模型与建模在高中生物学教学中的应用

黄伟明

摘要 在“减数分裂”第 1 课时教学中，指导学生开展减数分裂物理模型、数学模型及概念模型的建模活动，有效帮助学生直观、形 象地建立与理解减数分裂时染色体的变化特点，以及减数分裂的生物学意义，形成结构与功能观、稳态与平衡等生命观 念，提升科学思维能力与科学探究能力。

关键词 模型;建模;减数分裂;生命观念;科学思维

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（下文简 称课程标准）明确提出高中生物学教学要让学生学会 运用模型进行建模。^[1]為此，笔者尝试开展高中生物 学模型与建模教学实践与研究，以期激发学生科学探 究兴趣，习得生物学知识，形成生命观念，提高科学思 维能力与建模能力。本文以“减数分裂”第1课时教学 为例，探讨建模教学策略。

一、“减数分裂”第1课时建模教学概述

“减数分裂”是2007年版人教社《高中生物·必修 2·遗传与进化》（下文简称教科书）第2章第1节内容， 包括以哺乳动物精子和卵细胞形成为例介绍减数分 裂过程，观察蝗虫精母细胞减数分裂固定装片实验与 建立减数分裂中染色体变化的模型活动等。“减数分 裂”是高中生物必修2模块教学重点和学习难点，为学 生学习遗传和变异、生物进化等知识奠定基础。课程 标准对该部分内容的教学要求是“阐明减数分裂产生 染色体数量减半的精细胞或卵细胞”。建议开展“运 用模型、装片或视频观察模拟减数分裂过程染色体的 变化”教学活动，帮助学生能够运用细胞减数分裂的 模型，阐明遗传信息在有性生殖中的传递规律，重点 发展生命观念、科学思维维度的生物学核心素养。^[2]

“减数分裂”第1课时教学聚焦减数分裂过程中染 色体变化及其生物学意义，通过比较分析有丝分裂与 减数分裂的异同点、观察与分析精子形成过程示意图 等，促进学生树立结构与功能观、稳态与平衡观等生 命观念，提高比较分析能力。从“直观教具呈现、模型 方法运用、模型与建模实施”等三个层次，由浅入深、 从具体到抽象逐步指导学生运用磁性染色体模型，建 构减数分裂模型，帮助学生归纳减数分裂概念及减数 分裂过程，举例说明减数分裂特点及结果，阐明减数 分裂过程中染色体发生自由组合和互换的意义，提高 观察能力、综合分析能力与建模能力，为学生建立重 要概念“有性生殖中基因的分离和重组导致双亲后代 的基因组合有多种可能”，以及大概念“遗传信息控制 生物性状，并代代相传”奠定基础。^[2] 二、“减数分裂”第1课时建模教学设计与 实施

模型能对认知对象本质特征进行简单且直观的 概括与描述。^[3]建模是指运用生物模型解决生物学问 题。其实质是运用模型设计新的知识结构，通过对表 象的操作、加工而实现的思维活动。建模可以促进学 生调动多种感官、充分发挥想象力进行探索，提高科 学思维能力、科学探究能力与创新能力。^[4]

（一）建构有丝分裂模型，导入新课教学

创设“精子是怎样形成的”问题情境，指导学生运 用红、黄色及长短不同的两对磁性染色体模型建构有 丝分裂模型，复习有丝分裂过程中染色体行为变化的 规律，加深对有丝分裂及其生物学意义的理解。进一 步指导学生观察教科书第16页“果蝇体细胞和配子的 染色体图”，分析精子形成的方式，得出“精子的形成 不能通过有丝分裂”的结论。由此引出本节教学课题 “减数分裂” ，并介绍减数分裂发现史上科学家魏斯曼 的预言“精子和卵子染色体数要减半”。

通过建构有丝分裂模型，激发学生的好奇心与学 习兴趣欲望，营造浓厚的科学探究气氛，促进学生主 动参与建模活动，建立“细胞分裂过程实质是染色体 的行为变化”的认识，提升观察能力与分析能力。

（二）建构减数分裂模型，开展建模教学

• 建构减数第一次分裂模型

指导学生观看减数分裂动画视频，了解精子形成 时减数分裂过程，初步认识同源染色体、姐妹染色单 体、联会及四分体等生物学专业名词。并组织学生根 据教科书第19页“哺乳动物精子的形成过程图解”建 构减数第一次分裂模型。

