基于思維可視化的生物學重要概念教學設計研究

高穎

【摘 要】“細胞增殖”是高中生物教學的重要內容，其中有眾多重要的、抽象的生物學概念。以模擬實驗探究、數學建模分析，問題情境探究、思維建模探究等多種探究活動為載體，剖析相關生物學概念，引導學生進行概念建構。

【關鍵詞】思維可視化;重要概念;有絲分裂;數學建模;思維建模

1.教學背景分析

1.1本節內容的地位和作用

細胞增殖是生物體的重要的生命特征，細胞增殖的實現，要依靠細胞各個結構協調和統一，強調了“細胞是構成生物體基本的結構和功能單位”這一重要生物學概念。這部分知識與必修二“減數分裂”、“遺傳的分子基礎”等知識有密切聯系。有絲分裂的過程及各個時期的特點等知識又與必修二“減數分裂”知識有直接的關系。所以本節在知識的學習上起著承上啟下的重要作用。

1.2概念分析

《課程標準》指出：“生物學重要概念處于學科中心位置，包括了對生命基本現象、規律、理論等的理解和解釋，對學生學習生物學及相關科學具有重要的支撐作用。”一般來說，處于上位的重要概念的抽象度較高，是生物學科的核心知識，重要概念又通過較為具體的、處于下位的一般概念和事實性知識達成。

根據《課程標準》和《教學指南》，結合教學實際，筆者對本節的重要概念、一般概念和事實性知識及其相互關系進行了梳理如下。

重要概念：細胞增殖是生物體的重要生命特征，細胞以分裂的方式進行增殖。

一般概念和事實性知識：細胞表面積與體積的關系、細胞周期、有絲分裂、分裂間期、分裂期、染色體（質）、著絲點、姐妹染色單體、核DNA。

1.3學情分析

學生在初中七年級上冊曾經學過《細胞通過分裂產生新細胞》，具有一定的生物學基礎，但沒有深入到細胞水平。作為高中生有了一定的自學能力，求知欲也較為強烈，思維模式也正從形象思維到抽象思維進行轉移。

2.教學目標設定

2.1知識目標

通過建立數學模型的方法，準確說出細胞大小與物質運輸效率的關系，簡述限制細胞長大的原因;說出細胞周期的發生條件和階段，能在相應情景中判斷一個細胞周期的時間范圍;準確描述動物細胞有絲分裂各階段的主要特征，一個細胞周期中染色體、核DNA的數目，識別相應的圖像;說出細胞增殖的意義。

2.2能力目標

嘗試用模擬實驗的方法進行科學研究，通過模擬實驗培養學生觀察實驗現象、分析實驗數據、歸納和推理實驗結論的能力;通過學習有絲分裂過程培養學生分析圖像、解讀圖像的能力。

2.3情感態度與價值觀目標

體驗科學探究的基本過程，形成嚴謹的科學態度和實事求是的科學精神;通過有絲分裂過程中染色體形態、數目、行為等變化特點的學習，培養學生建立科學的世界觀;通過對細胞分裂各時期圖像的觀察、描述以及制作模型等活動，養成嚴謹求實的科學態度。

3.教學重難點

教學重點：利用模型探究細胞大小與物質運輸的關系;

細胞增殖的周期性;有絲分裂的過程及有絲分裂的特點。

教學難點：理解細胞大小與物質運輸的關系;有絲分裂過程中染色體、染色單體和DNA的數量變化規律及其相互間的關系。

4.教學準備

4.1模擬實驗準備及微課制作

稱取20g瓊脂置于700mL蒸餾水中，加熱融化。稱取0.06g酚酞溶解于20mL體積分數為95%的酒精溶液中。待瓊脂溶液溫度降至80℃時加入酚酞溶液，攪拌均勻，冷卻后切割成邊長分別為1cm、2cm、3cm的瓊脂塊。將瓊脂塊放入0.2%的NaOH溶液中，觀察NaOH溶液的擴散至瓊脂塊的過程。拍攝實驗視頻和照片，制作微課，其中NaOH擴散進瓊脂塊的過程采用10倍速播放，更清晰的觀察瓊脂塊由外及內逐漸變紅的動態過程。

