基于STEM教育理念的“減數(shù)分裂”模型制作

朱慧貞 吳存華

摘 要：STEM教育是典型的跨學(xué)科課程整合方式。本研究將STEM教育理念融入“減數(shù)分裂中染色體變化模型”的制作中，以生物學(xué)科為主線，創(chuàng)設(shè)工程情境，以科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)為輔，探索并建構(gòu)完整的“減數(shù)分裂中染色體變化模型”，培養(yǎng)學(xué)生的實踐操作和創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：STEM教育;高中生物;減數(shù)分裂;模型建構(gòu)

STEM教育是發(fā)展學(xué)生STEM素養(yǎng)的教育。2014年《國務(wù)院關(guān)于深化考試招生制度改革的實施意見》提出，要“規(guī)范高中學(xué)生綜合素質(zhì)評價，注重社會責(zé)任感、創(chuàng)新精神和實踐能力”。而STEM教育的核心目標(biāo)就是培養(yǎng)學(xué)生綜合利用多學(xué)科知識解決現(xiàn)實問題的能力。本研究將STEM教育理念融入“減數(shù)分裂中染色體變化模型”的制作中，以生物學(xué)科為主線，創(chuàng)設(shè)工程情境，以科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)為輔，探索并構(gòu)建完整的“減數(shù)分裂中染色體變化模型”，培養(yǎng)學(xué)生的實踐操作能力和創(chuàng)新能力，體現(xiàn)跨學(xué)科的、整合性的教育理念，在跨學(xué)科的學(xué)習(xí)氛圍中提升學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。

一、基于STEM教育理念的教材分析

“建立減數(shù)分裂中染色體變化的模型”是必修2第二章第1節(jié)模型建構(gòu)部分的實驗。該實驗是讓學(xué)生通過探究形成對減數(shù)分裂過程中染色體數(shù)目和行為變化的直觀印象。

下面對模型建構(gòu)實驗涉及的STEM知識進(jìn)行分析：科學(xué)——減數(shù)分裂的概念等;技術(shù)——借助于計算機(jī)設(shè)備，對減數(shù)分裂模型制作相關(guān)信息的搜索、整理和應(yīng)用;工程——制作減數(shù)分裂過程中染色體變化的模型;數(shù)學(xué)——減數(shù)分裂過程中染色體、DNA的數(shù)量變化。可以看出，模型建構(gòu)過程可將科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)有機(jī)整合，有利于學(xué)生形成科學(xué)的思維方式，并提升其科學(xué)探究能力，因此這部分內(nèi)容適合融入STEM教育理念進(jìn)行教學(xué)。

二、基于STEM教育理念的學(xué)情分析

了解學(xué)生是開展教學(xué)的基礎(chǔ)，下面從四個方面進(jìn)行學(xué)情分析：科學(xué)——學(xué)生在必修1中已學(xué)習(xí)過“細(xì)胞增殖”，已經(jīng)初步掌握了有絲分裂過程中染色體等的數(shù)量變化規(guī)律，具備了一定的知識基礎(chǔ)，但減數(shù)分裂更為復(fù)雜;技術(shù)——高二學(xué)生已具備基本的計算機(jī)操作技能，可查閱相關(guān)的基本資料與信息。但大多數(shù)學(xué)生對Microsoft Office PowerPoint軟件不太了解;工程——對于模型制作所需要的工程意識還需要教師進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)充與提示;數(shù)學(xué)——通過對有絲分裂過程的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)知道DNA復(fù)制、著絲點分裂對染色體數(shù)目的影響，這將為模型的建構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

三、基于STEM教育理念確定教學(xué)目標(biāo)

基于STEM教育理念分析應(yīng)達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)如下：（1）科學(xué)目標(biāo)：掌握減數(shù)分裂的概念及精子、卵細(xì)胞形成的過程;運用模型建構(gòu)的方法，模擬減數(shù)分裂過程中染色體數(shù)目和行為的變化;形成對立統(tǒng)一和發(fā)展變化的觀點。（2）技術(shù)目標(biāo)：運用計算機(jī)從網(wǎng)絡(luò)、媒體搜索減數(shù)分裂模型制作的資料;嘗試在計算機(jī)上制作減數(shù)分裂的動態(tài)模型。（3）工程目標(biāo)：制作完整的減數(shù)分裂中染色體變化模型;形成工程意識和思想。（4）數(shù)學(xué)目標(biāo)：分析細(xì)胞分裂過程中染色體、DNA的數(shù)量變化;運用一定數(shù)量的實驗材料模擬染色體的數(shù)目及行為變化;認(rèn)同數(shù)學(xué)與生物學(xué)科的緊密聯(lián)系。

