“细胞增殖”教学中“关键模块”的教学设计

陈 维 （江苏省连云港高级中学 江苏连云港 222042）

“细胞增殖”是高中生物学必修1《分子与细胞》教学中的经典内容，主要包括细胞周期、有丝分裂、观察根尖细胞的有丝分裂等知识，对于培养学生多方面的生物学核心素养具有重要意义和价值。通过学习，学生应能描述细胞通过不同的分裂方式实现增殖，理解有丝分裂的过程，认同其是遗传信息在亲、子代细胞中传递一致性的保证，并发展科学思维，培养多侧面的生物科学探究能力。为此，需要教师能优化“细胞分裂主要事实的分析、有丝分裂过程的模型构建、相关演示和观察实验”等关键模块的教学，突破重点、难点、疑点和“链接”点，组合形成多样化、个性化和高效化的课堂结构［1］。

1 1段生物学史：在阐释与传递中重回知识的发生过程

生物科学史记录着人类探索生命世界的足迹，反映着生物学知识构建的认知历程。学习生物学史能使学生依循知识的发生过程，逐渐理解科学的本质和研究方法，感悟科学家献身科学的精神［2］。教材中与“细胞增殖”有关的生物学史并不多，在教学中，如果在筛选的基础上适度补充一些细胞分裂相关探究的关键史实（图1），简约化地加以呈现，则既能为概念学习提供真实、厚重的事实支撑，也可创新课堂教学组织的思路与形式。

图1 细胞分裂相关探究的生物科学史

在教学安排上，可依照生物学史中的探索历程调整知识学习的顺序，将无丝分裂提到有丝分裂之前，将细胞周期放到之后学习。这样既能引导学生揭示或感受知识的发生过程，又遵循了认知规律，提高教学的有效性。教学时可从先前学习过的“细胞学说”出发，提出问题“在早期，施莱登和施旺认为‘新细胞是从老细胞中产生的’，即从老细胞核中长出或在细胞质中像结晶那样产生新细胞。这样的观点是否合理？”让学生建立新、旧知识间的联系，激活思维，产生探究的欲望，并列表逐条呈现无丝分裂、有丝分裂、减数分裂等知识探索的主要史实，引发学生思考和讨论，使其初步认识到“细胞是通过不同的分裂方式实现增殖的，细胞增殖是生物体生长、发育、繁殖和遗传的基础”。在此基础上，可结合草履虫的无丝分裂图片阐述无丝分裂的特点，结合蝾螈细胞有丝分裂荧光显微视频等资料，让学生整体感知有丝分裂的奇妙过程，描述2种分裂方式的主要区别。提供洋葱根尖分生区细胞有丝分裂的显微图片，让学生分组活动，模拟1880年E.A.Strasburger、W.Flemming等科学家的分析探究过程，观察、比较、归纳几种典型的细胞（染色体）形态，并进行圈点、说明和排序（图2）。在展示交流中，学生陈述各自分析、归纳的思维过程，通过师生互动，对有丝分裂几个时期的主要特点有进一步的认识。

图2 洋葱根尖细胞有丝分裂相

2 2个分组实验：在自主与合作中提升探究能力

科学探究能力是高中生物学核心素养中的关键能力。“细胞增殖”教学中涉及到的2个实验，内容不同，各有侧重，均需要演示与分组实验相结合，独立思考与合作探究相结合，培养学生提出问题、作出假设、设计实验等多侧面的探究能力。

2.1 模拟实验：细胞大小与物质运输效率的关系 该实验原理和操作过程比较简单，但关键在于培养学生“合理作出假设、基于证据形成结论及类比推理”等方面的能力，主要环节包括：作出假设→实验过程演示→数据测量与计算→分析形成结论等。其演示过程应方便、快捷，在实验材料上，可选用“淀粉－碘液”或“浅色果冻－红墨水”代替“琼脂－NaOH”组合，加快操作进程，避免药剂腐蚀。为提高教学效率和实验精确度，可事先用不同规格的方形或球形硅胶模具，制作不同尺寸的材料块。演示前要让学生聚焦问题，分组讨论，作出假设。学生讨论时，教师可提出“什么是物质运输效率？是表面积还是相对表面积（S／V）越大效率就越高?”等问题引导和提示，让学生计算不同大小材料块的相对表面积，进而作出假设。实验过程中可提出系列问题引导学生独立思考和逻辑推理，例如：实验材料分别比拟的对象是什么？尺寸不同的材料块物质扩散的深度是否相同？物质扩散的效率是用扩散深度还是用扩散体积进行衡量？可用什么（比例）公式表示，其中哪个变量将决定最终的计算结果？切割完成后，学生在实物投影台上进行展示和测量，根据测量数据分组计算不同边长（直径）材料块中的扩散体积比（表1）。教师可事先在Excel表格中编辑公式，绘制函数图像，当录入动态测量数据后会快速计算结果，生成曲线图。最后，学生根据计算结果，数形结合、分组讨论，基于证据确认或否定假说，形成结论，并认识到物质运输效率是导致细胞不能无限长大的原因之一。

