基于思维可视化的生物学重要概念教学设计研究

高颖

【摘 要】“细胞增殖”是高中生物教学的重要内容，其中有众多重要的、抽象的生物学概念。以模拟实验探究、数学建模分析，问题情境探究、思维建模探究等多种探究活动为载体，剖析相关生物学概念，引导学生进行概念建构。

【关键词】思维可视化;重要概念;有丝分裂;数学建模;思维建模

1.教学背景分析

1.1本节内容的地位和作用

细胞增殖是生物体的重要的生命特征，细胞增殖的实现，要依靠细胞各个结构协调和统一，强调了“细胞是构成生物体基本的结构和功能单位”这一重要生物学概念。这部分知识与必修二“减数分裂”、“遗传的分子基础”等知识有密切联系。有丝分裂的过程及各个时期的特点等知识又与必修二“减数分裂”知识有直接的关系。所以本节在知识的学习上起着承上启下的重要作用。

1.2概念分析

《课程标准》指出：“生物学重要概念处于学科中心位置，包括了对生命基本现象、规律、理论等的理解和解释，对学生学习生物学及相关科学具有重要的支撑作用。”一般来说，处于上位的重要概念的抽象度较高，是生物学科的核心知识，重要概念又通过较为具体的、处于下位的一般概念和事实性知识达成。

根据《课程标准》和《教学指南》，结合教学实际，笔者对本节的重要概念、一般概念和事实性知识及其相互关系进行了梳理如下。

重要概念：细胞增殖是生物体的重要生命特征，细胞以分裂的方式进行增殖。

一般概念和事实性知识：细胞表面积与体积的关系、细胞周期、有丝分裂、分裂间期、分裂期、染色体（质）、着丝点、姐妹染色单体、核DNA。

1.3学情分析

学生在初中七年级上册曾经学过《细胞通过分裂产生新细胞》，具有一定的生物学基础，但没有深入到细胞水平。作为高中生有了一定的自学能力，求知欲也较为强烈，思维模式也正从形象思维到抽象思维进行转移。

2.教学目标设定

2.1知识目标

通过建立数学模型的方法，准确说出细胞大小与物质运输效率的关系，简述限制细胞长大的原因;说出细胞周期的发生条件和阶段，能在相应情景中判断一个细胞周期的时间范围;准确描述动物细胞有丝分裂各阶段的主要特征，一个细胞周期中染色体、核DNA的数目，识别相应的图像;说出细胞增殖的意义。

2.2能力目标

尝试用模拟实验的方法进行科学研究，通过模拟实验培养学生观察实验现象、分析实验数据、归纳和推理实验结论的能力;通过学习有丝分裂过程培养学生分析图像、解读图像的能力。

2.3情感态度与价值观目标

体验科学探究的基本过程，形成严谨的科学态度和实事求是的科学精神;通过有丝分裂过程中染色体形态、数目、行为等变化特点的学习，培养学生建立科学的世界观;通过对细胞分裂各时期图像的观察、描述以及制作模型等活动，养成严谨求实的科学态度。

3.教学重难点

教学重点：利用模型探究细胞大小与物质运输的关系;

细胞增殖的周期性;有丝分裂的过程及有丝分裂的特点。

教学难点：理解细胞大小与物质运输的关系;有丝分裂过程中染色体、染色单体和DNA的数量变化规律及其相互间的关系。

4.教学准备

4.1模拟实验准备及微课制作

称取20g琼脂置于700mL蒸馏水中，加热融化。称取0.06g酚酞溶解于20mL体积分数为95%的酒精溶液中。待琼脂溶液温度降至80℃时加入酚酞溶液，搅拌均匀，冷却后切割成边长分别为1cm、2cm、3cm的琼脂块。将琼脂块放入0.2%的NaOH溶液中，观察NaOH溶液的扩散至琼脂块的过程。拍摄实验视频和照片，制作微课，其中NaOH扩散进琼脂块的过程采用10倍速播放，更清晰的观察琼脂块由外及内逐渐变红的动态过程。

