利用物理模型，突破“減數分裂”教學難點

曹琰娣 李韶山

(華南師范大學生命科學學院 廣州 510631)

“減數分裂”是人教版高中生物學教材必修2《遺傳與進化》的重難點，也是高中生物學的重要內容。這部分內容是在必修1《分子與細胞》的基礎上進行的，學生有一定的細胞學知識。通過學習“減數分裂”這一節內容，學生能夠認識高等生物有性生殖的細胞學基礎，為后續學習遺傳與變異、生物進化奠定基礎。因此，這節教學內容在高中生物學中具有舉足輕重的地位。

大多數教師在講授減數分裂這一節時，偏向于借助PPT播放減數分裂動畫，演示減數分裂的過程。這一做法便于教師將各個階段的染色體行為生動形象地向學生展示，但是動畫放映往往一閃而過，學生只運用到眼、耳、腦，并沒有切實體驗染色體在各個階段的行為變化。本文嘗試在減數分裂的教學過程中，以實物做染色體物理模型，改用動畫演示和物理模型相結合的方式，能提高學生的課堂參與度，鍛煉學生的思維，提高教學效率。

1 利用物理模型突破減數分裂相關概念

1.1 同源染色體與非同源染色體 教材中對同源染色體的定義是：“配對的兩條染色體，形態和大小一般相同，一條來自父方，一條來自母方。”僅僅通過文字描述，學生在碰到有絲分裂和減數分裂的圖形依舊不能正確辨別，其根本原因在于對同源染色體和非同源染色體的概念理解不透徹[1]。教師可利用紅色和橙色的軟磁片(紅色代表來自父本的染色體，橙色代表來自母本的染色體)剪成染色體模型并將之放到不同的細胞中(圖1)，讓學生依據教材上同源染色體的概念在圖1的A、 B、 C、 D中判斷哪個有同源染色體，待學生選擇A和C后提問：“選擇A和C的原因以及為什么不選B和D？”并重點介紹C，引出有絲分裂過程中也有同源染色體，只是同源染色體不進行配對、聯會等行為。隨后提問：“X染色體和Y染色體的形態大小相同嗎?它們是同源染色體嗎?”借這些問題來突出概念中的形態、大小一般相同，排除學生對同源染色體形態、大小一定相同的認知誤區。

圖1 同源染色體的識別

1.2 聯會與四分體 將配對的同源染色體看成一個整體(圖2)，引出同源染色體兩兩配對的現象叫聯會。并讓學生分析這一整體含有幾條染色體？幾條染色單體？借學生的思考，指出四分體是因聯會后同源染色體含有四條染色單體而得名。

圖2 減數第一次分裂過程中四分體的形成

1.3 交叉互換 教材中以圖片的形式展示交叉互換，學生往往還不能完全理解。教師可講述四分體中非姐妹染色單體交叉互換的現象后，隨堂讓學生利用四分體模型演示交叉互換的過程(圖3)。該設計不僅能讓學生親自體驗何為非姐妹染色單體交叉互換，而且為后續學習配子的多樣性以及生物的多樣性提供理論支點。

圖3 非姐妹染色單體交叉互換

2 利用物理模型突破減數分裂過程

2.1 減數分裂各個時期染色體的行為變化 減數第一次分裂的前期、中期、后期的染色體行為變化是減數分裂教學過程中的重點，傳統的教法是邊講授邊播放動畫。教師在播放動畫演示后，可讓學生用染色體模型在黑板上演示各個時期染色體的行為，這將有利于幫助學生理解減數第一次分裂后期同源染色體移向兩極的隨機性(圖略)。

可以某種生物的卵原細胞(2n=4)為例，讓學生依據減數分裂的過程，利用模型展示該生物次級卵母細胞理論上染色體可能出現的組成情況。當體細胞含有2對同源染色體時，理論上配子有22種情況(圖略)，由此推演人類染色體的來源和組成問題，即人的23對染色體中，是由來自父本的23條和來自母本的23條組成，由于同源染色體在減數第一次分裂后期的分離具有隨機性(可以移向兩極中的任何一極)，因此每一個人的配子理論上有223種染色體組合的可能性。減數分裂過程中涉及的非姐妹染色單體交叉互換，同源染色體分離及非同源染色體自由組合保證了配子染色體的多樣性，是開展生命教育的良好材料。

2.2 染色體、DNA、染色單體的辨別 教師可展示復制前和復制后的染色體模型(圖4)，由于染色體復制的實質是DNA復制，因此可引導學生利用著絲點的數量來判斷染色體的數量，即同一著絲點連有兩條DNA便有姐妹染色單體，一個著絲點連一個DNA分子便無染色單體。隨后拿出多個染色體模型，讓學生看實物分別說出所展示的模型含有幾條染色體、幾條DNA、幾條染色單體。

圖4 染色體復制前(左，無染色單體)染色體復制后(右，兩條染色單體)

2.3 人類卵細胞和精子的形成 人類卵原細胞(22對常染色體+XX)和精原細胞(22對常染色體+XY)是一類特殊的體細胞，它們不僅能通過有絲分裂來增殖自身的細胞數量，而且能通過減數分裂產生生殖細胞(配子)，這是其他體細胞不具有的特征。每一個卵原細胞通過減數分裂產生1個卵細胞(22條常染色體+X)和3個極體(最終會解體消失)。精原細胞通過減數分裂得到4個精細胞(兩種類型)，即2個精細胞里染色體組成是22條常染色體+X，另2個精細胞里染色體組成是22條常染色體+Y。最后四個精細胞通過變形形成兩種類型的精子。

人類的體細胞(2n=46)在配子形成過程中，來自親本的染色體有223種組合方式；加之在減數第一次分裂的四分體時期非姐妹染色單體的交叉互換，由此保證了配子從親本繼承了全部的遺傳物質，同時又與親本保持一定的變化；由此實現親代與子代的遺傳與變異。