基于生物科学史和模型建构的减数分裂深度教学设计

文/袁 刚

《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020 年修订）》明确提出“生物课堂要注重生物科学史和科学本质的学习”[1]。笔者发现，教材中对于减数分裂本质、联会、染色体行为规律等概念性知识,多以叙述的方式直接呈现，与减数分裂有关的生物学史料内容呈现较少。因此，笔者尝试在不增加课堂难度和教学容量的基础上，适当补充减数分裂探究过程的科学史料，为学生理解减数分裂概念性知识提供事实支撑，培养学生的科学思维能力和探究能力。

在基于生物科学史的减数分裂教学过程中，学生不仅要对细胞器、染色体等基本概念进行应用整合，还须对减数分裂概念模型、染色体数量变化模型进行主动构建，深刻理解基因分离和自由组合导致后代多样性的重要概念。这些要求都和深度学习理论契合，运用深度学习理论进行本节课教学，既能引导学生重新体验科学探究过程，又能促使学生将深度加工后提炼的科学思维和探究能力迁移应用到真实情境下去解决复杂问题。

一、教材分析及设计思路

本节课教学内容为人教版普通高中生物学必修2“遗传与进化”第2 章第1 节“减数分裂和受精作用”第1 课时。在本节课之前，学生已经具有细胞结构、细胞增殖、遗传学基本规律等相关知识储备，了解假说演绎、归纳概括科学思维。本节课是帮助学生从染色体水平、细胞水平进一步理解真核生物细胞核遗传信息的传递规律，认识有性生殖对生物进化的意义。减数分裂概念以及减数分裂过程染色体数量和行为变化规律是本节课的重点，染色体行为变化规律是本节课的难点。

二、教学目标设定

（一）体验探究历程，提升思维水平

教师引导学生质疑减数分裂次数、DNA 复制时间、染色体行为等环节，然后猜想、解释，补充史料和形成主张，体验科学探究历程，提升科学思维水平，学习科学家不懈努力和奉献科研的精神。

（二）完成模型构建，培养建模思维

教师引导学生运用材料（如扭扭棒、磁铁等）完成减数分裂模型的构建，培养学生的建模思维，使学生形成结构与功能观。

（三）加深意义理解，形成进化与适应观

通过对“减数分裂产生染色体减半，形成配子类型多样”的学习，学生进一步结合受精作用使体细胞染色体数目恢复的原理，理解减数分裂在生物进化和物种多样性方面的重要意义，形成进化与适应观。

三、教学过程设计

（一）创设情境，问题导入

教师提前向学生收集“全家福”照片若干张，在课堂上展示，引导学生思考：（1）父母与子女之间通过什么细胞实现遗传物质传递？（2）这类细胞如果是通过有丝分裂产生的，你能预测子一代儿女的染色体数目吗？子二代呢？（3）大胆预测这类细胞内染色体数目有何特点？

师生总结：正如1887 年德国生物学家魏斯曼（A.Weismann）的大胆猜测，在生殖细胞产生过程中，必然有一个特殊过程使染色体数目减少一半。

设计意图：通过生活中常见的“遗传”话题，激发学生的学习兴趣和批判思维，使学生意识到细胞学说中“细胞是通过分裂产生”具有多层含义。

（二）假说演绎，补充史料

第一，学生质疑：在产生生殖细胞的过程中，如何实现染色体数目减半？

提出猜想，小组讨论：猜想一，细胞直接分裂，染色体平均分给两个细胞，实现染色体数目减半；猜想二，减数分裂过程染色体复制1 次，细胞分裂2 次，实现染色体数目减半；猜想三，学生幽默地提出假说：染色体复制2 次，细胞分裂4 次（甚至染色体复制4 次，细胞分裂8 次，类似均有可能……）（见表1）。

表1

补充史料：①1888 年，德国植物学家施特拉斯布格（E. A. Strasburger）观察到百合花粉母细胞减数分裂形成“四分孢子”；②1887 年，德国生物学家鲍维里（Boveri）发现马蛔虫经过减数分裂后产生4 个细胞。

形成主张：学生对上述科学史和实验结果进行阅读讨论后，直观看到减数分裂结束产生4 个子细胞，即得出减数分裂过程中染色体复制1 次，细胞分裂2 次，实现染色体数目减半的结论。

第二，学生质疑：减数分裂过程染色体复制1 次，细胞分裂2 次，那么染色体复制（实质为DNA 复制）出现在第几次细胞分裂间期呢？

提出猜想，模拟解释：猜想一，染色体复制出现在第1 次分裂间期；猜想二，染色体复制出现在第2次分裂间期（见表2）。学生进行小组合作，运用扭扭棒（中间的铁丝代表DNA 分子，外层包裹的绒毛代表蛋白质）模拟染色体。学生将扭扭棒围绕铅笔螺旋紧密缠绕，代表高度螺旋化的染色体；将两根扭扭棒交叉用磁铁环套住，代表复制后染色体。两个磁铁环相互吸引，可以模拟同源染色体联会现象（见表2）。

