基于科学思维和科学探究的“减数分裂第1课时”教学设计

闫 霞 安 军

（北京市第一0 一中学 北京 100091）

1 教材分析

人类对减数分裂的发现和认识，为理解遗传物质的传递规律奠定了细胞学基础。减数分裂的内涵包括：1）减数分裂是有性生殖的生物在产生精子和卵细胞时进行的染色体数量减半的细胞分裂。减数分裂过程中，染色体只复制1 次，细胞连续分裂2 次；2）由于减数分裂过程中染色体的特殊行为产生了极其多样的配子类型，这有利于有性生殖的生物在自然选择中进化。19世纪末魏斯曼预言了生殖细胞的形成过程应该是一个特殊的减数分裂过程，他的假说被后来大量的实验观察所印证。

减数分裂历来是教学的难点，学生很难理解减数分裂过程中染色体的复杂行为，特别是对“同源染色体”概念的建立存在困难。

本教学设计有2 条主线：1）精选减数分裂发现史中的4 个关键素材，创设问题情境，模拟科学家工作，引导学生经历假说-演绎的科学探究过程，通过观察、归纳、概括、推理和建模等方法，认识同源染色体，并清晰减数分裂的概念。在这一过程中培养和训练学生的科学思维，在思考中建立概念。这样的教学设计指向发展学生的生物学科核心素养。2）用“对减数分裂价值的思考”贯穿教学始终。从一开始单元核心问题的导入就有意引导学生关注配子多样性的问题，再到学习过程中对素材的分析，使学生在学习减数分裂过程染色体行为变化时不断感悟这种变化对配子多样性产生的意义。这样的设计目的在于渗透生命观念中的进化适应观。

2 教学目标

1）通过引导学生提出假说、设计实验、分析实验结果，构建减数分裂的概念，培养科学探究能力（科学探究、科学思维）。

2）通过图解构建减数分裂过程中染色体变化的模型，使学生感悟观察、假说、质疑、推理、建模等方法在科学研究中的重要作用（科学思维）。

3）初步解释配子具有多样性的原因，理解有性生殖产生的变异在进化中的作用（进化适应观）。

3 教学重、难点

1）重点：减数分裂过程中染色体的行为；减数分裂的概念。

2）难点：同源染色体概念；减数分裂过程中染色体的行为；配子多样性的原因。

4 教学过程

4.1 创设情境，提出问题 有性生殖的生物个体在其发育过程中，细胞要经过有丝分裂和细胞分化的过程。如果该个体成年后，其产生的精子或卵细胞是通过有丝分裂形成的，精、卵结合形成受精卵时，会发生什么现象？这一问题使学生体会精子、卵细胞中染色体数目必须减半，否则亲子代体细胞中的染色体数目就不能恒定。教师介绍：在精子、卵细胞的形成过程中，必然有一个特殊过程使染色体数目减半，这个特殊的过程叫减数分裂。接着提问：一对夫妻生了多个孩子，为什么每个孩子长得都不相同？引导学生想到人类产生的精子和卵细胞具有多样性。即减数分裂要完成2 个任务，一个是使染色体数目减半，同时还能实现配子多样性。

提出本节课的核心问题：在形成配子的过程中，如何实现染色体数目减半，同时还能产生多样性的配子？

4.2 利用假说－演绎法构建减数分裂的定义 学生分组讨论分析减数分裂产生的配子中的染色体数目为什么只有体细胞的一半？（提示可以与有丝分裂相比，复制1 次分裂1 次）。学生提出的假说1：细胞直接分裂1 次；假说2：染色体复制1 次，细胞连续分裂2 次。

表1 不同生物体细胞中染色体数目

出示不同生物中染色体数目表（表1），引导学生设计实验验证假说，要求说出选材原则和实验步骤。

总结选材原则：简单（染色体条数少），材料易得，最后在多个物种中研究，得到普适规律。科学家一般选择模式生物为实验材料，让学生感受到实验材料在科学研究中的重要性。

史料1：鲍威尔在1887年首次观察到了马蛔虫减数分裂的过程，发现马蛔虫的一个原始生殖细胞经过减数分裂后产生4 个细胞。

根据史料1 学生认识到细胞一定是分裂了2次，即假说2 正确。师生共同总结减数分裂的定义。此环节可以让学生体会科学探究和分组合作的乐趣。

4.3 精子形成过程及精子多样性的原因

问题：以精子形成过程为例，研究精原细胞（图1）是如何分裂成精细胞的？

图1 精原细胞

4.3.1 同源染色体概念的建立

史料2：1891年亨金首次正确描述了减数分裂的过程，他观察某种蝽（2n=24）时发现：在减数第一次分裂时，染色体开始呈现一种环状，共有12 个环状物。

图2 配对的染色体图［1］

提问：在减数第一次分裂过程中，难道细胞还没有分裂成2 个，染色体数目就减半了？

引导学生说出每个环状物很可能是一对染色体，减数第一次分裂时染色体两两配对了。出示环状物放大图及模式图。

引导学生分析图2 得出同源染色体的概念。告诉学生人有23 对染色体（图3），就是指有23对同源染色体。其中包括22 对常染色体和1 对性染色体，XY 代表男性，XX 代表女性。XY 是一对特殊的同源染色体。让学生分析Y 和X 的来源。

