基于發展學生生物學核心素養的“減數分裂”一課的教學設計

余紅月

(福建省廈門大學附屬科技中學 廈門 361005)

1 教材分析與設計思路

“減數分裂”是人教版高中生物學教材必修2第2章第1節“減數分裂和受精作用”中第1小節內容，主要介紹減數分裂概念及配子的形成過程。本節內容是在學生學習了細胞的有絲分裂基礎之上進行的，是對有絲分裂知識的延伸和擴展，也是學習遺傳變異的基礎。減數分裂的概念及精子形成過程是本節的教學重點，而基于生物學事實和證據進行歸納、推理、模型與建模等是本節重點落實的科學思維目標。由于減數分裂是微觀、動態、連續變化的過程，因此，染色體形態、數目和位置的變化規律成為理解減數分裂過程的重難點。

筆者在“減數分裂”教學實踐中，首先充分運用生物科學史創設真實情境、提供證據，引導學生進行分析、論證并形成生成性問題，由問題進一步促進學生舉證和推理，層層深入，進而深刻理解配子形成過程中染色體數目及行為變化；然后引導學生建構多種模型，以闡明減數分裂形成配子的過程，并運用模型和數學計算闡明配子的多樣性；最后通過對21-三體綜合征的討論實現知識的遷移應用。整個教學過程力求讓學生主動學習、真正學習，訓練科學思維。

2 教學目標

依據課程標準并圍繞培養學生核心素養的要求，制訂下列課時教學目標：

(1) 通過學習有性生殖的生物體配子形成中的減數分裂過程和染色體行為，形成遺傳信息傳遞的相對穩定性和生物多樣性的觀點。

(2) 通過學習科學史中科學家的觀察、推論和實證的范式，提高學生基于實證的推理能力；通過運用模型和數學計算學習在減數分裂過程中的染色體的變化等行為，提高科學思維和科學探究能力。

(3) 通過學習運用模型解釋某些人類遺傳病的形成原因，關注人體健康，落實社會責任。

(4) 通過“討論與交流”教學活動，提高“樂于探究”“善于交流”及“敢于質疑”的學習品質。

3 教學過程

3.1 問題引導，史料為證，用推理與實證導入課題 問題情境導入： 遺傳定律描述配子形成中基因傳遞規律，從細胞學角度，配子產生方式及過程是怎樣的？

進一步問題引導： ①細胞通過分裂產生，已學習的細胞分裂的方式有哪些？②有絲分裂的主要特征及意義是什么？③根據已有知識，你認為進行有性生殖生物是通過何種方式形成配子的呢？你是如何推理的？目前有何證據支持你的觀點？

在學生回答基礎上，提供史料補充背景知識： ①1883年，比利時的細胞學家貝爾登觀察到馬蛔蟲的受精卵中，染色體的數目為4條，而卵子與精子中的染色體數則都為2條[1]。②1887年，魏斯曼系統地總結了前人及自己實驗室對極體的研究結果： 雖然極體與卵細胞比起來，在大小上差別甚大，但實質上它們和卵細胞一樣，是卵母細胞分裂的結果。卵母細胞成熟形成極體的意義，就在于使卵中的染色體數目減半。并推論在精子形成的過程中存在著同樣的過程，這是最早預言減數分裂的存在[1]。

問題引導： 要弄清減數分裂的完整過程，主要問題是如何將減數分裂的各個時期排出個先后順序來。對此，你有怎樣的思路？

提供史料： 1900年，馮·溫尼沃爾特想了一個很巧妙的方法。他取出生一天、一天半、兩天……一直到28天的雌性小兔，解剖出卵巢，觀察比較卵母細胞中染色體的動態。如果剛出生的小兔卵巢中的分裂相為A，出生兩天的分裂相為AB，而出生四天的是ABC……顯然，這幾種分裂相出現的順序是A、 B、 C。就這樣，他用這樣的辦法確定了減數分裂早期的一系列分裂相。

設計意圖： 目標為導向，問題為手段，交流為平臺，運用演繹推理，讓學生自主得出結論，并且讓學生明確科學是創造性的工作，光有大膽猜測是不夠的，還必須依賴于觀察和實證。

3.2 運用生成性問題和資料分析，厘清染色體行為的變化 問題①： 減數分裂形成的子細胞中具有怎樣的一半染色體？染色體數目如何減半？

提供資料并講述： 展示人及果蠅體細胞和配子的染色體圖，說明同源染色體、非同源染色體、染色體組等概念及其關系，并讓學生用毛根玩具進行模擬。然后請學生闡述自己對前述問題的解釋。