首先，每桌两位学生合作运用8个长短不同红黄 两色的磁性染色体模型代表8条染色单体，建构颜色 和长度两两相同的4条染色体，即减数第一分裂前期 模型。接着，学生建构减数第一分裂中期、后期染色 体模型。有的学生将长短一样、红黄色不同标记的同 源染色体配对，分别摆放在细胞赤道板上。有的将其 中一个四分体交叉摆放。最后，学生将长短不同、颜 色不同的染色体分别移至细胞两极，表示两对同源染 色体分离，完成减数第一次分裂，染色体数目减半，产 生两个次级精母细胞。

根据建模教学目标及建模难易程度，请不同学习 程度的学生展示小组合作建构的减数第一次分裂模 型，指导学生进行相互评价，及时发现存在的问题并 修正模型，帮助学生直观、形象地了解减数第一次分 裂前期时每条染色体是由两个染色单体组成的，这两 条染色单体长短颜色是一致的，说明其是来自父方或 母方的一对同源染色体。加深学生对同源染色体、姐 妹染色单体、联会与四分体等概念的认识，厘清其相 互之间的关系，避免死记硬背。进而引导学生思考与 讨论：①同源染色体如何分离？何时分离？非同源染 色体如何自由组合？何时自由组合？ ②四分体的交 叉互换是否会改变遗传信息？为后续学习基因重组 打下基础。

• 建构减数第二次分裂模型

学生继续运用磁性染色体模型建构减数第二次 分裂模型，加深理解染色体数目加倍的原因是着丝点 分裂。并指导学生进一步思考：减数分裂形成生殖细 胞过程中，若没有纺锤体形成，能否产生正常生殖能 力的生殖细胞？为学习染色体变异打下基础。

通過小组合作建构减数分裂模型，使学生直观地 认识减数分裂过程染色体行为与数目变化过程，促进 学生建立与理解减数分裂概念及其生物学意义，培养 学生合作的精神，提高科学思维能力与建模能力。

• 建构减数分裂数学模型

在本课时小结环节，要求学生建构减数分裂染色 体数目变化数学模型，并进行展示与互评，修正存在 的错误。指导学生分析染色体数目加倍处是垂直线 条、DNA数目加倍处是斜线条的原因，厘清减数分裂 过程中染色体数目变化与DNA数目变化之间的关系， 提高运用知识能力。

此外，本节课后要求学生独立绘制减数分裂概念 图，让学生以概念模型的形式表征对减数分裂的认 识。通过建构减数分裂物理模型、数学模型及概念模 型的方式，促进学生深入理解减数分裂这一重要概念 及其生物学意义，做到知其然，知其所以然。

三、“减数分裂”建模教学反思

（一）激发学生的探究欲望，学习与运用建模方法

运用模型开展建模活动有利于激发学生的好奇 心与探究欲望，让学生在建模实践中，正确理解抽象 的减数分裂概念，直观、形象地认识减数分裂过程中 染色体行为与数目变化，改变传统的死记硬背减数分 裂各个时期染色体变化的现象，彰显了高中生物学的 理科属性，使得学生习得生物学概念，形成生命观念， 学习与运用建模方法，提高科学思维能力、科学探究 能力与创新能力

（二）调整教学内容及保证充足的建模活动时间

根据学生的认知水平，将减数分裂教学内容调整 到“遗传因子的发现”之前，有利于学生基于对有丝分 裂的认识，运用模型与建模学习重要概念减数分裂， 为后续学习孟德尔豌豆杂交实验、遗传分离定律和自 由组合定律奠定基础。此外，为了保证充足的建模活 动时间，编写导学案指导学生进行预习，并以小组合 作建模的方式进行减数分裂学习，有利于学生相互帮 助，当堂完成建构减数分裂模型的任务。

参考文献：

[1]刘恩山，曹保义 . 普通高中生物学课程标准（2017 年 版）解读[M]，北京：高等教育出版社，2018.

• 教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版）[S].北 京：人民教育出版社，2018.
• 朱止威，赵占良.普通高中教科书·生物学·必修1·分 子与细胞[M].北京：人民教育出版社，2019.
• 赵萍萍，刘恩山 . 生物学建模教学研究进展及启示[J]. 生物学通报，2015（1）.
• （责任编辑 ：陈 欣）