表1 物质运输效率的相关计算举例

2.2 观察实验：根尖细胞的分裂与分化过程 该实验是验证性实验,探究水平较低，主要包括：材料选择、培养、取材及解离、漂洗、染色、制片和镜检等步骤，其目的是培养学生的基本实验操作技能，能在观察视野下获得更多清晰的细胞分裂相，以验证有丝分裂各个时期的主要特征。该实验原理多为陈述性知识，教材已全部列出操作步骤，可通过导学单、微视频等形式在新授课上完成这些基础知识的学习。以此为基础，从以下几个方面开展创新设计和拓展探究。

2.2.1 增加材料选择，延展实验场域 丰富的实验材料可增加学生的选择性，产生更多的探究问题。让学生利用玻璃瓶、饮料罐等废旧材料分组培养洋葱、大蒜、蚕豆、玉米等多种材料，观察和记录根的生长过程。例如，在培养洋葱根的过程中，通过每天测定（蓝黑墨水）标记幼根的总长度及增加长度，可“探究幼根的生长部位”。分析记录结果（表2），可引导学生推测根的生长部位在什么区域？如何进一步确定？分析数据可知洋葱幼根的生长有什么规律？如果要观察有丝分裂，在哪一天取材比较合适？

表2 洋葱幼根生长记录表

2.2.2 扩大观察区域，丰富实验事实 将根尖观察区由2～3 mm扩大为5～6 mm（图3），制片后先在低倍镜下找到根尖的根毛区、伸长区、分生区和根冠，再用高倍镜观察、比较4个区域细胞在形态、长短和结构上的差异，从而区分成熟、生长和分裂细胞的细胞相［3］。引导学生思考：根生长的原因是什么？是否所有的细胞都在分裂？之前推测的生长部位是否得到验证？如果要观察细胞分裂过程，选择哪个区域比较合适，原因是什么？这些区域的细胞分裂后有何去向？通过观察、分析和讨论，学生形成“细胞不能无限长大，根的生长主要是分生区细胞分裂和伸长区细胞伸长的缘故；分生区细胞被根冠包围着，其分裂能力很强，能不断产生新的子细胞，增加细胞数目。大部分的子细胞将生长、分化形成不同类型的细胞，向下补充根冠，向上转化为伸长区和成熟区；如果用根尖观察细胞分裂，最好选择分生区，因为其具有旺盛的分裂能力且细胞核大，没有大液泡，容易观察”等结论。这样，基于生物学事实，问题指向明确，不仅加强了与初中生物学知识的联系，为细胞周期和细胞分化等知识的学习提供感性认识和铺垫，更能激发学生的探索欲望，明确后续实验探究的目的。

图3 根尖示意图［4］

2.2.3 拓宽实验思路，提升探究水平 可安排学生围绕“X＋根尖有丝分裂”这一主题，开展头脑风暴，引导他们从实验材料、培养条件、操作方法等角度提出探究问题，作出合理假设。实验设计要针对不同的探究问题，确定实验变量和反应变量，给出可操作性定义。实验器材、主要步骤和操作方法可参照教材和文献资料适当变化。具体实验时，以小组为单位开展不同主题的探究，也可确定几个代表性、操作性强的问题，在不同的班级分别开展。对于学生探究意愿比较强烈但操作复杂、用时较长的问题，可利用课余时间组织部分学生开展研究性学习，并将结果进行展示、交流和分享。教师要强调实验操作过程的规范性，要求学生观察每组装片的多个视野，获得更多的统计数据，取其平均值，使统计数据更加科学、准确（表3）。

