基于類比推理與模型構建的“細胞的增殖”(第1課時)教學設計

李小玲

(山東省東營市第二中學 東營 257000)

1 教材分析及設計思路

人教版“細胞的增殖”是《生物·必修1·分子與細胞》第6章第1節的內容，主要包括細胞周期、有絲分裂及意義、無絲分裂等。在分析各知識點之間聯系的基礎上結合教學實際對教材內容進行重組整合，選取“植物細胞有絲分裂過程及意義”作為第1課時。學生在第3章已學習了細胞核的結構和功能，對染色體、染色質和DNA的關系有了一定程度的認識，但理解有絲分裂這一微觀動態過程仍然困難，為有效突破重難點，以有絲分裂過程中染色體行為變化為主線，通過學生活動、史料分析并巧用類比推理法等引導學生構建染色體行為變化的概念模型、物理模型、數學模型，環環相扣地指引學生主動構建知識體系，參與知識形成的過程，在教學過程中落實生物學核心素養，有效實現本節課教學目標。

2 教學目標

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

(1) 通過對有絲分裂過程中遺傳物質先復制后平分這一規律的認識，理解細胞親子代之間遺傳信息的一致性，領悟生命的延續性。

(2) 通過學生活動，分析有絲分裂發現過程的科學探究史，提高分析、歸納、提取信息的能力；通過構建模型，說明有絲分裂過程中染色體行為的變化，鍛煉動手能力、抽象思維能力，發展科學思維。

(3) 通過觀察圖片、分析表格，能說出細胞周期的概念，理解分裂間期的存在意義，認識生命的形成是一個發展變化的過程，形成生命觀念。

3 教學過程

3.1 創設情境，導入新課 觀看《人類胚胎發育過程》微課，提出問題：“細胞通過什么方式進行增殖？”從微課視頻可知，通過分裂增殖，真核細胞進行分裂的方式有三種： 有絲分裂、無絲分裂和減數分裂。由此引出本節課題——有絲分裂。

設計意圖： 通過微課視頻，讓學生感受生命的神奇，概括出個體的發育離不開細胞的分裂及分化，快速引出本節課題。

3.2 溫故知新，借助物理模型厘清染色質(體)、DNA與染色單體間數量關系 引領學生回顧相關知識： ①在細胞分裂過程中，細胞核內的遺傳物質先經過復制，然后平均分配到兩個新細胞中，使新細胞內的遺傳物質與親代細胞保持一致；②遺傳物質的載體是染色質(體)；③染色質和染色體是同種物質在不同時期的兩種存在狀態；④染色質(體)的主要成分是DNA和蛋白質。

借助染色質的物理模型(帶孔磁釘與扭扭棒)補充新知識： ①著絲粒的個數等于染色質(體)條數；②染色質復制實質是DNA的復制；③DNA復制后一個著絲粒上連著兩條完全相同的單體，稱為姐妹染色單體；④復制后的染色質螺旋化縮短變粗形成染色體。在補充知識的過程中厘清染色質(體)、DNA及染色單體之間的數量關系(表1)。

表1 染色質(體)、DNA及姐妹染色單體之間的數量關系

設計意圖： 借助1條染色質的物理模型模擬DNA的復制及染色質螺旋化過程，克服對微觀結構認識的困難，幫助學生增加感性認識，為學生在舊知與新課之間搭建學習的橋梁，引導學生把握染色質、染色體、著絲粒、姐妹染色單體、DNA復制這幾個概念及其內在聯系，并借助表格進行總結，利于學生在短時間內理解并掌握這幾個概念及其數量關系。

3.3 巧用類比推理法，構建概念模型 姐妹染色單體會隨著絲粒的分裂而分開，由此拋出第一個問題： 姐妹染色單體是在螺旋化之前還是之后分開？借助限時游戲——拆分線團尋找靈感： 提前準備A、 B兩組線團，每組均由兩條完全相同的毛線構成，A組散亂分布，B組纏繞為棒狀。由兩名學生上臺展示該游戲。顯然，纏繞好的線團更易區分，引導學生得出散亂的毛線類似染色質，纏繞好的線團類似染色體，據此現象提出問題，巧用類比推理法作出推論，結合史料分析進行驗證，最終得出結論(表2)，并以一條染色體為例，初步構建出有絲分裂過程中染色體行為變化的概念模型，進行總結。繼而拋出第二個問題： 你能預測染色體均分時的形態嗎？通過觀看視頻，分析著絲粒受力情況，得出染色體的兩條臂朝向細胞中央的位置，進而完善概念模型。

表2 類比推理法構建概念模型

設計意圖： 科學思維是生物學核心素養的重要內容，而推理、模型、歸納、概括等均屬于科學思維的重要方法。該環節以兩組毛線表征染色質(體)，引導學生根據兩者間的一致性，進行類比推理。但類比推理得出的結論并不具有邏輯的必然性，為此教師提前準備有絲分裂發現過程的科學探究史，以便學生檢測推論、得出結論，讓學生體驗類比推理的思維過程及一般流程，這不僅有助于培養學生的推理能力，也有利于學生形成尊重事實和證據的科學精神，養成嚴謹務實的學習態度，促進學生生物學學科核心素養的提升；在得出結論的同時構建出有絲分裂過程中1條染色體行為變化的概念模型，將隱性的知識具體化、形象化，便于學生快速而準確的理解。

