基于模型与建模的生物学 “体验式教学” 实践

宋凯 张志祥

摘要 运用模型与建模的科学思维方式，以“细胞的增殖”为例开展体验式教学，以期帮助学生在建模体验中获取细胞增殖知识、掌握科学探究方法、训练和提升逻辑思维能力、培植情感态度与价值观。关键词  体验式教学模型与建模细胞的增殖高中生物学

中圖分类号 G633.91              文献标志码 B

文件编号：1003-7586（2023）03-0061-03

1 教材分析与教学设计思路

1.1教材分析

“细胞的增殖”是人教版高中生物学《必修1·分子与细胞》第六章第一节的内容，包括细胞的增殖方式、细胞的增殖周期、细胞的有丝分裂过程及其生物学意义三部分内容。其中，理解细胞的有丝分裂过程及其生物学意义是教学重难点，为大概念1“细胞是生物体结构与生命活动的基本单位”的具体体现，同时也是大概念3“遗传信息控制生物性状，并代代相传”的学习基础。

1.2教学设计思路

体验式教学是根据学生的认知特点和规律，通过创造实际的或重复经历的情境，呈现或再现、还原教学内容，使学生在实践的过程中理解并建构知识、发展能力、产生情感。为此，本项目的教学尝试用花盆托盘、毛线等材料，在课堂教学过程中开展细胞有丝分裂过程的模型建构，模拟该过程中染色体结构形态或运动形态的变化，强调该过程中细胞核遗传物质平均分配的思维体验，以期帮助学生在实践、感受、分享、总结、应用等过程中，认识亲子代细胞保持遗传信息一致性的原因，思考DNA采用何种方式进行复制及其生物学意义，猜测DNA 错误复制可能产生的后果，为“生物的变异”的学习奠定基础。

SOLO 分类评价是由J.B.Biggs首创的一种以层级描述为特征，用于评价学生学业成就表现的质性评价方法。对学生建构修正模型的学习结果进行SOLO分类评价，可将学生划分为五个层次：前结构水平（P）、单元结构水平（U）、多元结构水平（M）、关联结构水平（R）和抽象拓展结构水平（E）。

2 教学目标

（1）通过体验建构、评价、修正、应用模型，理解“细胞各部分结构，既分工又合作，共同实现执行细胞各项生命活动”的概念，树立结构与功能相适应、物质与能量相统一的观念。

（2）通过合作建模，从易到难，并推导出细胞中全部染色体DNA 的平均分配过程，领悟生物学家解决问题的思路和方法，提升类比推理、科学建模的能力。

（3）通过假说演绎，分析DNA 的复制及平均分配过程，理解有丝分裂的完成需要多种结构相互配合，每一环节都不可或缺，体验和领悟提出问题、作出假设的科学探究的方法。

（4）通过资料分析，了解细胞的增殖次数是有限的，树立和宣传关爱生命的观念，崇尚和推广健康文明的生活方式。

3 教学过程

3.1模型预建构：科学换算，等比扩大，便于模拟实操

教师展示资料：人体细胞约有40～60万亿个，细胞的平均直径在5～200μm 之间；细胞核基因组 DNA 碱基序列的总长度约为2 m，形成的1～46号染色质的总长度约为4.76 cm。

教师引导学生分析直接建立平均分配细胞核中 DNA模型的可操作性和难易程度。

学生通过讨论得出：相对而言，细胞体积过小，细胞核中染色质长度过大，难以直接进行模型建构，进而提出将细胞等比例扩大后进行模型建构的设想。

教师提供人类基因组中24条DNA 的碱基序列长度的资料，要求学生等比例换算出每条染色质的长度。

学生将人体细胞、每条染色质的长度等比扩大104倍后，教师提供半径为13 cm 的圆形花盆托盘模拟动物细胞，便于开展模拟实验。

3.2模型建构：亲历选择，从易到难，模拟平均分配

教师请学生将毛线模拟的等比例扩大后的46条染色质全部放置在用圆形花盆托盘模拟的动物细胞中，并提问：能否直接同步开展46条染色质复制后 DNA平均分配的模型？

教师引导学生进行整体建模难易程度分析，并由学生讨论、制定染色质复制后DNA平均分配的模拟实验的设计思路，完成模拟实验。

学生通过模拟实验得出：有丝分裂的意义是将每一条染色质经复制后再平均分配到两个子细胞。在知道换算后的每条染色质长度的情况下，学生首先采用类比推理的方法，选择以最短的21号染色质为代表，进行模拟研究，化繁为简；其次，根据Bak等的研究资料，学生将21号染色质经过一定程度的压缩、螺旋成染色体后，研究其分配过程；最后，学生从简单到复杂，进行演绎推理，归纳46条染色质 DNA 的分离过程。

设计意图：利用学生直接建模时的困扰为切口，以Bak等的研究资料为辅助，教师引导学生换位思考，由点及面、从易到难，模拟染色质经过进一步的压缩、螺旋成染色体，精确地实现细胞中遗传物质平均分配的目的。通过该教学过程，学生领悟生物学家研究问题过程中解决问题的思路和方法，达到 SOLO 分类评价多元结构水平（M）。

