模型與建模在高中生物學教學中的應用

黃偉明

摘要 在“減數分裂”第 1 課時教學中，指導學生開展減數分裂物理模型、數學模型及概念模型的建模活動，有效幫助學生直觀、形 象地建立與理解減數分裂時染色體的變化特點，以及減數分裂的生物學意義，形成結構與功能觀、穩態與平衡等生命觀 念，提升科學思維能力與科學探究能力。

關鍵詞 模型;建模;減數分裂;生命觀念;科學思維

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（下文簡 稱課程標準）明確提出高中生物學教學要讓學生學會 運用模型進行建模。^[1]為此，筆者嘗試開展高中生物 學模型與建模教學實踐與研究，以期激發學生科學探 究興趣，習得生物學知識，形成生命觀念，提高科學思 維能力與建模能力。本文以“減數分裂”第1課時教學 為例，探討建模教學策略。

一、“減數分裂”第1課時建模教學概述

“減數分裂”是2007年版人教社《高中生物·必修 2·遺傳與進化》（下文簡稱教科書）第2章第1節內容， 包括以哺乳動物精子和卵細胞形成為例介紹減數分 裂過程，觀察蝗蟲精母細胞減數分裂固定裝片實驗與 建立減數分裂中染色體變化的模型活動等?！皽p數分 裂”是高中生物必修2模塊教學重點和學習難點，為學 生學習遺傳和變異、生物進化等知識奠定基礎。課程 標準對該部分內容的教學要求是“闡明減數分裂產生 染色體數量減半的精細胞或卵細胞”。建議開展“運 用模型、裝片或視頻觀察模擬減數分裂過程染色體的 變化”教學活動，幫助學生能夠運用細胞減數分裂的 模型，闡明遺傳信息在有性生殖中的傳遞規律，重點 發展生命觀念、科學思維維度的生物學核心素養。^[2]

“減數分裂”第1課時教學聚焦減數分裂過程中染 色體變化及其生物學意義，通過比較分析有絲分裂與 減數分裂的異同點、觀察與分析精子形成過程示意圖 等，促進學生樹立結構與功能觀、穩態與平衡觀等生 命觀念，提高比較分析能力。從“直觀教具呈現、模型 方法運用、模型與建模實施”等三個層次，由淺入深、 從具體到抽象逐步指導學生運用磁性染色體模型，建 構減數分裂模型，幫助學生歸納減數分裂概念及減數 分裂過程，舉例說明減數分裂特點及結果，闡明減數 分裂過程中染色體發生自由組合和互換的意義，提高 觀察能力、綜合分析能力與建模能力，為學生建立重 要概念“有性生殖中基因的分離和重組導致雙親后代 的基因組合有多種可能”，以及大概念“遺傳信息控制 生物性狀，并代代相傳”奠定基礎。^[2] 二、“減數分裂”第1課時建模教學設計與 實施

模型能對認知對象本質特征進行簡單且直觀的 概括與描述。^[3]建模是指運用生物模型解決生物學問 題。其實質是運用模型設計新的知識結構，通過對表 象的操作、加工而實現的思維活動。建模可以促進學 生調動多種感官、充分發揮想象力進行探索，提高科 學思維能力、科學探究能力與創新能力。^[4]

（一）建構有絲分裂模型，導入新課教學

創設“精子是怎樣形成的”問題情境，指導學生運 用紅、黃色及長短不同的兩對磁性染色體模型建構有 絲分裂模型，復習有絲分裂過程中染色體行為變化的 規律，加深對有絲分裂及其生物學意義的理解。進一 步指導學生觀察教科書第16頁“果蠅體細胞和配子的 染色體圖”，分析精子形成的方式，得出“精子的形成 不能通過有絲分裂”的結論。由此引出本節教學課題 “減數分裂” ，并介紹減數分裂發現史上科學家魏斯曼 的預言“精子和卵子染色體數要減半”。

通過建構有絲分裂模型，激發學生的好奇心與學 習興趣欲望，營造濃厚的科學探究氣氛，促進學生主 動參與建?；顒樱ⅰ凹毎至堰^程實質是染色體 的行為變化”的認識，提升觀察能力與分析能力。

（二）建構減數分裂模型，開展建模教學

• 建構減數第一次分裂模型

指導學生觀看減數分裂動畫視頻，了解精子形成 時減數分裂過程，初步認識同源染色體、姐妹染色單 體、聯會及四分體等生物學專業名詞。并組織學生根 據教科書第19頁“哺乳動物精子的形成過程圖解”建 構減數第一次分裂模型。

