概念建構中科學思維培養的生物學實踐研究
——以細胞的增殖教學設計為例

吳佳雪 任玉燕 周亞平

（東華理工大學化學生物與材料科學學院 江西南昌 330013）

科學思維是生物學科核心素養的主要內容之一，也是學生樹立生命觀念、提升科學探究能力、形成社會責任的必要途徑[1]。因此，在高中生物教學中發展學生的科學思維成了重要教學任務之一[2]。生物學概念是生物學大廈的基石，是教材內容的主要呈現形式，而概念的形成主要通過例證法和建構法[3]，其中，概念建構常通過分析與綜合、模型與建模、比較與分類、抽象與概括等科學思維來實現[4]。為了在建構概念過程中提高學生的科學思維能力，本文以人教版高中生物必修一細胞的增殖（第一課時）為例，進行了嘗試。

一、教材分析

細胞的增殖是人教版高中生物必修一分子與細胞中第六章第一節的內容。本節重點在于通過細胞增殖、細胞周期、有絲分裂等次要概念的學習，歸納出“細胞會經歷生長和增殖的生命過程”這一重要概念，并為凝練出“細胞是生物體結構與生命活動的基本單位”的大概念打下基礎。

本節概念的建構，可以運用大量的科學思維方法去實現，例如在“細胞大小與物質運輸的關系”的實驗中，通過引導學生明確模型建構的目的、學會選擇和使用合理的模型表征方式以及能夠利用模型解決生物學問題，從而訓練學生模型與建模的科學思維。

二、學情分析

本節內容的教學對象是高中一年級學生，此階段的學生已經學習過細胞通過分裂產生新細胞，但還沒有深入了解到細胞的具體分裂過程。細胞分裂的過程屬于微觀知識，較為抽象，導致學生理解細胞周期和有絲分裂概念的難度有所增加。因此，本節內容的教學設計選擇通過分析有絲分裂的科學史，幫助學生理解科學研究的思路與方法，引導學生分工合作建構有絲分裂過程的模型，通過展示有絲分裂顯微結構和模式圖修正模型、建構概念。

三、教學目標

1.通過模擬“細胞大小與物質運輸的關系”的實驗，說明生命活動與細胞增殖的關系，認同細胞增殖是生物體生長、發育、繁殖和遺傳的基礎的概念。

2.通過觀察分析細胞有絲分裂的顯微結構和模式圖，歸納、概括細胞有絲分裂各時期的主要特征。

3.通過構建染色體的變化模型，進一步形成結構與功能觀，闡明有絲分裂對保證親子代細胞遺傳物質一致性的重要意義。

4.通過學習有絲分裂的科學史，體會科學探究是一個繼承發展的過程，了解科學家的偉大和科學探究道路的艱辛與漫長。

四、教學重難點

教學重點：有絲分裂各時期的特點。

教學難點：真核細胞有絲分裂過程中各個時期染色體行為和數目的變化，以及DNA數量的變化。

五、教學方法

探究法，講述法，歸納法，實驗法

六、教具

多媒體課件、毛根、卡紙

七、教學過程

1.導入問題，引出概念，啟發科學思維

教師展示大象和小鼠圖片并提出問題：象和鼠的個體大小相差懸殊，是由于細胞大小不同嗎？多細胞生物體長大主要是由于細胞數量增長還是細胞體積增大？細胞不能無限長大的原因是什么？

教師采用多媒體模擬細胞大小與物質運輸的關系的實驗。由于細胞形狀不規則，體積不易計算，所以引導學生利用三個不同邊長的立方體作為3類不同大小細胞的模型，計算模型的相對表面積、核質比、物質擴散體積與總體積比。通過這個實驗幫助學生認識到細胞不能無限長大是受細胞表面積和體積關系的限制以及細胞核所能控制范圍的限制，然后引導學生解釋細胞大小與物質運輸效率的關系。教師提問學生細胞體積的最小限制，總結細胞體積的限制因素，引出細胞增殖的概念；舉例說明生命活動與細胞增殖的關系，總結出細胞增殖是生物體生長、發育、繁殖、遺傳的基礎這一概念。

設計意圖：教師通過問題導入引發學生思考后，利用物理模型幫助學生明確模型建構的目的、選擇和使用合理的模型表征方式以及利用模型解決生物學問題，從而啟發學生模型與建模的科學思維[5]。在學生理解了細胞不能無限長大的原因后，引導學生深入理解細胞體積大小的影響因素，引導學生辨證分析生命現象培養學生的批判性思維，最后形成這一次要概念。

