基于科學思維的“染色體變異”教學設計

彭菲菲

(江蘇省溧陽中學 溧陽 213300)

1 教材分析

高中生物學必修2《遺傳與進化》教材中，“染色體變異”既是前面所學細胞分裂、遺傳規律、DNA的結構與功能、基因概念和功能等知識的延續，也與基因突變和基因重組一起形成較為直觀而完整的知識體系，有助于學生對“遺傳和變異”的整體理解，也為之后學習生物育種、生物多樣性以及生物進化等知識奠定基礎。

本節內容的教學重點是染色體數目變異，難點是染色體組、二倍體、多倍體、單倍體的概念及其聯系，其中“染色體組”是本節課的核心概念，是學習其他概念的基礎和關鍵。理解了染色體組含義，才能正確理解依據染色體數目變異這一原理衍生出的單倍體育種技術和多倍體育種技術。

在這節內容的教學過程中，設計了一系列的探究活動，讓學生在學習過程中逐步發展科學思維，探討、闡釋生命現象及其規律。

2 教學目標

基于課程標準的內容要求、學業要求及學業質量標準，并圍繞培養學生核心素養的要求制訂了如下教學目標：

(1) 通過一系列探究活動，概述染色體組、二倍體、多倍體、單倍體的概念及其相互關系，說出多倍體育種和單倍體育種的原理及應用。

(2) 通過模型建構生成染色體組的概念，培養理性思維能力；通過概念轉換的學習，培養思維遷移能力；通過科學探究實驗，培養合作交流能力；通過銜接“STS”，培養應用知識解決實際問題能力。

(3) 通過思維的發展和內化，認同生命的多樣性與復雜性，激發對生命現象的探究意識；形成關注健康、關愛生命的社會責任感。

3 教學過程

3.1 創設問題情境，激發思維 展示一組無籽西瓜與普通西瓜的圖片，提問： 這兩種西瓜有什么不同？為什么有的西瓜天生就沒有種子？教師引導學生觀察這兩種西瓜的染色體組成，為什么會有這樣的變化呢？通過本節課“染色體變異”的學習我們就能洞悉其中的奧秘。

設計意圖： 聯系學生的實際生活，創設生活化的情境，激發學生的思維興趣，引發學生質疑、思考、提問，活躍課堂氛圍。

3.2 建構概念模型，發展思維 過渡： 在某些因素影響下，減數分裂會出現異常。例如，1932年美國科學家布里吉斯用X射線照射雌果蠅，得到了一些異常的卵細胞。小組活動模擬構建雌果蠅分別在以下三種情況下產生的卵細胞染色體組成模型： ①正常減數分裂；②同源染色體全部不分離；③Ⅳ號同源染色體不分離。

小組合作構建、展示模型，并由學生自評、互評、修改、完善模型(圖1)。

圖1 卵細胞染色體組成模型

設計意圖： 學生在動手構建模型的過程中獲得感性體驗，真正參與到減數分裂產生卵細胞的過程中；學生在合作與交流中思維相互碰撞，使學生在獲得感性材料的真切體驗中，理解整個動態過程，發展學生的科學思維。

3.3 通過問題討論，生成概念 觀察正常卵細胞染色體組成模型，小組思考討論以下問題： ①正常卵細胞中有哪幾條染色體？這些染色體在形態、大小和功能上有什么特點？它們之間有什么關系？②生物性狀由什么控制？卵細胞缺少一條染色體，能否正常控制生物性狀？為什么？③若卵細胞中的染色體稱為一個染色體組，那么雌果蠅體細胞中有幾個染色體組？④現在你能否構建染色體組的概念？嘗試分析我們構建的另外三種異常卵細胞中的染色體是否構成一個染色體組？為什么？

設計意圖： 設置環環相扣的問題鏈，學生互相討論，教師適當啟發、點撥，引導學生提煉出核心成分，主動生成“染色體組”的概念，并通過分析異常卵細胞染色體組成加深對概念內涵的理解，培養學生觀察與思考、歸納與概括的能力。

3.4 再構建概念模型，提升思維 這些卵細胞正常受精后形成的受精卵染色體組成有什么特點呢？再次構建這四種果蠅卵細胞與含X染色體的正常精子形成的受精卵中染色體組成模型。(圖2)

圖2 受精卵染色體組成模型

觀察正常受精卵模型，其發育成的個體有幾個染色體組？由此，生成二倍體的概念。再觀察同源染色體全部不分離產生的卵細胞受精后，形成的個體中有幾個染色體組，是幾倍體？根據二倍體概念中的核心詞，你能否類比推理出三倍體、多倍體的概念？