学生能深刻理解同源染色体中的2 条染色体一条来自父方一条来自母方，大小形态一般都相同。基于科学史，先观察后分析的方法突破教学难点——同源染色体的概念。

图3 男性的染色体核型［1］

4.3.2 认识“同源染色体分离”出示科学家在观察蝗虫减数分裂时得到的图片（图4）让学生分组画出减数第一次分裂后期的染色体行为图。这是第2 次引导学生提出假说。

图4 蝗虫减数分裂［2］

总结分析学生构建的减数第一次分裂后期模型图（图5），减数第一次分裂后期是同源染色体分离还是姐妹染色单体分离？引发观点的冲突，科学家为此问题也争论了10 多年。直到新的研究结果的出现，这与实验材料密切相关，科学家发现雄蝗虫性别决定是XO，雌蝗虫性别决定是XX。再次让学生感受到实验材料在科学研究中的重要性。

图5 不同学生构建的减数第一次分裂后期模型图

史料3：科学家发现雄蝗虫（2n=23，XO 型）减数第一次分裂结束后，结果产生2 类细胞，一类细胞含有X 染色体，一类细胞不含性染色体。

基于实验事实，学生通过观察、猜想、建模、推理、模型修正，构建概念——减数第一次分裂后期是同源染色体的分离。

4.3.3 认识“非同源染色体自由组合”分析图5中学生1、学生2 构建的模型，提问：减数第一次分裂后期移向细胞每一极的非同源染色体的组合是随机的吗？

史料4：1913年，Eleanor Carothers 发现雄蝗虫（2n=23，XO 型）常染色体中有一对特殊的同源染色体，其大小不等，她统计了300 多个细胞，X 染色体与那对大小相异的同源染色体的组合，接近1∶1。

基于对史料4 的分析讨论推理，学生可以理解减数第一次分裂后期同源染色体分离的同时，非同源染色体自由组合。

教师总结减数第一次分裂过程中染色体的行为，然后提问减数第二次分裂过程中染色体如何变化？

图6 学生构建的减数第二次分裂模型图

师生共同总结减数分裂过程中染色体的行为。评价：观察所构建的减数分裂模式图，尝试解释上课初始提出的问题：“染色体在哪一过程减半的？配子多样性是如何形成的？”4.4 减数分裂的价值 一对夫妻生了很多个孩子（同卵双胞胎除外），能否出现完全一样的孩子？

让学生分析人体有23 对染色体，减数分裂过程中产生的精子种类223种（仅考虑同源染色体分离，非同源染色体自由组合）。

教师提升：有性生殖的生物产生的配子具有多样性，加上受精过程中精卵随机结合，同一双亲的后代必然呈现多样性。这种多样性有利于生物在自然选择中进化，体现了有性生殖的优势。此环节的设置是为了让学生从进化角度思考减数分裂，逐步形成进化适应观。

5 教学反思

本节教学设计特别关注学生的猜想，实验验证，根据实验结果修正假说（主要培养学生的科学思维和科学探究能力）。对于学生来说，创新力是可以培养的，应在课堂中给学生猜想的机会，而不是仅让学生通过资料归纳总结、演绎推理，更不是直接告诉学生概念。此外，在第1 课时就谈及减数分裂的价值——有利于有性生殖的生物在自然选择中进化，体现进化与适应观。这是单元整体备课的必然结果。只有将生命观念渗透在每一节课中，学生才能逐步建立生命观念。

从课堂教学具体实施来说，本节课暂时舍弃掉一些新的名词，例如四分体、联会、初级精母细胞、次级精母细胞等，极度关注染色体的行为。减数分裂过程中同源染色体的行为很重要，对于同源染色体的概念提出，本节课采取的方法是：遵循科学史，科学家在减数第一次分裂过程中观察到12 个环状物（该物种精原细胞中染色体数目是24条），学生可以猜到科学家看到的每个环状物实际上配对的2 条染色体，说明减数第一次分裂过程中染色体要两两配对。放大其中一个环状物，观察到构成环状物的2 条染色体大小形态基本一样。接着解释人体体细胞中的23 对染色体就是23 对同源染色体，期中XY 是一对特殊同源染色体，让学生分析X 和Y 的来源，很容易想明白Y 来源于父亲，X 来源于母亲。通过这样的方式突破教学难点——同源染色体的概念。在这一环节，学生也观察到结成环的环状物之间的交叉现象，为下一节课学习交叉互换，进一步学习配子的多样性埋下伏笔。