2.分析科學史，形成概念，訓練科學思維

教師展示資料1：波蘭生物學家里麥克1841年發表了兩篇論文，在論文中，他清楚且準確地記載了雞幼胚有核血細胞分裂成為2個帶核子細胞的全過程[6]。教師提問：細胞一分為二，細胞內的染色質是否也會均分？學生思考后，教師展示圖片讓學生對比洋蔥根尖分生區新老細胞的染色質形態和數目。教師提問：親代細胞有16條染色體，子細胞也有16條染色體，染色體是否能夠直接一分為二？最后，教師講明染色質需要先復制再均分，以此引出分裂間期（準備）和分裂期（分裂）的定義，并形成細胞周期的概念。

教師展示資料2：瑞士植物學家內格里被認為是看到染色體的第一人，他在1842年出版的著作中寫道：百合和紫露草細胞核在分裂過程中被一群很微小、生存時間很短的微結構所替代[6]。教師說明微結構是染色體的復合結構，并提問：染色質在分裂期轉變為染色體的原因是什么？學生思考回答后，教師用模型展示染色體與染色質的復合結構、闡明染色質轉變為染色體的原因是伸展的染色質形態，有利于在它上面的DNA儲存的信息的表達，而高度螺旋化了的棒狀染色體則有利于細胞分裂中遺傳物質的平分，并借助模型引導學生形成染色單體、著絲粒等結構的概念。

教師展示資料3：1849年，霍夫曼斯特精確地記載了紫露草等植物細胞的有絲分裂過程，其中包括分裂前期細胞核形態的變化、中期紡錘體和染色體的復合結構、后期染色體的重現、末期核膜的重新形成[6]。然后，教師展示洋蔥根尖分生區組織細胞有絲分裂的真實圖片，讓學生觀察比較細胞內各個時期染色體、紡錘體、核膜和核仁的特征。緊接著，教師引導學生展開探究活動：以體細胞內含有8條染色體的果蠅為例，用桌子上的毛根代表染色體結構，卡紙代表細胞，用水筆畫出核膜、紡錘體等結構。再將學生分組，引導他們合作完成模擬有絲分裂過程的活動，之后，各小組分享成果并討論，討論后明確紡錘絲在染色體平分過程中的作用，最后自行修正有絲分裂過程的模型。模型建構完成后，教師展示有絲分裂的顯微結構和模式圖，由學生歸納各個時期染色體、紡錘體、核膜和核仁的特征，教師與學生一同完善并確定一條染色體變化的模型。

最后，通過染色體間期與末期形態的對比，引導學生發現有絲分裂的意義，即細胞中的各種物質變化都是為了將親代細胞的染色體經復制后精確地平分到兩個白細胞中，從而保持親代細胞和子代細胞之間遺傳的穩定性。教師總結并引導學生形成有絲分裂這一次要概念，即有絲分裂的定義、過程、特征與意義。

設計意圖：教師引導學生運用已有知識和經驗對生物科學史資料進行分析和討論，引導學生建立起個人對概念的認識和理解，最終形成細胞周期、染色單體、著絲粒、有絲分裂等次要概念[7]。在分析的過程中，既培養了學生的科學探究能力，又訓練了學生模型與建模、對比與分析、推理與演繹的科學思維。學生通過學習有絲分裂的科學史，也可以發展學生的社會責任感，了解科學家的偉大和科學探究道路的艱辛與漫長。

3.建構思維導圖，強化概念，養成科學思維

教師以問題為導向與學生一起繪制細胞增殖相關知識的思維導圖。教師提出以下問題：細胞生長的限制因素是什么？細胞生長與細胞增殖有怎樣的關系？細胞增殖的概念與意義是什么？細胞增殖的方式是什么？細胞周期的概念和可連續分裂的原因是什么？有絲分裂的過程和意義是什么？然后教師以細胞生長、細胞增殖概念、細胞增殖意義和細胞增殖方式四方面內容為導向，根據學生對以上問題的回答，同步繪制思維導圖。在此過程中，可以將本節課所有的概念進行聯結和歸納，以此幫助學生建構細胞增殖的知識框架，加強學生對次要概念的理解。最后，教師引導學生形成本節內容的重要概念：細胞會經歷生長和增殖的生命過程。

設計意圖：教師采用設計問題支架和繪制思維導圖兩種方法，幫助學生對概念進行加工、記憶和儲存；在此過程中既可以加強學生對次要概念的理解，引導學生對重要概念進行概括，還可以培養學生的邏輯思維和發散思維。