3.4 動靜結合，構建物理模型 展示高等植物細胞有絲分裂各時期的靜態圖片，再借助視頻動態地呈現有絲分裂過程。學生通過自主閱讀教材相關段落并結合視頻總結各時期的特點，之后運用自學知識判斷前面展示的有絲分裂的靜態圖各處于什么時期，檢測并反饋學生自學情況。為了更直觀、深刻的理解有絲分裂，引導學生利用教具(扭扭棒、帶孔磁釘、磁板等)分小組制作高等植物細胞有絲分裂各時期染色體行為變化的物理模型，并用白板筆畫出核膜、核仁、細胞板等結構，建模完成后各小組派代表將本組作品吸附于黑板(具有磁性)進行展示、解說，其他同學評價、補充，共同完善模型。圖1為學生構建的物理模型。

圖1 學生構建的有絲分裂各時期染色體行為變化物理模型

設計意圖： 物理模型的構建、展示和解說可作為抽象知識學習的有效手段，它具有直觀、形象、生動等特點，能幫助學生在短時間內理解知識，為運用知識奠定基礎。有絲分裂知識點抽象、瑣碎，通過引導學生運用建模、歸納等方法，以學生的視角呈現有絲分裂各時期的特點，在此過程中，學生不僅需要與他人合作動手操作、動腦思索，還需要不斷地在腦海中重復相關知識點，主動地構建、修正、完善知識體系，參與知識的形成過程，潛移默化地深化了對知識的學習，體驗了由抽象到具體的思維過程，并在探索中體會到建模的方法。該教學過程不僅注重學生實踐，也注重實證精神，本環節中展示的照片、視頻及建模均以生物學事實為依據，這有利于養成學生重實證、嚴謹的求知態度，在學習過程中發展科學思維。

3.5 結合物理模型，構建數學模型表征染色體、DNA及染色單體數目變化 引導學生觀察物理模型，思考下列問題： ①數一數各個時期染色體、核DNA、每條染色體上的DNA、姐妹染色單體的數目，統計于表3；②建立坐標系，以折線圖形式(數形轉換)表示模型中有絲分裂各時期染色體、DNA和姐妹染色單體的數目變化；③分析各拐點變化的原因；④觀察比較有絲分裂前后染色體、DNA和染色單體的數量關系，闡明有絲分裂的重要意義；⑤將數學模型類比推理至二倍體真核生物。

表3 物理模型中染色體、DNA、姐妹染色單體數目

設計意圖： 以物理模型為切入點，引導學生根據表3對模型進行加工、對比、分析，將其轉化為數學模型，體會由具體到抽象的思維過程，深層次領悟有絲分裂本質；分析各拐點原因后得出分裂后期由于著絲粒分裂導致染色體數目加倍，分裂間期由于DNA復制導致DNA數目加倍；比較親子代細胞中染色體、DNA等數目變化，理解有絲分裂的意義是保持細胞親子代之間遺傳性狀的穩定性；引導學生舉一反三，順利地將數學模型遷移至二倍體真核生物。此過程中學生體驗到有絲分裂前后細胞內結構的一致性，利于養成透過現象看本質的思維品質。

3.6 趣味接龍，學習細胞周期 通過判斷圖示細胞(圖略)所處時期并進行排序，闡明新形成的子細胞大多會進行下一次分裂，像這樣連續分裂的細胞，從一次分裂完成時開始，到下一次分裂完成時為止，稱為一個細胞周期。安排以下學習任務： ①觀察顯微鏡下洋蔥根尖細胞有絲分裂的圖片，比較視野中處于分裂間期、分裂期的細胞數目的多少，思考其原因和意義是什么；②其他細胞中有無類似現象，結合教材表6-1進行分析，還能從表格中獲取哪些信息？

設計意圖： 識圖及排序不僅能鞏固所學知識，也能反饋學生學習情況，并根據子細胞行為導出細胞周期概念；通過觀察、分析顯微鏡下洋蔥根尖有絲分裂圖片可得出細胞周期的大部分時間處于分裂間期，意義是為分裂期進行活躍的物質準備；分析不同細胞的細胞周期持續時間，提高學生的識圖能力、分析表格能力、從表格中讀取有效信息的能力，逐步發展終身學習的能力。

3.7 通過板書，總結提升、完善知識體系 通過板書(圖2)，以細胞周期概念串聯起所學知識，并引導學生將本節課構建的概念模型、物理模型和數學模型結合起來，師生共同構建細胞增殖知識體系，從整體上把握本節內容。

圖2 板書設計

設計意圖： 圖文結合高度整合本節核心內容，直觀呈現有絲分裂過程，幫助學生從宏觀上厘清知識點之間的內在聯系與層級關系，從整體上構建有絲分裂知識體系。

4 教學反思

本節課教學通過類比推理法引導學生構建概念模型、物理模型，體會由復雜到簡單、化抽象為形象的思維過程；再以物理模型為切入點引導學生構建數學模型，領悟數形轉換的方法、養成通過現象思考本質的思維習慣。

通過模型構建等實踐活動，讓學生親歷知識的形成過程，激發學生學習生物學的興趣，培養學生收集信息、分析問題、解決問題、動手實踐及構建模型的能力，養成尊重事實、務實嚴謹的求知態度，學會運用科學的思維方法認識事物、解決問題，逐步發展科學思維，落實生物學核心素養，從而有效實現教學目標。