《遗传的细胞基础》的教学思考与探讨

《遗传的细胞基础》的教学思考与探讨
北京师范大学附属实验中学（100032）林祖荣                                  ——本文载《生物学通报》2007年第1期
     《遗传的细胞基础》是必修模块2《遗传与进化》中的一部分，它从细胞水平阐述遗传的基本原理。这部分教学内容有助于学生理解遗传现象的本质。
1 教学内容与要求
    课标规定的内容包括：①阐明细胞的减数分裂并模拟分裂过程中染色体的变化；②举例说明配子的形成过程；③举例说明受精过程。活动建议包括两项：①观察细胞的减数分裂；②搜集有关试管婴儿的资料，评价其意义及伦理问题。
    按照课标规定的上述具体内容标准，本单元的学习内容与目标大体如下：
1) 知识目标：
 “阐明细胞的减数分裂” 的要求是理解层次。减数分裂包括三种基本的类型：合子减数分裂、配子减数分裂和居间减数分裂，尽管它们发生的部位和时间各异，但其分裂过程中的染色体行为具有共同的本质特征。在生物体的有性生殖过程中，配子的形成都要经过减数分裂，减数分裂过程中染色体的复制，同源染色体的联会、交换与分离，以及非同源染色体的自由组合等行为，导致子细胞中的染色体数目减半且具有异质性，从而直接影响生物的遗传和变异，因此说，减数分裂是生物的有性生殖、遗传和变异的细胞学基础。基于上述认识，有关减数分裂的学习内容应包括：减数分裂的基本类型，多细胞生物减数分裂的发生部位、时间、过程和结果，以及减数分裂与有丝分裂的区别与联系。总之，本单元教学要阐明减数分裂的概念，使学生理解减数分裂是一种特殊方式的有丝分裂。具体知识目标可分解为：
    ①阐明减数分裂的概念；
    ②说明减数分裂过程中的染色体行为；
    ③说明同源染色体、联会、四分体及交换等概念；
    ④比较减数分裂与有丝分裂的异同。
    “举例说明配子的形成过程” 的要求也是理解层次。在生物的有性生殖过程中，绝大多数动物及人类的精子和卵细胞的生成经过减数分裂，标准中建议“举例说明配子的形成过程”，是因为配子减数分裂的结果就是性细胞本身，便于学生理解减数分裂与配子生成的关系。高等植物的减数分裂发生在大（小）孢子母细胞形成大（小）孢子的过程中，配子形成前直接的分裂是有丝分裂，因此高等植物的配子生成过程不作为本单元的学习要求，但可以作为拓展性的学习资料。本单元的学习内容应该包括：动物的生殖腺、精子的生成过程、卵细胞的生成过程，其知识目标包括：
    ①识别人和高等动物的生殖腺结构图，明确精子与卵细胞形成的场所；
    ②说明精子生成的时间和大体过程，理解成熟期经过减数分裂；
    ③比较精子与卵细胞形成过程的异同；
    ④知道精子与卵细胞在遗传中作用。
    “举例说明受精过程”的要求仍是理解层次。这部分内容列举的实例应承接前述的配子形成过程，也就是说，应该是以动物和人为例来加以说明。植物的双受精不是学习内容的主体。本单元的学习内容这一条目的知识目标可分解如下：
    ①说出受精过程的基本阶段，阐明细胞融合及其核融合是受精的实质；
    ②举例说出动物的单性生殖；
    ③结合减数分裂，说明受精作用在遗传中的意义。
2) 情感态度与价值观目标
情感态度和价值观目标的落实应该是贯穿在教学过程中的。从本节内容的特点来看，可着重考虑以下几个方面：
    ①体验模拟减数分裂的科学探究过程。
    ②认同减数分裂和受精作用对于生物遗传和变异的重要性。
    ③参与和现实社会联系相关问题的讨论，关注科学、技术与社会间的相互关系。
3) 能力目标
    课标在能力维度的要求包括三个方面：一是操作技能方面的；二是信息处理方面的；三是科学探究能力。
