高中生物真實情境問題串教學設(shè)計

張孝燕

摘 要：以“減數(shù)分裂”第一課時為例，融合探究、論證、建模等教學策略，就“真實情境”和“問題串”在生物教學中對培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)進行應(yīng)用分析。實踐證明，真實情境問題串教學不僅能充分調(diào)動學生的積極性，增加師生、生生之間的互動和交流，還可有效促進學生對減數(shù)分裂相關(guān)生命觀念的構(gòu)建和學科思維的養(yǎng)成。

關(guān)鍵詞：減數(shù)分裂；真實情境；問題串；核心素養(yǎng)

《普通高中生物學課程標準》（2017年版2020年修訂）指出，生物學學科核心素養(yǎng)是學生通過生物學課程學習逐步形成的，解決真實情境實際問題時的價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力，其內(nèi)涵包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。課堂教學發(fā)展學科核心素養(yǎng)，必須關(guān)注生物學的學科本質(zhì)及它的理科屬性，并讓學生在生物學情境中活學活用。教學中若只是簡單事實性知識傳授，或是將學科思維直接傳遞給學生，學生沒有主動參與探索新知的過程，核心素養(yǎng)目標難以落實。教學中創(chuàng)設(shè)真實情境有利于激發(fā)學生探索生命世界內(nèi)在規(guī)律的動力，設(shè)計循序漸進的問題串有助于學生通過適當?shù)姆椒ㄌ骄亢屠迩逯R的內(nèi)在聯(lián)系，構(gòu)建相關(guān)生命觀念，并在知識構(gòu)建過程中學會認識生命奧秘的思維方式和探究方法。因此高中生物采用真實情境問題串教學方式，能讓學生在明理、講理的過程中，感受學習過程的挑戰(zhàn)性，體驗知識掌握的成就感，從而更加積極主動地參與學習探索過程，鍛煉關(guān)鍵能力，發(fā)展生物學科核心素養(yǎng)。為此，本課例通過教材分析、學情分析，鎖定教學目標，選擇“探究式”“論證式”“建模式”教學策略，從學生學科能力發(fā)展水平出發(fā)，提供真實情境，設(shè)計問題串，幫助學生層層深入探索減數(shù)分裂過程，學生通過觀察、對比、猜想、推理等方法提出自己的觀點，綜合論證概括出結(jié)論，從而構(gòu)建減數(shù)分裂模型，形成相關(guān)生命概念與學科思維，為核心素養(yǎng)視野下的真實情境問題串教學設(shè)計提供參考[1]。

一、教材分析

“減數(shù)分裂”選自人教版必修2《遺傳與進化》第二章第一節(jié)，其核心是指向減數(shù)分裂過程和結(jié)果，闡明減數(shù)分裂過程產(chǎn)生染色體數(shù)減半的精細胞或卵細胞；是在有絲分裂基礎(chǔ)上構(gòu)建一種新的細胞分裂方式，為后續(xù)遺傳規(guī)律和可遺傳變異的學習奠定細胞學基礎(chǔ)，因而具有承上啟下作用。

二、學情分析

高中生抽象邏輯思維逐步占優(yōu)勢、辯證邏輯思維開始發(fā)展，這些有助于學生在回顧有絲分裂的基礎(chǔ)上做出新的假設(shè)，并結(jié)合情境素材等生物學事實，進行理論與實踐等，審視既定的觀點；又由于減數(shù)分裂過程的理解是本課的重難點所在，對學生而言是新的知識，大部分學生不能獨立完成，一步到位。這就需要教師創(chuàng)設(shè)邏輯關(guān)聯(lián)的問題串，一步步引領(lǐng)學生分階段深入，通過假說與演繹、論證與推理等方法幫助學生探索減數(shù)分裂生命的過程，弱化難點、突破重點。這種在學生思維碰撞的過程中構(gòu)建的模型，更有助于學生掌握減數(shù)分裂的實質(zhì)，為遷移應(yīng)用做準備[2]。