四、基于STEM教育理念的“減數(shù)分裂”模型構(gòu)建

1.活動準(zhǔn)備

模型建構(gòu)活動旨在讓學(xué)生理解減數(shù)分裂過程中染色體數(shù)目和行為變化的規(guī)律，為了降低探究難度，將活動限定為只含有2對同源染色體的性原細(xì)胞的減數(shù)分裂過程。學(xué)生對此類實驗課有很濃厚的興趣，小組合作準(zhǔn)備的建模材料花樣繁多、豐富多彩。比如：毛線、彩色卡紙、瓜子皮、柳樹葉，松針葉、衛(wèi)生紙棒、油菜花、手工折紙、橡皮泥、一次性筷子等，充分展示出了學(xué)生突破思維定式、勇于創(chuàng)新的意識與品質(zhì)。

2.構(gòu)建有絲分裂中染色體數(shù)目和行為變化的模型

理解“有絲分裂過程中染色體數(shù)目和行為的變化”是構(gòu)建“減數(shù)分裂中染色體數(shù)目和行為變化的模型”的基礎(chǔ)。引導(dǎo)學(xué)生用準(zhǔn)備好的材料構(gòu)建“有絲分裂過程中染色體數(shù)目和行為的變化”，探究DNA復(fù)制及姐妹染色單體分開對染色體數(shù)目的影響，觀察各時期染色體形態(tài)的變化規(guī)律。

3.構(gòu)建減數(shù)分裂中染色體數(shù)目和行為變化的模型

引導(dǎo)學(xué)生借助有絲分裂模型猜想配子的形成過程。學(xué)生小組合作嘗試進(jìn)行實踐探索，認(rèn)識到這是一種使細(xì)胞中染色體數(shù)目減半的新的細(xì)胞分裂方式。通過展示資料：美國遺傳學(xué)家薩頓提出“同源染色體在減數(shù)分裂時，以配對形式聯(lián)合，再彼此分離”。小組合作繼續(xù)探索，進(jìn)一步完善減數(shù)分裂的染色體變化模型，繼而根據(jù)有絲分裂中染色體的行為變化，推測減數(shù)第二次分裂中的染色體行為變化。最終形成完整的減數(shù)分裂染色體變化模型，并進(jìn)行交流展示。

4.構(gòu)建減數(shù)分裂中染色體變化的動態(tài)模型

對于部分計算機(jī)操作水平較高的學(xué)生，在教師的指導(dǎo)下運用Microsoft Office Pow-erPoint軟件，嘗試進(jìn)行減數(shù)分裂中染色體變化的動態(tài)模型制作，以便使微觀、抽象的染色體的行為變化更加直觀、形象，也更能夠提升學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感，激發(fā)學(xué)生對生物學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣，體會計算機(jī)技術(shù)與生物學(xué)科的緊密聯(lián)系，有利于科學(xué)的思維方式的養(yǎng)成。

通過上述基于STEM教育理念的“減數(shù)分裂”模型構(gòu)建活動，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)的興趣。整個建構(gòu)活動中，學(xué)生積極參與，始終處于動腦、動眼、動手、動口的狀態(tài)，構(gòu)建的模型完整、生動、形式多樣、各有特色、不拘一格。充分發(fā)揮了學(xué)生的主體作用，提升了學(xué)生在工程思維、技術(shù)習(xí)得以及語言表達(dá)等方面的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣學(xué)琴.基于STEM教育理念的高中生物學(xué)教學(xué)設(shè)計與實踐研究[D].福建：閩南師范大學(xué)，2018.

[2]仲嬌嬌.STEAM教學(xué)活動設(shè)計與應(yīng)用研究[D].上海：華東師范大學(xué)，2018.

作者簡介：朱慧貞（1988—），女，漢族，甘肅定西，碩士研究生，一級教師，主要從事高中生物教育教學(xué)。吳存華（1987—），男，漢族，甘肅定西，碩士研究生，一級教師，主要從事高中數(shù)學(xué)教育教學(xué)。

注：本文系2018年甘肅省“十三五”教育科學(xué)規(guī)劃課題《高中生物學(xué)跨學(xué)科知識教學(xué)的實踐研究——以必修1為例》階段性研究成果。課題立項號：GS[2018]GHB0930。

編輯 王彥清