問題②： 你能推測同源染色體為何能準確分離嗎？

提供資料并分析： ①Montgomery(1901)做了大量觀察，他發現有一個物種，2n=14，染色體間的大小差異很大。實驗中觀察到染色體兩兩配對現象。如果配對是在父本染色體間或母本染色體間進行，會有此結果嗎？據此說明染色體的配對關系應是怎樣的？②提供染色體聯會的照片和示意圖，說明染色體的聯會及交叉互換現象。

問題③： 減數分裂中，同源染色體向哪一極移動是隨機的嗎？

提供資料并分析： 1903年，薩頓創造性提出： 在減數分裂后期，同源染色體“隨機分離”。但薩頓在當時并沒有充分的證據證明這一假設[1]。從遺傳學的角度來說，你認為薩頓的依據和推理是什么？如何用實驗證明薩頓的假設？

提供資料并分析： 1913年，Carother發現笨蝗細胞中有一對同源染色體大小不等，而雄蝗蟲的性染色體(X染色體)僅一條，減數分裂時，這條染色體只能待在一極。Carother統計了300多個后期的細胞，發現X染色體與那對大小相異的同源染色體的組合，接近1： 1[1]。這能說明什么呢？其意義是什么？

設計意圖： 運用生成性問題層層引導，結合實驗的論證，讓學生深刻理解減數分裂的主要特征，培養學生基于實證的推理能力，在情境與問題解決中建構概念。

3.3 建構多種模型，交流討論，促進知識結構化 在教學中可分別建構概念模型、物理模型和數學模型。

3.3.1 概念模型的建構 問題引導： 根據前述分析，減數分裂的本質變化是什么？染色體的復制發生在什么時候？同源染色體分離，形成兩個子細胞，減數分裂結束了嗎？隨后染色體會怎樣變化？你能闡明減數分裂這一概念嗎？請準確描述MⅠ和MⅡ的主要特征。

教師運用減數分裂視頻進一步說明減數分裂過程，展示哺乳動物精子和卵細胞的形成示意圖，讓學生闡述精子和卵細胞的形成過程及兩者的異同點。

設計意圖： 將教材內容后置，在學習背景知識的基礎上，形成概念，讓學生知道知識從何而來，從而領悟本質。

3.3.2 建立減數分裂中染色體變化的物理模型 任務： ①以兩對同源染色體為例，以每個小組為單位，用毛根玩具模擬染色體，并用小段吸管代表著絲點，模擬減數分裂中染色體數目及主要行為的變化；②用圖畫繪出典型時期模式圖。

表達與交流： ①與其他小組交流建構模型的過程和結果。②你對小組分享的模型有何疑問？怎樣修訂本組模型？③人的體細胞中有23對同源染色體，那么人在形成精子或卵細胞時，可能產生多少種類型的配子呢？理由是什么？這對于生物多樣性的形成有什么意義？

設計意圖： 將教材模擬建構活動提前，通過學生的交流討論，實現真實學習，形成科學思維。

3.3.3 數學模型的建構 任務： 完成精原細胞形成精子過程中染色體數目變化表及變化圖。

設計意圖： 將教材中的技能訓練提前，讓學生建構不同模型，深刻領悟模型方法。

3.4 拓展延伸，關注生命健康，實現知識情境化 情境： 21-三體綜合征又叫先天愚型，是一種常見的染色體病。患者的智力低下，身體發育遲緩。對患者進行染色體檢查，一般可以看到患者比正常人多了一條21號染色體。

問題： 這種遺傳病形成的直接原因是什么？理論上，患者可形成的配子類型有幾種？研究發現，母親年齡過高(35歲以上)、過小(20歲以下)均是導致21-三體綜合征發生的危險因素，亦有報道與父親的年齡過高也有關。對此，你有何認識？學生交流討論后，教師總結評價。

設計意圖： 用問題促進學生思考，既鞏固知識，又引導學生關注生命健康，勇于承擔社會責任。

4 教學反思

本節課依據教學目標對教材進行處理，充分運用科學史和模型建構，讓學生在模擬的具體情境中探究學習，如分析實驗得出結論，嘗試提出問題，思索實驗方案，學習建模并用模型解決實際問題等。整個教學活動能促進學生在理解重要概念的同時學會科學思維，理解科學的本質，從更高角度去認識生命世界，解釋生命現象。