三、目標制定

以往的教學目標以識記減數(shù)分裂過程為目的，學生大多處于被動的接受狀態(tài)，只了解知識并沒有深入體驗知識的探索過程，學習浮于表面，不能形成深刻記憶，以致具體應(yīng)用時無法得心應(yīng)手。因此，本節(jié)課創(chuàng)設(shè)現(xiàn)實生命情境和探究史情境，通過設(shè)置問題串，引導(dǎo)學生參與探索減數(shù)分裂奧秘過程的比較、假設(shè)、推理、論證等思維過程，讓絕大部分學生達成下面素養(yǎng)發(fā)展目標：

生命觀念：①闡述減數(shù)分裂過程中的染色體行為；②解釋減數(shù)分裂產(chǎn)生染色體數(shù)目減半的配子；③闡明有性生殖的生物在減數(shù)分裂過程中，染色體發(fā)生自由組合和交叉互換，導(dǎo)致雙親后代的基因組合有多種可能；④理解減數(shù)分裂的意義。

科學思維：①基于科學史和證據(jù)推測減數(shù)分裂過程；②結(jié)合有性生殖過程，類比有絲分裂模型，構(gòu)建減數(shù)分裂模型；③運用細胞減數(shù)分裂模型，闡明遺傳信息在有性生殖中的傳遞規(guī)律。

社會責任：認同生物通過生殖、發(fā)育和遺傳實現(xiàn)生命的延續(xù)和種族的繁衍；認同減數(shù)分裂對生物多樣性的意義；樹立保護生物、保護環(huán)境的責任感[3]。

四、教學過程

探究一、有性生殖產(chǎn)生配子的過程是哪一種分裂方式？

【情境1】春天昆蟲在花海中傳粉采蜜的視頻。

【問題1】花萬紫千紅為了啥？引出有性生殖概念。

【情境2】桃花受精圖、桃樹染色體和配子染色體圖。

【問題2】桃花體細胞是受精卵通過哪種分裂過程產(chǎn)生的？

【問題3】有絲分裂前后染色體數(shù)量如何變化？

【問題4】桃花有性生殖產(chǎn)生精子的分裂方式還是有絲分裂嗎？說說你的猜想與理由。

【提示】如果是，會是怎樣的結(jié)果？如果不是，你的判斷依據(jù)是什么？

【老師】肯定學生。大家通過認真觀察與思考，進行比較與逆向推理過程，像科學家魏斯曼一樣提出了天才般的預(yù)見：減數(shù)分裂。

設(shè)計意圖：花海視頻讓學生了解有性生殖使后代性狀多樣化，感嘆生物多樣性美并積極參與本節(jié)探究。借月季染色體圖回顧有絲分裂前后染色體數(shù)保持不變的特點，對比分析圖像資料染色體數(shù)變化，得出產(chǎn)生配子的分裂方式與有絲分裂不同，通過推理論證得出減數(shù)分裂普遍存在于有性生殖產(chǎn)生配子過程，且認同減數(shù)分裂與有絲分裂共同維持繁衍過程物種遺傳穩(wěn)定性。初步認同減數(shù)分裂的存在和意義，激發(fā)思維，引發(fā)探索新分裂方式的學習動力。

探究二、減數(shù)分裂是怎樣進行的？

環(huán)節(jié)1.探索減數(shù)分裂怎樣實現(xiàn)染色體數(shù)目減半？

【情境1】減數(shù)分裂發(fā)現(xiàn)史資料1；有絲分裂示意圖。

【老師】魏斯曼預(yù)言，減數(shù)分裂是一種特殊的有絲分裂。接下來我們追隨科學家的探究史，結(jié)合有絲分裂過程，以精子的形成過程為例，預(yù)測減數(shù)分裂的染色體減半機制。

【問題1】有絲分裂過程中，哪些變化保持了染色體數(shù)目不變？

【學生】染色體復(fù)制一次，細胞分裂一次。復(fù)制后形成的姐妹染色單體在有絲分裂后期分開，染色體數(shù)增倍，增倍后的染色體隨細胞質(zhì)的分裂和核膜的重建而分到兩個子細胞，保持復(fù)制前后染色體數(shù)不變。

