细胞分裂与染色体标记结合模型建构教学设计

摘要

细胞分裂过程中的染色体行为变化属于细胞水平，在分裂间期DNA分子通过半保留复制，利用同位素标记法可以探究DNA分子随分裂过程的标记情况，这属于分子水平。但是将标记情况与染色体联系起来后，染色体和DNA变化并非完全同步，导致学生理解困难。通过建构模型的方法，直观展示DNA与染色体之间的关系，既可以帮助学生理解这一知识点，又能培养学生的科学思维和科学探究等核心素养。

Graphical abstract

关键词

细胞分裂 / 染色体 / DNA / 标记问题 / 模型建构 / 教学设计

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）提出：课堂教学中要让学生积极参与动手和动脑的活动，通过探究性学习活动或完成工程学任务，加深对生物学概念的理解。又进一步指出，学生应该在学习过程中发展思维，如能够运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模的方法，阐释生命现象及规律^［1］。因此，学会分析知识对象，并运用建构模型的方法来理解、迁移、内化知识，是高中生必备的科学素养之一^［2］。为提高课堂教学质量，笔者将细胞分裂和染色体的标记问题相结合，沿着“建构模型—完善模型—运用模型—拓展模型”的路线展开教学，希望借此帮助学生更好地理解知识，逐步提高科学思维能力。

1 教学内容分析

在“细胞分裂”这一概念中，染色体的变化是实现细胞精准复制、精细调控的重要内容，其中染色体数量的变化和DNA复制过程中的标记问题是高中生物学学习过程中理解的重难点。教材中讲解减数分裂过程中的染色体行为变化建构的是黏土模型，在授课时，主要关注的是染色体的变化，引导学生制作的模型以染色体的形态为主。但是学习了DNA的复制以后，不可避免地需要将DNA半保留复制过程中的标记问题与分裂过程联合考察。

由于细胞分裂是细胞水平的现象，DNA复制是分子水平的变化，这两个过程非常考验学生的抽象思维能力。但是教材中现有的模型不足以解决这个问题，所以笔者改进了模型，加入了染色体和DNA的关系，使分裂过程和标记问题能同时呈现，达到一目了然的效果。

2 教学目标

基于《课程标准》的要求，以培养学生的科学思维和实践操作能力为目的，提出以下教学目标。

（1） 生命观念：利用建构的模型，理解分裂过程中染色体的标记问题，帮助学生加深对细胞分裂过程及其特点的认识。

（2） 科学思维：学会建构物理模型的思维方法，尝试建构不同的模型。

（3） 科学探究：采取具有实用性、可操作性等特点的评价方式，以便对建构的模型进行更新迭代。

（4） 社会责任：认可建模可以帮助学生理解抽象事物，从而应用于今后的学习、生活中。

3 设计思路

建立特定的模型，对于帮助学生更好地掌握知识之间的联系，更好地理解一些抽象的知识是非常有效的。要想将抽象的过程具体化、形象化，采用物理模型来表达是比较合适的。

以学习中遇到的问题为导向，引导学生通过建构模型来解决实际问题。在此过程中，仅提供建构模型的步骤，不限制学生选择的材料来源，以充分发挥学生的创造力。学生制作的模型各有优劣，经小组间的交流讨论后，就能对各自的模型进行改进。物理模型的呈现方式多样化。学生除了制作多种实物模型外，还可以根据自己的理解建构多种图画模型，即用自己制作的模型模拟、描述细胞分裂过程，从而使模型的使用更加便捷、有效。教学设计思路如图1所示。

4 教学过程

4.1 谈话导入，发现问题

展示教师和部分学生的聊天记录，以学生遇到的问题为契机，探究细胞分裂过程中的DNA标记问题。

4.2 共同探讨，分析症结

通过与学生交流，了解到症结所在：一方面，学生对细胞分裂过程中染色体与DNA的关系无法建立连接；另一方面，细胞分裂是细胞水平的现象，而DNA的复制是分子水平的现象，两者都非常抽象，理解起来确有难度，且理解抽象问题的有效方法之一就是建构模型。

4.3 建构模型，解决问题

物理模型是指以实物或图画的形式，直观表达认识对象特征的模型。它最显著的特点是先将难以直接观测的结构或过程简化，把握其本质特征，按照一定比例放大或缩小，从而将这些特征通过物理模型形象化、直观化地呈现出来^［3］。根据这一特点，思考建构模型的主要步骤。笔者以减数分裂为例，加以说明。

（1） 观察、分析原型，建构物理模型，确定主次特征；先小组内部讨论，再集体交流，最终筛选出大家普遍认同的主要特征。减数分裂和DNA复制过程中的主要与次要特征如表1所示。

设计意图：在建构物理模型时，不一定要面面俱到，而应认真观察减数分裂和DNA复制过程，将关键本质提取、表达出来即可。此次模型制作，关注的是分裂时染色体的行为变化和DNA的标记情况。诸如间期染色质螺旋缩短成染色体、中心体的复制，前期纺锤体的形成，减数第一次分裂前期同源染色体非姐妹染色单体之间的交叉互换等过程，可以酌情忽略。