表3 “X＋根尖有丝分裂”探究实验中的变量举例

观察到的典型图像以电子照片形式保留，以表格形式记录数据（表4）。对图像和数据的分析及探究过程的总结反思，安排在另一个课时单独进行。教师应从科学性和准确性的角度，引导学生提取、汇总、分类、综合和分析不同的信息。需要重复实验的果断重复，以便进一步核实数据，确认结论。在分析结果和数据时要坚持科学、客观，对非预期因素下产生的现象和数据要予以重视，这是创新的源泉［5］。要根据结果绘制相关图形，增加分析过程和结果呈现的直观性，Excel表格等信息软件的使用将提高分析的效率和准确度。

表4 根尖有丝分裂相关探究实验结果记录表

3 3种模型构建：在具象到抽象中发展科学思维

模型与建模是高中生物学教学中需要重点培养的一种科学思维方法，能从具象到抽象，定性或定量地描述细胞增殖的主要过程和物质变化规律，形成具有解释力的试探性体系或结构，主要包括物理模型、数学模型、概念模型等。

3.1 体现分裂各期特征的“物理模型” 有丝分裂的各个时期的变化过程和主要特征是教学重点，通过动画演示、现象观察、教师讲述等形式并不能让学生完全理解。如何才能让学生真正掌握，关键是要在“做中学”，在动手实践中实现知识的内化。经多轮教学实践，发现“扭扭棒”是开展有丝分裂模型制作的最佳材料。该材料成本低，来源广，可随意弯、折、扭，还能重复利用。扭扭棒“毛根”上缠着的绒毛可比作组蛋白，内部的细铁丝比作DNA，整个毛根条就可模拟染色质丝，将毛条螺旋化形成圆筒状结构，即可模拟染色（单）体，而不同的颜色则可代表不同来源的染色体。

实际教学中，安排学生分组用PVC板、扭扭棒、图钉、彩笔、胶带等材料制作有丝分裂各个时期的物理模型，模拟染色单体（DNA）复制、螺旋化、着丝粒分裂、染色单体分离等行为。为提高效率，可事先提供参照图例，要求每个小组完成某一个时期的模型构建。各小组完成任务后，先在各小组间交叉比较和评价交流，然后再在全班范围内进行展示、陈述和互动。展示时，可按时期依次进行，不必拘泥于动、植物细胞分裂的异同，关键是要让学生找准原型和模型之间的联系，紧紧抓住“复制→浓缩→排列→分裂→平分”这根主线，重点阐述各时期物质和结构的变化特点，理解有丝分裂的本质。此外，引导学生开展自评、互评、补充、完善与反思。在此基础上，可将模型制作活动拓展到课外，学生制作和拼装“细胞周期转盘”，并以此为“学具”，模拟“抽奖大转盘”，在“游戏”中学习和探究，既增加趣味性，又利于突破难点，提升教学的有效性。

图4 学生用“扭扭棒”制作的有丝分裂各时期物理模型

3.2 反映物质变化规律的“数学模型” 构建直观的物理模型，从抽象到直观，让学生对细胞分裂各时期的主要特点和变化过程有更深刻的理解和认识。若要进一步发现其内在的变化规律，还需要从直观回到抽象，在认识的飞跃中，提升思维水平。要以图示、数字、符号等形式对有丝分裂过程中DNA、染色体、染色单体等物质和结构的数目变化进行抽象化的表达和概括，构建数学模型。在显微观察、物理模型制作（绘图）的基础上，让学生学会“数数”，进一步辨析“着丝粒、染色体、染色体单体和DNA分子”之间的数量关系，以2n和2a为起点，根据有丝分裂的变化过程，分别推测各时期的染色体数和DNA含量变化，并用曲线图、柱状图等形式描绘变化过程，揭示变化规律。为便于学习，可设计导学表格，将上述过程问题化、层次化和流程化，形成由易到难、由简单到复杂、由具象到抽象的思维路径（表5）。

表5 有丝分裂过程中的“数形结合”