【情境2】蝗蟲精母細胞減數(shù)分裂顯微照片；水稻花粉母細胞減數(shù)分裂顯微照片。

【問題2】類比有絲分裂，減數(shù)分裂染色體數(shù)減半，會是哪個變化引起的？

【教師】有人認為減數(shù)分裂染色體不復(fù)制，細胞分裂一次，請結(jié)合上圖判斷正誤，并提出你的理由與看法。

【學生】這種說法不正確。如果不復(fù)制，就不會出現(xiàn)蝗蟲精母細胞減數(shù)分裂圖中的姐妹染色單體。這與事實不符，說明減數(shù)分裂過程也進行染色體的復(fù)制。

【問題3】減數(shù)分裂染色體也復(fù)制一次，那染色體數(shù)減半的原因是什么？

【學生】分裂次數(shù)增加一次。

【追問】哪些證據(jù)可以支持這一觀點？

【學生1】科學史資料1上提到科學家們觀察發(fā)現(xiàn)配子母細胞形成配子的過程實際上包含了兩次連續(xù)的減數(shù)分裂過程。

【學生2】蝗蟲精母細胞和水稻花粉母細胞減數(shù)分裂顯微照片均有生成2個子細胞和4個子細胞時期。

【追問】這兩個時期的細胞分別是處于哪個時期，名稱分別是什么？

【小結(jié)】請結(jié)合上述探究過程和相關(guān)證據(jù)，歸納出減數(shù)分裂染色體數(shù)減半的機制？

【學生】精原細胞在減數(shù)分裂過程中，染色體復(fù)制一次，細胞連續(xù)分裂兩次，減數(shù)分裂I生成兩個次級精母細胞，緊接著兩個次級精母細胞通過減數(shù)分裂Ⅱ生成四個精細胞，實現(xiàn)染色體數(shù)減半。

【建模】小組合作填寫減數(shù)分裂模型圖中的每一次分裂的名稱和生成的細胞名稱與數(shù)量。

設(shè)計意圖：通過問題串層層分析有絲分裂染色數(shù)保持不變原因，引導(dǎo)學生聚焦染色體復(fù)制次數(shù)和細胞分裂次數(shù)兩個變量，結(jié)合科學家的實驗觀測數(shù)據(jù)和科學探究史資料等真實情境，推測減數(shù)分裂染色體數(shù)減半的原因，論證觀點，歸納結(jié)論。從而理解并初步構(gòu)建減數(shù)分裂模型。此過程培養(yǎng)學生觀察對比分析的能力和在矛盾中應(yīng)用單一變量原則解析原因的科學思維，學會用概念圖簡潔直觀地表達習得知識的建模思想，為本節(jié)后續(xù)的模型構(gòu)建做鋪墊。

環(huán)節(jié)2.探究減數(shù)分裂第一次分裂染色體發(fā)生哪些變化？

【情境1】哺乳動物精子形成過程示意圖。

【問題1】圖中減數(shù)分裂染色體數(shù)減半，發(fā)生在哪一次分裂？

【問題2】減數(shù)第一次分裂如何實現(xiàn)染色體數(shù)的平均分配？

【學生】可能是姐妹染色單體分開。

【學生】圖中減數(shù)分裂Ⅱ還有姐妹染色單體，說明減數(shù)分裂I姐妹染色單體沒有分開，可能是形狀相似的染色體分開。

【問題3】這相似的一對染色體稱為什么？

【教師】引導(dǎo)學生閱讀課本認識同源染色體相關(guān)知識。

【過渡】課本呈現(xiàn)了精子形成過程示意圖，然而科學家們從發(fā)現(xiàn)配子形成是兩次連續(xù)的分裂過程，到弄清如圖所示減數(shù)分裂的完整過程，卻構(gòu)想了巧妙的觀察方法，觀察了大量的材料，經(jīng)歷了不少的爭論，花了長達30多年的時間。

【情境2】減數(shù)分裂發(fā)現(xiàn)史資料2。

【介紹】減數(shù)分裂發(fā)現(xiàn)史資料2中提到：玉米（2n=20），但在減數(shù)第一次分裂中期只能看到的染色體的數(shù)目僅是10條。