4.2教（学）具准备

准备卡纸、扭扭棒、透明胶、马克笔、文件袋，课前发给学生，于课堂上让学生以小组合作的方式制作有丝分裂分裂期各时期模式图。

5.教学过程

5.1通过微课互动教学及数学建模探究细胞表面积与体积的关系

主要设计意图：学生对“表面积与体积比即相对表面积”并没有明确的概念，如何让学生从“大小”、“表面积”、“体积”等概念转到“表面积与体积比即相对表面积”是一个难点。对实验现象的初步分析、通过建立数学模型对实验结果进一步分析是突破该难点的有效手段。教师通过问题串层层递进，将学生讨论的重点由“细胞的表面积”、“细胞的体积”转到“细胞的表面积与体积比即相对表面积”，进而联系到“细胞的表面积与体积比”与“物质的运输效率”的关系上。

5.2通过问题情境探究、小组合作讨论自主学习细胞周期概念

主要设计意图：在概念的学习过程中，若仅停留在具体概念的结论上，概念很容易遗忘。细胞周期相关概念的教学，不仅仅让学生理解和掌握细胞周期的定义，还需要学生能在新的情境下进行迁移应用。因此，细胞周期概念的起止点、生成的条件和分裂间期、分裂期的时间分配等概念要素尤为重要。教师通过设置一系列情境，让学生细化细胞周期的概念，体会相关概念要素，从而体验概念的生成。

5.3通过思维建模探究有丝分裂过程中染色体的形态、数目、行为的变化

主要设计意图：有丝分裂过程中染色体是如何复制和平分及其相关概念的建构是本节课的重点。教师以学生学习过的、较为熟悉的染色体（质）为切入点，再以一条染色体为例，模拟染色体在有丝分裂过程中是如何复制和平分的，让学生在过程中理解姐妹染色单体、核DNA与染色体的关系，明确染色体、核DNA和姐妹染色单体的数量判断方法。经过两轮教学互动，再分别以四条、两条染色体为例，学生以小组合作探究的方式制作分裂期各时期模式图并进行展示评比，学生在亲自动手操作的过程中，对之前学习的相关概念修正。

5.4评价教学效果，利用思维导图进行概念建构

主要设计意图：首先利用模式图、学案对有丝分裂全过程进行再次梳理，使学生对有丝分裂过程有个整体的认识。在有丝分裂过程中，有许多相似的概念易混淆，如染色体的复制、染色体的加倍等，把这些相似的概念列举出来，以快问快答的方式提问学生，若遇到概念混淆错误及时纠正，有利于学生的自我检测和教师教学的查漏补缺。有丝分裂过程中染色体和核DNA的数量变化规律也是本节的重要概念，让学生尝试绘制曲线图，培养学生概念迁移的能力。

6.教学反思

“探究细胞大小与物质运输之间的关系”的模拟实验在琼脂浓度的配置上，琼脂粉与蒸馏水的质量比不低于1：50，即1000mL蒸馏水融化20g的瓊脂。琼脂溶液浓度过低，冷却后的琼脂硬度不够，易变形，切琼脂块成型率不高或放入含酚酞的NaOH溶液后扩散效果不佳。NaOH溶液浓度为0.1%，NaOH扩散时间过长，导致琼脂块红色和无色的界限不明显，NaOH溶液浓度在0.15-0.2%之间为宜。扩散现象是由分子的无规则运动形成的，根据分子的热运动规律，温度越高，构成物质的分子的运动速率越快，扩散速度也就越快，而本次实验的时间是在冬季，在配置NaOH溶液时，保持NaOH溶液于常温下（高于环境温度），可以提高NaOH扩散速率，实验现象更加明显。

模型建构能以直观的形式来表示复杂的实物，在进行“有丝分裂过程中染色体的形态、数目、行为的变化”相关内容教学时，采用模型建构的方法建构有丝分裂的相关概念，使学生对染色体在有丝分裂过程中的形态、数目、行为的变化有了直观的了解，使原本抽象的概念通过建构思维模型直观化、可视化。最后在通过学生体验式学习、自主制作实物模型，使抽象、零散的概念清晰呈现，更直观化、系统化。

【参考文献】

[1]汪忠.生物1.遗传与进化·教学指南[M].江苏凤凰教育出版社，2013：133-143

[2]普通高中生物学课程标准（2017年版）[M].人民教育出版社，2018：14

（基金项目：江苏省教育科学规划课题“基于思维可视化的生物学重要概念教学设计研究”，No.E-b/2013/006）