4.2教（學）具準備

準備卡紙、扭扭棒、透明膠、馬克筆、文件袋，課前發給學生，于課堂上讓學生以小組合作的方式制作有絲分裂分裂期各時期模式圖。

5.教學過程

5.1通過微課互動教學及數學建模探究細胞表面積與體積的關系

主要設計意圖：學生對“表面積與體積比即相對表面積”并沒有明確的概念，如何讓學生從“大小”、“表面積”、“體積”等概念轉到“表面積與體積比即相對表面積”是一個難點。對實驗現象的初步分析、通過建立數學模型對實驗結果進一步分析是突破該難點的有效手段。教師通過問題串層層遞進，將學生討論的重點由“細胞的表面積”、“細胞的體積”轉到“細胞的表面積與體積比即相對表面積”，進而聯系到“細胞的表面積與體積比”與“物質的運輸效率”的關系上。

5.2通過問題情境探究、小組合作討論自主學習細胞周期概念

主要設計意圖：在概念的學習過程中，若僅停留在具體概念的結論上，概念很容易遺忘。細胞周期相關概念的教學，不僅僅讓學生理解和掌握細胞周期的定義，還需要學生能在新的情境下進行遷移應用。因此，細胞周期概念的起止點、生成的條件和分裂間期、分裂期的時間分配等概念要素尤為重要。教師通過設置一系列情境，讓學生細化細胞周期的概念，體會相關概念要素，從而體驗概念的生成。

5.3通過思維建模探究有絲分裂過程中染色體的形態、數目、行為的變化

主要設計意圖：有絲分裂過程中染色體是如何復制和平分及其相關概念的建構是本節課的重點。教師以學生學習過的、較為熟悉的染色體（質）為切入點，再以一條染色體為例，模擬染色體在有絲分裂過程中是如何復制和平分的，讓學生在過程中理解姐妹染色單體、核DNA與染色體的關系，明確染色體、核DNA和姐妹染色單體的數量判斷方法。經過兩輪教學互動，再分別以四條、兩條染色體為例，學生以小組合作探究的方式制作分裂期各時期模式圖并進行展示評比，學生在親自動手操作的過程中，對之前學習的相關概念修正。

5.4評價教學效果，利用思維導圖進行概念建構

主要設計意圖：首先利用模式圖、學案對有絲分裂全過程進行再次梳理，使學生對有絲分裂過程有個整體的認識。在有絲分裂過程中，有許多相似的概念易混淆，如染色體的復制、染色體的加倍等，把這些相似的概念列舉出來，以快問快答的方式提問學生，若遇到概念混淆錯誤及時糾正，有利于學生的自我檢測和教師教學的查漏補缺。有絲分裂過程中染色體和核DNA的數量變化規律也是本節的重要概念，讓學生嘗試繪制曲線圖，培養學生概念遷移的能力。

6.教學反思

“探究細胞大小與物質運輸之間的關系”的模擬實驗在瓊脂濃度的配置上，瓊脂粉與蒸餾水的質量比不低于1：50，即1000mL蒸餾水融化20g的瓊脂。瓊脂溶液濃度過低，冷卻后的瓊脂硬度不夠，易變形，切瓊脂塊成型率不高或放入含酚酞的NaOH溶液后擴散效果不佳。NaOH溶液濃度為0.1%，NaOH擴散時間過長，導致瓊脂塊紅色和無色的界限不明顯，NaOH溶液濃度在0.15-0.2%之間為宜。擴散現象是由分子的無規則運動形成的，根據分子的熱運動規律，溫度越高，構成物質的分子的運動速率越快，擴散速度也就越快，而本次實驗的時間是在冬季，在配置NaOH溶液時，保持NaOH溶液于常溫下（高于環境溫度），可以提高NaOH擴散速率，實驗現象更加明顯。

模型建構能以直觀的形式來表示復雜的實物，在進行“有絲分裂過程中染色體的形態、數目、行為的變化”相關內容教學時，采用模型建構的方法建構有絲分裂的相關概念，使學生對染色體在有絲分裂過程中的形態、數目、行為的變化有了直觀的了解，使原本抽象的概念通過建構思維模型直觀化、可視化。最后在通過學生體驗式學習、自主制作實物模型，使抽象、零散的概念清晰呈現，更直觀化、系統化。

【參考文獻】

[1]汪忠.生物1.遺傳與進化·教學指南[M].江蘇鳳凰教育出版社，2013：133-143

[2]普通高中生物學課程標準（2017年版）[M].人民教育出版社，2018：14

（基金項目：江蘇省教育科學規劃課題“基于思維可視化的生物學重要概念教學設計研究”，No.E-b/2013/006）