，而本實驗則讓學生對數(shù)據(jù)有了更全面的分析，找出了持續(xù)時間最長和最短的時期，并比較了持續(xù)時間相近的時期。③本實驗給出了經(jīng)反復驗證過的洋蔥細胞周期中各分裂時期時長的實驗數(shù)據(jù)，讓學生用自己的數(shù)據(jù)和該數(shù)據(jù)進行比較，分析自己獲取數(shù)據(jù)成敗的原因。加深了學生對數(shù)據(jù)獲取過程的思考和解釋。

3.3 實驗步驟詳細，可操作性更強 人教版實驗也讓學生估測細胞周期的持續(xù)時間，但是教材內(nèi)容過于簡潔，沒有引導學生全面地獲取數(shù)據(jù)，以及深入地分析解釋數(shù)據(jù)。因此，本實驗設計對步驟進行了細化，逐步引導學生收集和分析數(shù)據(jù)，使之對學生更有指導意義，正確而必要的指導可以增加學生的實驗成功率，提升學生的成就感和學習興趣。

綜上所述，本文設計的有絲分裂實驗將實驗教學的重點轉(zhuǎn)移到了培養(yǎng)學生的理性思維上。在高中生物學實驗教學中，讓學生建立和使用模型，分析和解釋數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了生物學科的科學性，符合高中生的心理特征和認知水平，能夠培養(yǎng)學生的理性思維。且實驗設計增強了可操作性，有助于培養(yǎng)學生的實驗興趣。