首先，每桌兩位學生合作運用8個長短不同紅黃 兩色的磁性染色體模型代表8條染色單體，建構顏色 和長度兩兩相同的4條染色體，即減數第一分裂前期 模型。接著，學生建構減數第一分裂中期、后期染色 體模型。有的學生將長短一樣、紅黃色不同標記的同 源染色體配對，分別擺放在細胞赤道板上。有的將其 中一個四分體交叉擺放。最后，學生將長短不同、顏 色不同的染色體分別移至細胞兩極，表示兩對同源染 色體分離，完成減數第一次分裂，染色體數目減半，產 生兩個次級精母細胞。

根據建模教學目標及建模難易程度，請不同學習 程度的學生展示小組合作建構的減數第一次分裂模 型，指導學生進行相互評價，及時發現存在的問題并 修正模型，幫助學生直觀、形象地了解減數第一次分 裂前期時每條染色體是由兩個染色單體組成的，這兩 條染色單體長短顏色是一致的，說明其是來自父方或 母方的一對同源染色體。加深學生對同源染色體、姐 妹染色單體、聯會與四分體等概念的認識，厘清其相 互之間的關系，避免死記硬背。進而引導學生思考與 討論：①同源染色體如何分離？何時分離？非同源染 色體如何自由組合？何時自由組合？ ②四分體的交 叉互換是否會改變遺傳信息？為后續學習基因重組 打下基礎。

• 建構減數第二次分裂模型

學生繼續運用磁性染色體模型建構減數第二次 分裂模型，加深理解染色體數目加倍的原因是著絲點 分裂。并指導學生進一步思考：減數分裂形成生殖細 胞過程中，若沒有紡錘體形成，能否產生正常生殖能 力的生殖細胞？為學習染色體變異打下基礎。

通過小組合作建構減數分裂模型，使學生直觀地 認識減數分裂過程染色體行為與數目變化過程，促進 學生建立與理解減數分裂概念及其生物學意義，培養 學生合作的精神，提高科學思維能力與建模能力。

• 建構減數分裂數學模型

在本課時小結環節，要求學生建構減數分裂染色 體數目變化數學模型，并進行展示與互評，修正存在 的錯誤。指導學生分析染色體數目加倍處是垂直線 條、DNA數目加倍處是斜線條的原因，厘清減數分裂 過程中染色體數目變化與DNA數目變化之間的關系， 提高運用知識能力。

此外，本節課后要求學生獨立繪制減數分裂概念 圖，讓學生以概念模型的形式表征對減數分裂的認 識。通過建構減數分裂物理模型、數學模型及概念模 型的方式，促進學生深入理解減數分裂這一重要概念 及其生物學意義，做到知其然，知其所以然。

三、“減數分裂”建模教學反思

（一）激發學生的探究欲望，學習與運用建模方法

運用模型開展建?；顒佑欣诩ぐl學生的好奇 心與探究欲望，讓學生在建模實踐中，正確理解抽象 的減數分裂概念，直觀、形象地認識減數分裂過程中 染色體行為與數目變化，改變傳統的死記硬背減數分 裂各個時期染色體變化的現象，彰顯了高中生物學的 理科屬性，使得學生習得生物學概念，形成生命觀念， 學習與運用建模方法，提高科學思維能力、科學探究 能力與創新能力

（二）調整教學內容及保證充足的建?；顒訒r間

根據學生的認知水平，將減數分裂教學內容調整 到“遺傳因子的發現”之前，有利于學生基于對有絲分 裂的認識，運用模型與建模學習重要概念減數分裂， 為后續學習孟德爾豌豆雜交實驗、遺傳分離定律和自 由組合定律奠定基礎。此外，為了保證充足的建模活 動時間，編寫導學案指導學生進行預習，并以小組合 作建模的方式進行減數分裂學習，有利于學生相互幫 助，當堂完成建構減數分裂模型的任務。

參考文獻：

[1]劉恩山，曹保義 . 普通高中生物學課程標準（2017 年 版）解讀[M]，北京：高等教育出版社，2018.

• 教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版）[S].北 京：人民教育出版社，2018.
• 朱止威，趙占良.普通高中教科書·生物學·必修1·分 子與細胞[M].北京：人民教育出版社，2019.
• 趙萍萍，劉恩山 . 生物學建模教學研究進展及啟示[J]. 生物學通報，2015（1）.
• （責任編輯 ：陳 欣）