单元整体教学视域下基于模型建构培养科学思维的教学设计——以“有丝分裂的过程”为例

徐思麒 周丽婷

（浙江大学附属中学 浙江杭州 310000）

著名天文学家卡尔·萨根曾说道：“科学与其说是一种知识体系，不如说是一种思维方式。”思维培养对于科学教育的重要性显而易见。《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》）中指出：科学思维是尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。作为生物学科核心素养的维度之一，科学思维是高中生物学课程的重要目标，以模型建构为教学策略有助于培养科学思维。

单元整体教学以学科核心素养为目标，以“情境—任务—活动—评价”为课时教学蓝图，强调知识的结构化和整体化，避免学习的浅表化和碎片化，能有效达成单元重要概念的建构。在此理念下，笔者对于“细胞的生命历程”进行了单元整体教学设计，将概念学习及核心素养培养落到实处。其中，运用模型建构帮助学生达成对于“有丝分裂保证了遗传信息在亲代和子代细胞中的一致性”这一次位概念的理解，同时有效提升了学生的科学思维。

1 教材分析与设计思路

1.1 单元整体教学流程

本单元为浙科版高中生物学《必修1·分子与细胞》第四章“细胞的生命历程”。笔者梳理本单元各概念之间的联系，以“头发的生长和脱发问题”作为贯穿本单元的核心情境，围绕着这一情境开展教学内容，并设计单元教学任务；以支撑本单元的重要概念所需的次位概念为课时教学主题，以“问题—任务—活动—评价”为主线展开课时教学，共分为5个课时，每个课时对应不同的次位概念目标，共同聚焦本单元重要概念的学习。本单元的教学流程如图1所示。

图1 “细胞的生命历程”单元整体教学流程

1.2 课时内容分析

本课时是本单元设置的第2课时。第1课时的教学主要引出单元情境，并探讨“头发生长有哪些时期？细胞为什么会增殖？”等问题，通过设计实验探究“细胞大小和扩散作用之间的关系”，让学生初识物理模型，为后续学习打下基础。

本课时主要围绕着“头发为什么会生长”这一核心问题，引出毛母细胞的增殖过程，促使学生分析细胞分裂中染色体的变化状态，逐步构建毛母细胞增殖的物理模型。学生通过模型建构的“选材—构建—验证—修正”过程，学习物理模型的构建原则，充分体验构建过程；分析不同时期的不同物质和结构的系列变化，形成“结构和功能相适应”的生物学观念。细胞分裂的生理过程是复杂抽象的，学生仅凭借书上的插图无法全面理解有丝分裂的过程和遗传物质的变化规律。教师可通过制作物理模型等方式，把微观变宏观，抽象变具体，发展学生的科学思维，培养学生的生物学学科核心素养。同时，本课时的结尾提出“不同状态下的毛母细胞增殖是否相同”，引出后一课时对于细胞增殖影响因素的探究。

2 教学目标

（1）简述细胞周期的概念，概述有丝分裂的过程，说出细胞有丝分裂各时期的物质和结构的变化特征，明晰其中的生物学意义，进一步形成结构和功能相适应的观念。

（2）制作毛母细胞有丝分裂的物理模型，学习模型制作原则，合理选材并充分体验模型构建的完整流程，发展模型与建模的能力，提升科学思维。

（3）基于有丝分裂的相关概念，思考如何使头发更快变长及癌症抑制等问题，将知识运用于生活实际，培养社会责任素养。

3 教学过程

3.1 创设情境，引出任务

教师从“短头发X老师的困扰”导入，请学生思考如何帮助X老师拥有一头飘逸的长发，激起学生的学习兴趣。教师播放视频《头发的增长期》，提出问题：①头发为什么会变长呢？②分裂增殖形成的子细胞与毛母细胞在细胞结构上会相同吗？依据是什么？③如何保证子细胞和母细胞的遗传物质相同呢？同时，教师展示动物细胞结构图，在学生回答问题的基础上，引出“要保证子母细胞的遗传物质相同，最重要的是染色质的复制和精确均分”这一核心任务。

设计意图：教师创设情境，从“头发的生长问题”自然过渡到对于“毛母细胞增殖过程”的探究，进而引出细胞增殖的核心任务“染色质的复制和精确均分”，为后续制作模型做铺垫。

3.2 引导学生掌握建模的原则并选择合适的制作模型的材料

教师引导学生思考：毛母细胞非常微小，其分裂过程不易观察。为方便研究，我们可采取什么方法将其宏观表现出来？学生有之前的学习基础，可联想到采取构建物理模型的方法。教师展示模型构建的基本原则：①相似性原则；②简化性原则；③可验证性原则；④可修正性原则。并提出问题：遵循以上原则，如何构建毛母细胞的染色体组成模型？教师展示不同二倍体生物细胞中的染色体，让学生寻找共性。学生可发现这些细胞中的染色体均有“成对”和“不成对”的特点。教师进一步引导学生思考：如何表示染色质（体），并体现出这样的特点？学生回忆染色质的构成、染色质和染色体之间的关系等知识，画出两者的结构和关系图。教师用毛根（扭扭棒）来比拟染色质：中间的铁丝可类比DNA，外面的毛可类比蛋白质，一条长长的毛根可类比染色质，扭几圈变短后可类比染色体。学生观察实物思考。