【問題4】若你是當時參與觀察的科學家，你會做怎樣的猜想？

【學生】與有絲分裂比較，染色體復(fù)制次數(shù)不變，減數(shù)第一次分裂中期細胞質(zhì)也沒有分裂，所以染色體并沒有真正減少，觀察到減少現(xiàn)象的原因可能是同源染色體配對了。

【問題5】染色體如何配對呢？你的猜想依據(jù)是什么？證據(jù)是什么？

【學生】配對的染色體中，一半來自父本，一半來自母本。猜想依據(jù)是如果配對是在父本內(nèi)或母本內(nèi)的染色體進行，非同源染色體間的大小不等，配對后不會那么整齊，且可能出現(xiàn)剩下一條不能成對的情況。而且減數(shù)分裂發(fā)現(xiàn)史資料2中，蒙哥馬利（1901）做了染色體大小差異很大的（2n=14）物種的染色體配對觀察結(jié)果證實了這一觀點。

【問題6】同源染色體在減數(shù)第一次分裂中還會發(fā)生哪些行為變化？

【學生】同源染色體聯(lián)會時可能發(fā)生同源染色體的非姐妹單體間的互換。

【學生】后期同源染色體會彼此分開，隨細胞質(zhì)分裂進入不同的次級精母細胞。

【問題7】進入同一次級精母細胞的染色體都來自父母一方還是隨機分配？

【問題8】你是怎樣得出這個猜想？

【學生】如果來自父方或母方的源染色體均進入同一次級精母細胞，生成的配子將只有兩種類型，這與自然界中“一豬生九仔，個個不一樣”的事實相矛盾。所以我認為是隨機分配。

【學生】由課本提供的果蠅配子中染色體有紅色也有藍色，猜測同源染色體是隨機分配的。

【學生】研究史料2中提到：卡羅瑟斯統(tǒng)計了300多個雄蝗蟲（X染色體僅一條）減數(shù)第一次后期的細胞，發(fā)現(xiàn)X染色體與另一對大小相異的同源染色體的組合，接近1：1。這結(jié)果證明同源染色體是隨機地分向兩極的。

【情境3】果蠅中雌雄體細胞染色體圖和配子染色體圖。

【問題9】果蠅染色體（2n=8），如果父本的染色體歸向一極，母本的染色體歸向另一極，則產(chǎn)生的配子類型有幾種？如果同源染色體的分離與組合也隨機獨立的，則產(chǎn)生的配子類型有幾種？

【學生】分別是2種和24種。

【情境4】人染色體的掃描電鏡照片。

【問題10】上述兩種情況，人類精原細胞通過減數(shù)分裂分別能產(chǎn)生幾種精細胞？

【學生】2種和223種。

【問題11】由減數(shù)第一次分裂同源染色體隨機分配，有的還進行互換，可以得出減數(shù)分裂的生物學意義有哪些？

【學生】可以增加配子種類數(shù)。

【學生】有性生殖通過減數(shù)分裂，產(chǎn)生不同類型的配子，增加合子種類數(shù)，使品種多樣化，豐富了生物的多樣性，提高物種對不同環(huán)境的適應(yīng)性。