表2

补充史料：①研究人员为使不同细胞分裂进程同步化，使用DNA 合成阻断剂，该试剂可以将细胞群阻断在DNA 复制过程，而不影响其他时期细胞的正常分裂。当去除该试剂后，细胞分裂正常进行。②研究人员使用DNA 合成阻断剂处理减数分裂的原始细胞，发现大多数原始细胞无法进行细胞分裂。

形成主张：染色体复制出现在减数第一次分裂间期，减数第二次分裂不进行DNA 复制，即细胞核DNA 数目减半发生在减数第二次分裂。

第三，学生质疑：当细胞中有多对染色体时，减数第一次分裂和减数第二次分裂染色体行为相同吗？

提出猜想，模拟解释：如表3，两种猜想均实现了减数第一次分裂进行染色体复制，子细胞染色体数目减半。如果要验证哪种假设成立，可对不同时期细胞的染色体行为进行观察分析。

表3

补充史料：①1891 年，德国生物学家亨金（H．Henking）在观察某种蝽的减数第一次分裂时，发现前期染色体形成“环”状结构，每个环状结构由2 个大小相同的染色体配对构成（如图1）[2]；②1901 年，美国生物学家蒙哥马利（T．H．Montgomery）观察到所谓的“二价染色体”，即由母方和父方大小相同的染色体结合形成，在减数第一次分裂时横向分离[3]。

图1 “环”状染色体结构

形成主张：“二价染色体”和“环”都是由2 个大小相同染色体组成，根据这一现象，学生对自己猜想进行质疑和修改，认同减数第一次分裂时大小相同的染色体分离，导致染色体数目减半，故猜想二正确。师生趁热打铁，共同完善同源染色体、联会等基础概念的学习。

第四，学生质疑：大小相同的同源染色体彼此分开时，大小不同的染色体（即非同源染色体）如何分配的呢？

提出猜想：某生物体细胞（2n-=4），1 号和2 号、3 号和4 号分别是一对同源染色体，其中1 号、3 号染色体来自父方；2 号、4 号来自母方。猜想一：1 和2、3 和4 彼此分开，将1 和3、2 和4 分在一起；猜想二：1和2、3 和4 彼此分开，将1 和4、2 和3 分在一起；猜想三：1 和2、3 和4 彼此分开，将1 和2、3 和4 又重新分在一起；猜想四：1 和2、3 和4 彼此分开，4条染色体任意组合均可。

补充史料：①大型的短翅昆虫——雄蝗虫（2n=23，XO）体内性染色体只有一条X 染色体，且还有一对大小不等的同源染色体，记为A、a。②美国遗传学家萨顿（Sutton）观察统计超过300 个雄蝗虫的MⅠ后期的细胞，发现仅有的一条X 染色体与A、a 组合后，分到细胞同一极的比例接近1∶1[4]。

形成主张：学生认同非同源染色体之间是随机组合，猜想①②均可能发生。

第五，汇总每块拼图，构建概念模型。

师生共同回顾前面形成的主张：每个主张犹如减数分裂过程的一块拼图，依照拼图内容，派学生代表利用染色体（扭扭棒，含磁铁）构建减数分裂过程示意图，其他小组补充、评价和完善。

构建概念模型：将构建的减数分裂物理模型和教材中精子形成过程示意图进行比较，共同构建减数分裂的概念模型，认同减数分裂本质，准确识记各个阶段的细胞名称、数量和“精细胞变形”等内容。

视频展示，完美契合：播放减数分裂动态微视频，染色体的行为“活灵活现”地展现出来，学生在惊奇和赞叹中支持论证。

第六，科学情感升华，增强社会责任感。

从1887 年魏斯曼预测减数分裂的存在，科学家开启对减数分裂的深入研究，到1913 年萨顿证实非同源染色体自由组合，完成减数分裂的重要拼图，历经二十多年的艰辛探究，众多科学家基本达成对减数分裂过程的共识。随着科学技术的不断进步，对减数分裂的探索仍将继续进行。

四、课后延伸

在不考虑变异的情况下，从减数分裂染色体行为的物理模型分析：1 个原始生殖细胞可产生几个配子，有几种类型？以人体23 对染色体为例，分析配子类型和后代类型，使学生认识到生物的多样性，体现有性生殖的优势，从生物进化的角度深度思考减数分裂的意义，形成进化适应观。

五、教学反思

本节课补充了大量科学史材料，引导学生在“质疑—提出猜想—补充资料—形成主张”的过程中构建减数分裂的概念模型；通过扭扭棒和磁铁构建染色体行为的物理模型，提升学生的参与度和动手能力；运用模型，对减数分裂概念性知识进行深度思考和讨论，有助于突破本节课的重点和难点，锻炼学生的科学思维和实验探究论证能力。

六、结束语

基于生物科学史和构建构型的教学设计不仅要在重现科学发现过程中创设探究情境，引导质疑批判，拉近课堂与科研之间的距离，还要充分挖掘科学史中的人文价值，既要关注求新、求真，也要关注育人、育心。