根据染色体和染色质的不同形态特点，师生共同讨论细胞分裂过程中染色质和染色体的变化顺序，如染色体复制时的形态、分裂时的形态等，并用毛根在KT板上摆出，如图2所示。学生可以直观感受一条染色质在不同时期的变化特点。

图2 用毛根模拟细胞分裂中染色质（体）的变化顺序

教师提出问题：如何表现“成对和不成对”的特点？学生积极思考并选择两大两小的4条毛根，每两条的大小和形态相同，以此来表示毛母细胞具有成对和不成对的特点；以不同的颜色表示一条来自父方，另一条来自母方。

设计意图：学生学习模型构建的基本原则时，教师选择毛根来比拟染色质（体），充分体现相似性原则。学生讨论染色质（体）在不同时期的变化顺序，感受“结构和功能相适应”的生物学观念；并根据简化性原则，通过对二倍体生物细胞中染色体的观察，得出“成对”和“不成对”的特点，从而选择合适的数目和颜色的毛根来构建模型，锻炼观察和总结能力。

3.3 引导学生抓住有丝分裂的关键点，初建模型

由于子细胞和母细胞中的染色质组成是相同的，教师用材料在黑板上展示图3过程，为了保证复制后染色体能精确均分，细胞分裂过程中毛母细胞必然会存在如图3所示的阶段。学生分组活动并思考，利用扭扭棒构建出毛母细胞在分裂时可能会出现的2个染色体行为变化最有特点的静态生物模型。

图3 毛母细胞分裂过程示意图

学生小组讨论，使用材料制作模型并分享，师生共评。评价时，教师提醒学生注意：①分裂起始，染色质变短变粗变成染色体，散乱排列在细胞中，为了指示染色体下一步要移动的位置，什么结构会出现？核膜、核仁如何变化？②为了后期染色体的精确均分到两极，散乱的染色体下一步应排列在细胞的什么位置？③应是着丝粒分开前排列在细胞中央，还是着丝粒分开后排在中央？教师根据学生回答，点评并补充，引导学生构建出初步的模型。

教师展示构建的有丝分裂模型图（图4），将不同的分裂阶段对应进去，引导学生思考：不同阶段除了染色体的变化，其他细胞结构会有什么变化以配合分裂，如核糖体增生，核仁核膜解体和重现等？

图4 毛母细胞有丝分裂模型图

设计意图：教师利用图3引导学生思考分裂过程中染色体行为变化最重要的特点，使学生体会其中的生物学意义，抓住构建模型的关键点。学生通过一系列的分析、评价和创造，发展了高阶思维和动手能力。对其他细胞结构变化的讨论使学生对于有丝分裂过程的认识更为深刻，对于概念的学习更为完整。

3.4 基于证据，完善模型

教师追问：以上是通过推理得到的有丝分裂模型图，这个模型是否正确？遵循模型制作的可验证性原则，我们要找到切实的证据。教师展示光学显微镜下动物细胞分裂图（图5），提出问题：①该视野中有哪些不同的细胞形态？可分别对应模型中的哪些时期？②不同形态的细胞个数相同吗？有什么含义？

图5 光学显微镜下动物细胞分裂图

学生思考上述问题，观察图片找出不同的细胞，并对应所构建的有丝分裂模型，初步验证模型。教师播放细胞分裂过程的视频，引导学生进一步验证模型。

学生从不同形态的细胞个数不同，推理得出可能是细胞分裂不同时期的时间长短不同。教师继续展示不同细胞的分裂间期、分裂期持续时间表。师生总结得出不同种类生物或同种生物的不同细胞，其分裂间期均长于分裂期，进而修正模型如图6所示。

图6 修正模型示意图

设计意图：教师设置问题，步步推进，引导学生寻找事实或证据来支撑和验证模型；同时，培养学生的质疑和批判的精神，使学生能够从事实和证据中进一步修正模型，体验完整的模型和建模过程。这样在充分体现可验证性和可修正性原则的同时，实现学生对于有丝分裂概念的自主建构，在做中体验、思考和创造，完成行动和思维的相统一。

3.5 深化概念、拓展延伸

教师提出问题：①清楚了毛母细胞有丝分裂的过程，如何帮助头发更快变长？②哪些因素会影响细胞有丝分裂的过程呢？③学习有丝分裂还有什么意义呢？教师简要介绍癌症与癌细胞，突出癌细胞无限增殖的特点，展示典例“海拉细胞”，引导学生从“癌细胞的有丝分裂”角度思考治疗癌症思路。此为开放性讨论环节，学生可能的答案有抑制DNA复制、抑制纺锤体形成等，教师根据学生的回答评析即可。

设计意图：通过教师设置的问题串，学生在已有概念基础上，思考如何使头发更快变长，以及有关癌症治疗等问题，将知识运用于解决生活实际问题，培养发散性思维和社会责任素养。教师引出“有丝分裂的影响因素“，为下一课时的探究做铺垫。

4 教学反思

本课时基于单元整体教学理念，将生物学学科核心素养的达成落实在本单元的重要概念和次位概念的学习中。本课时作为本单元培养科学思维的主阵地，以模型建构为主要教学方法，围绕着“有丝分裂过程中染色质的复制和平均分配”这一核心问题，引导学生逐步构建物理模型并验证和完善模型。学生在建模过程中，完成了自主学习有丝分裂等相关概念，培养了“模型与建模”的能力这一明线任务；同时达成了从低阶认知到高阶思维的转变这一暗线任务，最终达成知识学习和思维锻炼的同步发展。