【情境4】有研究表明抽煙影響男性精子活動，環(huán)境破壞使得一些生物無法繁衍后代。為保護多樣性，我們可以做的事情是什么？

【學生】健康生活，保護環(huán)境。

【小結(jié)】綜合上述探究請簡述減數(shù)第一次分裂同源染色體行為變化。

【學生】減數(shù)第一次分裂中，同源染色體兩兩配對，有的會互換，然后被紡錘絲牽引著進入兩極，隨細胞質(zhì)分裂進入不同的子細胞。

【建模】類比有絲分裂，構(gòu)建減數(shù)第一次分裂的間期與前、中、后、末等分裂期模型圖。

設(shè)計意圖：通過問題串，引導(dǎo)學生層層遞進探究減數(shù)分裂過程染色體行為變化，讓學生思維深度得到發(fā)展。以減數(shù)分裂探究史為情境，對減數(shù)第一次分裂前期同源染色體配對行為進行假設(shè)和論證，得出染色體的配對方式；對笨蝗性染色體、果蠅染色體再到人類染色體規(guī)律分配和隨機分配兩種方式產(chǎn)生配子種類的探討，推測出減數(shù)分裂第一次分裂同源染色體隨機分配，讓學生親身體驗科學探究過程，并感受捕捉特殊生命現(xiàn)象對得出一般生命規(guī)律的重要參考價值，理解有性生殖遺傳信息通過配子傳遞給后代。學會善于觀察和由簡到繁的科學探究方法，養(yǎng)成猜想—假說—推理—論證的思維習慣，并結(jié)合新知識類比已知有絲分裂模型構(gòu)建減數(shù)分裂第一次分裂過程。

環(huán)節(jié)3.探究減數(shù)第二次分裂，姐妹染色單體如何變化？

【情境】減數(shù)分裂視頻。

【問題1】減數(shù)分裂第二次分裂中最突出的染色行為變化是什么？

【學生】姐妹染色單體分開，分別進入不同的子細胞。

【問題2】此過程染色體數(shù)量如何變化？

【問題3】減數(shù)第二次分裂就是有絲分裂嗎？請作出你的判斷，并說明理由。

【學生】是，因為減數(shù)分裂Ⅱ分裂前后染色體數(shù)不變。

【學生】不是，因為減數(shù)分裂Ⅱ分裂前沒有經(jīng)歷分裂間期，且不存在同源染色體。

【追問】減數(shù)分裂Ⅱ中也有大小一樣，形態(tài)相同的染色體，為什么不是同源染體？

【學生】同源染色體在減數(shù)分裂Ⅰ已分到不同的次級精母細胞，不再含同源染色體。

【學生】同源染色體還需要滿足一條來自父方，一條來自母方，減數(shù)分裂Ⅱ中兩條相同的染色體是姐妹染色單體因著絲粒分裂而得的，是來自同一親本的染色體，所以不含。

【小結(jié)】綜合上述探究請描述減數(shù)第二次分裂過程與結(jié)果。

【學生】減數(shù)第一次分裂生成的次級精母細胞緊接著進行減數(shù)第二次分裂，姐妹染色單體分開，染色體數(shù)恢復(fù)體細胞染色體數(shù)。隨著細胞質(zhì)的分裂，染色體數(shù)平均分配到2個精細胞中，每個精細胞只含體細胞染色體數(shù)的一半，減數(shù)第一次分裂生成兩個次級精母細胞共生成四個精細胞。

【建模】類比有絲分裂，構(gòu)建減數(shù)第二次分裂的前、中、后、末等分裂期模型圖。

設(shè)計意圖：通過減數(shù)分裂視頻播放能讓學生對減數(shù)分裂過程有直觀整體的認識，又對接著的減數(shù)分裂Ⅱ的學習起承上啟下的作用。通過問題串幫助學生找出減數(shù)第二次分裂的特點，并從現(xiàn)象到本質(zhì)分析同源染色體的概念，進一步鞏固減數(shù)第一次分裂完成同源染色體的平均分配，明確減數(shù)第二次分裂不再存在同源染色體，大小相同的染色體為來自同一親本的染色體，從而有效突破易混淆知識難點，并學會從本質(zhì)上探索生命現(xiàn)象的研究方法，并學會用理說理，達到去偽存真。

環(huán)節(jié)4.探究精細胞到精子發(fā)生了哪些變化？

【情境】精子形成過程圖。

【問題1】精細胞在形成精子的過程發(fā)生哪些變化？

【問題2】這對繁衍后代有何意義？

【問題3】有性生殖形成的受精卵中遺傳物質(zhì)一半來自父本，一半來自母本，這句話可對？

設(shè)計意圖：通過比較精細胞與精子的不同，讓學生樹立結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。通過意義分析讓學生理解有性生殖是通過減數(shù)分裂產(chǎn)生精細胞等生殖細胞將遺傳信息傳遞給后代。最后通過辨析遺傳物質(zhì)是否各半，引導(dǎo)學生發(fā)散思維并引導(dǎo)學生預(yù)習本節(jié)第二課時內(nèi)容。