完成数学模型构建后，教师要及时精讲点拨，进一步帮助学生在显微图像、模拟图像、坐标图像之间建立有机联系，并能熟练进行转换。在分组讨论时，引导学生联系有丝分裂各个时期的主要特征，对曲线的转折点和关键阶段进行分析、比较和判断。运用变式，变换坐标含义和图像类型，加强综合训练，再现重要概念，学生在解决问题的过程中，熟练运用知识，提升科学思维能力。

3.3 呈现知识网络结构的“概念模型” “细胞增殖”学习涉及新知识、新概念较多，以概念图的形式建立意义联系，形成结构化的知识网络，将有效促进相关知识的理解和内化。例如，有丝分裂各个时期特征的教学之前，可让学生梳理染色体、蛋白质、DNA、着丝粒、染色质、染色体单体等众多概念之间的联系，通过箭头、虚实线及“螺旋化、具有、决定”等文字，形成概念图［7］（图5）。这既是对前一内容的总结，理清了关键知识点，也是一种先行组织者，为后续学习提供了基础，架设了“桥梁”。又如，完成“细胞增殖”的学习后，可在主要概念和分裂过程之间建立联系，形成知识网络框架，在课堂总结中构建重要概念，呼应学习目标（图6）。

图5 染色体、DNA、姐妹染色单体等相互关系

图6 “细胞增殖”知识网络框架

4 4套教学方案：在模块组合与变换中优化课堂结构

“关键模块”的创新设计为课堂教学提供了支点和亮点，但一节好课不能仅关注某个片段或局部，要对整体教学内容进行“谋篇布局”，在不同模块的组合和变换中优化课堂要素。上述教学模块可单独使用，也可组合变换。

方案1：模拟实验→导学、助学→模型构建→生物学史→分组实验。以模拟实验创设问题情境，分析细胞不能无限长大的原因，引入新课。通过问题导学、视频动画、教师点拨，学生认识有丝分裂的主要时期和特点，以此为基础上开展模型构建，由具象到抽象，提升认识水平，逐步构建细胞周期的概念。了解相关生物学史，体悟科学探索历程，认识不同的细胞分裂方式，比较动、植物细胞有丝分裂的异同，总结其意义。通过分组实验验证有丝分裂的过程，拓展探究有丝分裂的影响因素。

方案2：生物学史→导学、助学→模型构建→分组实验、模拟实验。以生物史的相关探索历程作为知识学习的主线，提供主要探究史实，认识细胞分裂的方式和有丝分裂的主要过程，归纳动、植物细胞有丝分裂的异同。通过问题导学、教师助学，分层开展模型制作，深入理解有丝分裂的特征，构建细胞周期的概念。交叉开展观察实验和模拟实验，认识细胞分裂的本质，理解有丝分裂的意义。

方案3：实验结果呈现→导学、助学→物理与数学模型构建→分组实验→生物学史→概念模型构建。以前一个班的有丝分裂实验观察结果创设问题情境，通过问题导学和多种形式的助学活动，学生认识有丝分裂的主要过程，分组依次构建物理模型和数学模型，深入理解有丝分裂遗传物质的变化规律，建立细胞周期的概念，比较动、植物细胞有丝分裂过程的异同点，理解有丝分裂的实质。

方案4：物理模型呈现→生物学史→精讲点拨→分组实验→数学模型构建→概念模型构建。以前一个班级制作的物理模型创设问题情境，引入新课，结合相关生物学史，了解细胞分裂的方式和有丝分裂的主要过程，建立细胞周期的概念。通过教师精讲点拨，认识遗传物质在其中的变化特点，了解实验原理和操作过程。拓展探究思路，开展分组实验，分析实验结果，构建数学模型，理解有丝分裂的变化规律，分析动、植物细胞有丝分裂的异同，构建细胞增殖的概念模型。

以上4种教学方案结构不同，特点各异，均能体现新课程理念，能较好地培育学生的生物学核心素养，其实施过程一般需要2～3个课时。需要指出的是，“关键模块”并不是教学的全部，也并不是所有模块都要创新或都要呈现，关键是要满足教与学的需要。实际教学中应根据学情合理删减、调整和优化；通过问题导学、视频动画、教师点拨等多种方式做好模块间的过渡与衔接。对于关键模块的内容范围，也可再扩大或缩小，这需要教师在今后的教学实践中不断总结和完善，逐步形成自己的教学特色和风格。