3.3模型修正：分享交流，模拟实验，评价修正模型

教师提出任务：学生两人一组，以21号染色质为例，在规定时间内模拟复制后伸展开的染色质平均分配给子细胞的过程。学生用毛线模拟复制后伸展开的染色质，并用半径为13 cm 的花盆托盘模拟放大104倍的细胞，用手模拟纺锤丝将染色质移向两极。

分析评价：教师在该过程中，根据SOLO分类评价理论，针对不同建模层次的学生，提出相应的思维层级提升方案，帮助学生提升科学思维能力层级。同时，引导学生建构出细胞有丝分裂过程中，每条染色体上 DNA 含量变化、细胞核中 DNA 含量变化的曲线图，并比较两者的异同点。若学生建构成图2（a）模型，教师则提供Bak等的研究资料，引导学生将染色质进一步压缩、螺旋成染色体；若学生建构成图2（b）模型，教师则提供着丝粒的组成与功能等资料，引导学生将染色体在纺锤丝的牵引下拉向细胞两极，实现平均分配；若学生建构成图2（c）模型，教师则引导学生结合牛顿第一定律，对着丝粒受力后的染色体进行受力分析，得出染色体臂的运动迟滞于着丝粒的运动，并对之前染色体运动的模型进行修正，将移向细胞两极的染色体呈显出“V”字形，开口分别朝向细胞中央的赤道面。

在生生建模体验交流后，教师进行建模过程评价。在相关研究资料辅助下，学生最终能科学、严谨地建构出以21号染色质为例的DNA平均分配过程的模型，如图2（d），并建构出每条染色体上的DNA、细胞核DNA含量变化曲线。

设计意图：以模拟实验为导向，引导学生交叉应用物理学的知识，对染色体运动的模型进行修正，使之更具科学性。学生通过实操一条染色质有丝分裂过程中运动过程，推理全部染色质运动过程，并以该模拟实验为基础，总结比较出每条染色体上 DNA、细胞核DNA含量变化的异同，达到SOLO 分类评价的关联结构水平（R）。

3.4模型提升：归纳概括，科学类比，总结平均分配的规律

教师提出问题：细胞是生物体结构与生命活动的基本单位，细胞需要哪些结构实现细胞的增殖呢？

教师引导学生依据结构与功能相适应的观念，运用类比推理的科学思维方式，分析细胞增殖过程中所涉及的能量保障、物质保障等，系统地表述出细胞有丝分裂过程中细胞核DNA经复制后，平均分配给子细胞的过程，及其所涉及的相关结构。

学生得出结论：①线粒体为细胞增殖供能；②核糖体合成大量蛋白质承担组成成分、生物催化剂等角色；③细胞膜通过多种方式运输物质，为细胞内的物质合成提供原料，同时利用膜的流动性实现胞质分裂等。

设计意图：教师以问题为导向，引导学生思考细胞的多个结构是如何既分工又合作来实现增殖，树立结构与功能相适应、物质与能量相统一的观念，以期将学生的科学思维层级达到SOLO分类评价的抽象拓展结构水平（E）。

3.5模型应用：分析细胞中染色体数目变异的多种可能性

教师提出问题：细胞在多个结构的分工合作下完成了细胞的增殖，如果某一环节出现问题，会有什么后果？

教师引导学生采用假说演绎法，分析推理线粒体、核糖体、细胞膜等不同环节出现问题后的可能结果。学生得出初步结论：任何一个环节出现问题都将导致复制后的染色体 DNA 不能平均分配给两个子细胞，从而导致细胞中染色体数目发生变异。同时，通过资料分析得出正常细胞的增殖次数是有限的，发生变异的细胞则可能突破限制实现无限增殖。

设计意图：基于假说演绎法，教师引导学生分析得出细胞增殖过程中任何一个环节出现问题都可能导致细胞变异的结论。通过教学，为后续“细胞的癌变”“生物的变异”的学习奠基，同时帮助学生树立和宣传关爱生命的观念，崇尚和推广健康文明的生活方式。

4 教学思考

教师采用体验式教学的策略，组织学生开展细胞增殖的模型建构过程，引导学生亲历选择、感受科学推理、分享建构、评价、修正、应用模型过程中的实践体悟。通过不断建构、修正实物和数学模型后，学生能更加深刻地理解“细胞各部分结构，既分工又合作，共同实现执行细胞各项生命活动”这一次位概念，进而支撑大概念的建构。学生强化模型与建模、分析与推理等科学思维能力，同时提升合作探究、交流讨论等科学探究能力。

然而，整个体验式教学课堂中最难把握的是问题分析、模型建构和概念表征这三方面的深度体验过程。因为以上环节设计的未知数太多，如部分学生由于没有掌握着丝粒这一概念，在以染色质形式进行 DNA 分配时，通过移动手指分段将染色体 DNA 移向细胞两极；部分学生的学科交叉应用能力较弱，错误地建构运动时染色体臂的朝向；部分学生的前概念与新概念的融合应用能力较弱，未能全面地分析线粒体、细胞膜等结构对模拟实验的影响。虽然以上内容都可能成为学生体验失败的原因，但也可以作為课堂生成的亮点。

参考文献：

[1]高凌飚，张洪岩主译.学习质量评价：SOLO分类理论[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]翟中和，王喜忠.细胞生物学[M].北京：高等教育出版社，2007.

[3]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2017.

[4]李楚明.模型与建模在“减数分裂”教学中的应用[J].中学生物教学，2021（12）：54-57.