探究三、完善并應(yīng)用減數(shù)分裂模型，闡明遺傳信息在減數(shù)分裂中的傳遞規(guī)律。

【情境】果蠅是遺傳學研究最常用的二倍體生物，體細胞含有8條染色體，請根據(jù)本節(jié)探究結(jié)果，小組合作完善果蠅精原細胞減數(shù)分裂模型圖，并繪制減數(shù)分裂染色體數(shù)目變化曲線圖。

分享與交流：

【問題1】你們組是怎樣完善模型構(gòu)建的？模型解析了怎樣的遺傳信息傳遞規(guī)律？

【問題2】染色體數(shù)目變化曲線圖的橫縱坐標怎么確定，依據(jù)是什么？

【問題3】曲線中有哪幾個拐點，拐點的原因是什么？

【問題4】除上述模型外，你們還想構(gòu)建哪一類型的減數(shù)分裂模型？（作為小組作業(yè)上交）

【問題5】對本節(jié)減數(shù)分裂過程知識，你還想了解哪些奧秘？試著搜集相關(guān)資料。（同上）

設(shè)計意圖：通過小組合作完善模型和繪制曲線圖問題情境，為不同理解層次的學生提供梳理本節(jié)探究思路與總結(jié)規(guī)律的載體。由于初次繪制減數(shù)分裂染色體數(shù)目變化圖對大多數(shù)學生而言是比較困難的，采用小組合作形式，并設(shè)置問題串，能幫助生生互助且更快速找到解決情境問題的矛盾點，從而準確鎖定變量及變量背后的原理，讓難點淡化、邏輯達成。最后通過布置實物模型，讓學生真切感知減數(shù)分裂過程及其本質(zhì)，培養(yǎng)動手實驗?zāi)芰Α⒒ブ鷧f(xié)作及評價與修正能力[4]。

五、教學反思

本文由自然生命現(xiàn)象引出有性生殖產(chǎn)生配子分裂方式是減數(shù)分裂，接著提供具體生物減數(shù)分裂電鏡掃描圖和減數(shù)分裂探究資料史，引導(dǎo)學生對照已知的有絲分裂知識，沿著教師設(shè)置的問題串進行由表及里地展開對減數(shù)分裂奧秘的探索，讓減數(shù)分裂模型構(gòu)建過程充滿挑戰(zhàn)，環(huán)環(huán)相扣，層層深入。真實情境的應(yīng)用，讓學生為主體的素養(yǎng)培養(yǎng)育人理念更易實現(xiàn)，通過與有絲分裂的對比，讓學生從熟悉的情境中出發(fā)，讓思維有所借鑒；提供減數(shù)分裂探究史，幫助學生在陌生情境中收集處理數(shù)據(jù)，讓思路有所拓展；提供具體事實，幫助學生分析判斷，讓思維結(jié)果的表達論證更具說服力。問題串的設(shè)計不僅關(guān)注學生相關(guān)生命觀念的形成，還考查和培養(yǎng)了學生自覺運用類比法、控制變量法、論證法及概括歸納法等解決新情境新問題的思維習慣和能力[5]。

結(jié)束語

因此，問題串與真實情境相交融更有助于引導(dǎo)學生沉浸式參與課堂教學互動，并在探索生物學奧秘中發(fā)展閱讀理解與加工處理信息的能力，在同伴不同思維碰撞和個人猜想、推測、說理、論證中發(fā)展高階思維和創(chuàng)新思維能力，從而更好地在生物學科學習中培養(yǎng)和發(fā)展學科核心素養(yǎng)。

參考文獻

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[3]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[4]楊大祥.減數(shù)分裂的研究歷史[J].生物學教學，2007（1）：61-63.

[5]朱麗麗.基于真實問題情境培養(yǎng)化學學科核心素養(yǎng)的課堂研究：以“金屬鈉的性質(zhì)與應(yīng)用”教學為例[J].化學教與學，2021（1）：10-14.

本文系福建省教育科學“十四五”規(guī)劃2021年度課題“高中生物真實情境化教學中問題串設(shè)計有效性研究”（立項批準號：FJJKZX21-644）的研究成果。