（2） 梳理建构模型的思路，确定合适的材料，设计模型；以小组为单位，自主选择已有的材料，先制作一个可以体现染色体与DNA关系的模型（图2）。

设计意图：要想在模型中同时展示染色体的行为变化和DNA的被标记情况，需梳理两者的关系。染色体由DNA和蛋白质组成，通常一条染色体中包含一个DNA分子，复制后的染色体由着丝粒连接，且一条染色体上有两个DNA分子，每个DNA分子均由两条核苷酸链组成。

（3） 得到一个2N=4的细胞模型，事先规定DNA的双链处于被标记状态（红），然后置于不带标记的培养液中进行减数分裂。组建模型并模拟、描述减数分裂过程及DNA的标记情况（图3）。

设计意图：小组分工合作，制作不同时期的染色体模型，并按照减数分裂的过程进行模拟，在摆模型的过程中，能够增强学生的参与感，锻炼其动手能力。在各个时期，注意描述DNA的标记情况，便于学生将减数分裂与DNA的标记情况结合起来观察，从而突破重难点。

（4） 相互交流，改进完善。在模拟减数分裂的过程中，提醒学生关注所建模型的评价情况，提出改进的建议。不同材料制作的模型优缺点分析如表2所示。

设计意图：从师评转向自评、互评，改进教学评价的方式，使评价和反馈及时且多样，促进学生在实践操作中进行观察、反思。

4.4 拓展思路，简化模型

制作的模型使学生了解了减数分裂过程中染色体的变化和DNA标记情况，但有学生意识到实物模型虽然直观，但不方便携带，制作过程比较麻烦，且面对不同的标记情况时，不能及时观察并得出结论。基于这种情况，学生将学到的建构模型方法举一反三，精简了模型的主要特征，又重新建构了分裂过程的图画模型（图4）。学生自然联想到有丝分裂是细胞增殖的最主要的方式，虽然其染色体的变化不如减数分裂复杂，但其有连续分裂的特点，一旦涉及标记问题，仍然是难点所在。对此，正好可以利用建构的物理模型模拟两次有丝分裂过程中染色体的标记情况，帮助学生理解。于是，笔者指导学生用图画模型模拟了两次有丝分裂过程中染色体的标记问题。

设计意图：是否学会迁移和举一反三，是评价学生知识点掌握和思维建立的重要指标。根据实际中遇到的问题——模型不易携带且制作麻烦这一真实情境，促进学生主动思考，以便解决问题。

5 教学反思

此次实验教学，不仅加深了学生对细胞分裂过程中染色体行为与数量变化规律的理解，更使其初步掌握了基于DNA半保留复制原理分析染色体标记情况的科学方法，有效解决了学习中的难点问题。在该节课的学习中，学生观察、分析、思考，建构了不同的物理模型，学会了“观察—设计—建模—改进”等建构模型的基本步骤，形成了科学思维，在小组讨论、分工合作、交流展示中培养了学生的科学探究精神。在课堂中，学生能够举一反三，一方面体现在用减数分裂的模型模拟有丝分裂的变化，另一方面体现在利用建构模型的基本步骤完成了图画模型的建构。

课后，学生发现生活中还有很多材料可以用于染色体模型建构，故在今后的教学过程中，应鼓励学生经历从发散思维到聚合思维的完整过程，促其制作出创意与合理性兼备的模型作品。在培养思维方面，需要进一步加强引导学生根据不同的学习目标，关注同一事物所呈现的不同特征。有学生提出在模型中可以增加更多的特征，如减数第一次分裂前期的“交叉互换”现象，使模型能够“一物多用”；在染色体上标记基因，用于帮助学生理解染色体与基因的关系，等等。这些建议不仅丰富了模型的教学功能，更反映了学生对生命本质的深度思考。

3　结束语

在整体有序实验教学开展过程中，应按照学生思维的发生和发展适时进行引导，螺旋式前进，虽然每个阶段推进过程较慢，但给予学生充分思考与消化的时间以及主动创造的空间，体现了整体有序教学时“结构序、目标序、内容序、思维序、评价序、活动序”六“序”合一^［3］的要求，为学生核心素养的培养和提升提供了保障。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020．

[2] 房颖，柳忠烈，田树青.基于发展科学思维的模型构建在高中生物学教学中的应用：以“细胞的增殖”为例［J］.生物学通报，2022，57（09）：28-31.

[3] 王君.高中物理教学中物理模型的作用及构建策略［J］.数理天地（高中版），2023（02）：8-10. （上接第41页）

基金资助

湖北省襄阳市教育科学“十四五”规划2025年度课题“新教育背景下生本课堂教学改革实践研究”(XJKGA2025062)

嘉兴市教育科学规划高中“创新拔尖人才”专项招标课题“培育科学探究素养：孵化拔尖创新人才的高中物理实验教学实践探索”(JZ23136)

2024年度嘉兴市第十四批学科教学带头人专项研究课题“多维视角：高中物理分组实验教学‘整体架构’策略研究”(JZ2024241)