設計意圖： 按照建構主義學習理論進行概念轉換教學，在染色體組這個核心概念的基礎上，讓學生類比推理出新概念，提升思維遷移能力。

3.5 通過科學探究，活躍思維 展示圖片材料： 世界著名高原——帕米爾高原，多倍體植物種類的比例高達65%。為什么此地有那么多的多倍體植物？他們是怎么形成的？

學生討論分析、作出假設： 可能低溫誘導染色體數目加倍。如何設計實驗，驗證假設？請小組合作、簡要敘述實驗步驟，并預測可能的實驗結果。

視頻展示學生實驗的過程、結果(圖3)，由此得出結論： 低溫能誘導染色體數目加倍。

此時，教師進一步拋出探究問題： 低溫誘導染色體加倍的原理是什么？還有什么方法嗎？

設計意圖： 以情境材料激發學生的探究欲望，在設計探究實驗的過程中使學生思維高度活躍，掌握科學探究的思路和方法，形成合作精神和科學態度。

圖3 低溫誘導染色體加倍的實驗結果

3.6 通過猜測推理，思維碰撞 展示圖片： 普通玉米和“另類”玉米(植株弱小，高度不育)。“另類”玉米是怎么形成的？可能原因有哪些？(教師鼓勵學生大膽猜測，并給予高度贊賞)現對玉米進行細胞學鑒定(展示這兩種玉米體細胞的染色體組成圖)，你發現什么了？(“另類”玉米染色體只有體細胞的一半。)你能推測出“另類”玉米可能是由什么發育而來的嗎？

果真如此嗎？教師展示玉米子房受精和未受精情況下發育的示意圖，師生推測： 由受精卵發育得到的玉米是二倍體，而由配子發育成的玉米是單倍體。那么到底什么是單倍體？你能抓住核心詞，嘗試給它下個定義嗎？

觀察Ⅳ號同源染色體不分離形成的兩種卵細胞受精后形成的個體細胞中染色體組成，與正常果蠅相比，有什么特點？生成單體和三體的概念。

人體中會發生這種染色體數目變異的情況嗎？如果會，你猜測可能會產生什么后果？圖片展示21三體綜合征和性腺發育不良患者及其染色體組成，推測出染色體數目變異的另一種類型： 個別染色體數目增減。

教師總結： 個別染色體的增加或減少，打破了染色體組中遺傳物質的平衡，往往對生物性狀是不利的，呼吁學生對弱勢群體給予應有的尊重和盡可能的幫助。

設計意圖： 教師鼓勵學生質疑、猜測，欣賞學生個性化的理解和表達，與學生平等交流、思維碰撞，而不能把知識以定論的形式直接傳授給學生，這將不利于學生思維的磨練、智慧的提升和科學態度的形成。同時，讓學生樹立從個體到細胞、從宏觀到微觀的科學研究方法，實現由感性認識到理性認識的飛躍。

3.7 通過概念應用，內化思維 有了這些知識的鋪墊，是時候解開謎底了。為什么無籽西瓜沒有種子？再次展示無籽西瓜與普通西瓜的染色體組成。

思維拓展： 無籽西瓜品質好、能為農戶帶來更好的經濟效益，你能幫助農戶利用二倍體西瓜培育三倍體西瓜嗎？怎么培育？請分步設計育種方案。多倍體優勢顯著，而單倍體只有一個染色體組，高度不育，是不是一無是處呢？

教師強調： 單倍體本身直接被利用的價值不大，但在育種上卻有特殊的意義。現有基因型為Aa的玉米，如何快速獲得基因型為AA的玉米？

總結： 多倍體育種和單倍體育種在生產上滿足了人們的不同需求，創造了很多的作物新品種，為解決全球糧食問題做出了卓越貢獻。

設計意圖： 通過對多倍體和單倍體各自特點、成因、應用的學習，讓學生建立起科學的思維框架，內化思維，形成“STS”學習思路，同時激發學生關注社會和技術的情感及學以致用的意識。

3.8 構建思維導圖，總結概念 根據染色體組這一核心概念，完成染色體數目變異的概念圖(圖4)。

圖4 染色體數目變異的概念圖

教師留白： 今天我們學習的染色體數目變異僅屬于染色體變異中的一種類型，染色體還有什么變異類型嗎？我們下節課學習。

設計意圖： 本節課涉及的概念多且關系復雜，利用概念圖有利于學生梳理本節課的內容，同時又將變異在教材中的地位進行總結升華，有利于學生整體上構建知識網絡，形成思維導圖。

最后的留白，讓學生意猶未盡，激發下節課繼續學習的興趣。

4 教學反思

本節內容的教學中，將原本由教師講解的概念知識轉變為學生的模擬活動，充分發揮學生的主體性。通過構建卵細胞中染色體組成模型，結合設問討論，生成染色體組的概念，使學生真正體驗、感悟概念的內涵；運用建構主義學習理論進行概念的轉換，生成單倍體、二倍體、多倍體等新概念，培養學生知識生成、思維遷移能力；適當調整教材內容的呈現順序，即先生成概念，后學習概念的應用，有利于銜接“STS”教育，將染色體變異、育種與人體健康相聯系，加強理論與實際生活的聯系，培養學生應用知識解決實際問題的能力，激發學生熱愛生活和自然、關愛健康和生命的情感和社會責任感，發展生物學核心素養。