    课标在具体内容中列出了“模拟分裂过程中染色体的变化”的活动，这是学生必须完成的活动，设计好这一活动可以进一步认识模型方法在生物学研究与学习中的作用，发展科学探究能力。课标还包括二个建议活动，一个是观察细胞的减数分裂。这是需要借助高倍显微镜进行观察的实验，如果要通过制作临时装片来进行观察，对实验的操作技能特别是临时装片的制作技能的要求是比较高，实验的难度是比较大的，但对学生实验技能的培养是十分有益的。如果只是观察减数分裂的固定装片，难度相对较小，主要培养学生使用高倍显微镜的技能以及观察能力。课标另一个建议活动是搜集有关试管婴儿的资料，评价其意义及伦理问题。通过这一活动主要提高学生搜集信息，学会鉴别、选择、运用和分享信息的能力。当然能力的培养不只是通过活动来达成的，而是需要贯穿在学生学习过程的始终。下列几个方面的能力目标可供参考：
    ①模拟减数分裂过程，尝试运用模型方式解决生物学问题；
    ②使用高倍显微镜观察细胞的减数分裂；
    ③尝试通过各种媒体搜集、处理有关试管婴儿的资料，并进行评价。
    ④对减数分裂和受精作用过程中染色体行为变化进行猜测与分析，发展科学猜想的能力。
2 对教学的建议与思考
2．1关于减数分裂的教学
1）内容的安排。课标将这分内容放在遗传与进化模块的最前面，是符合学科知识体系的结构的。但在遗传学的发展过程中，科学家是先认识了遗传与变异的现象，后进一步从细胞学的角度和分子学的角度来揭示其本质的。前者遵循的是知识的逻辑线索，后者则是科学发展的历史线索，这两种线索是并不一致的。从教学的角度来看，前者更有利于学科知识体系的构建，后者更有助于学生体验科学的过程与方法；前者是从理论入手到表象的过程，侧重在抽象思维的训练，后者是从表象出发到理论的过程，侧重在形象思维的培养；前者主要是演绎的方法，后者是归纳的方法。按这两种线索安排内容进行教学都是可以的，但个人倾向于用后一种线索组织教学，因为这种安排更有助于落实课标对本模块“领悟假说演绎、建立模型等科学方法及其在科学研究中的应用”，以及“体验科学家探索生物生殖、遗传和进化奥秘的过程”的要求。
2) 组织好减数分裂的模拟探究活动。减数分裂与有性生殖细胞的形成已属于很经典的内容，老师们也已积累了非常宝贵的教学经验。但新课程增加了模拟减数分裂过程中染色体变化的活动要求，做好这一活动不仅有助于加深学生对分裂过程的理解，更有助于培养学生进行科学探究的方法与精神。
     建议这一探究活动能安排在减数分裂内容学习的前面。一方面，通过初中的学习，学生已知道，高等生物体都是由精卵细胞结合而成的一个受精卵发育而来的，精卵细胞中的染色体数目只有体细胞的一半；另一方面通过模块一的学习，学生也已掌握了有丝分裂的过程，明确了有丝分裂过程中染色体的行为变化。这些均为减数分裂的模拟探究活动创造了良好的条件。
    生殖细胞中的染色体为什么只有体细胞的一半呢？由此可推测，形成生殖细胞的细胞分裂方式一定不同于有丝分裂，到底是如何分裂的？可由学生先进行讨论并作出推测。学生可能的推测有：
    （1）染色体不复制，细胞分裂一次，这样分裂后细胞中的染色体数目就减少了一半。
    （2）染色体复制一次细胞，细胞分裂两次。而这种方式中又包括：
    ①染色体复制——细胞分裂一次（着丝点不分裂，减数）——细胞分裂二次（着丝点分裂，不减数）。
    ②染色体复制——细胞分裂一次（着丝点分裂，不减数）——细胞二次分裂（减数）。
    ③细胞分裂一次（减数）——染色体复制——细胞二次分裂（着丝点分裂，不减数）。
    引导从“不仅染色体数目减少一半，而且必须保证子代细胞中的染色体形态大小和数目完全一致”的角度分析讨论分裂方式的可能性。
    哪种方式不仅是在理论上成立的，而且是符合实际的呢？可以通过观察蝗虫精母细胞减数分裂来证明。注意引导学生通过观察，分析：染色体的复制发生在什么时候？减数发生在什么时候？在二次分裂中染色体发生了怎样的变化？
    通过以上过程，学生对减数分裂的过程已有了一个概括性的了解，具体是怎么进行的呢？可让学生阅读教材，观察教材插图。然后师生共同讨论减数分裂各时期的特点。在此过程中注意几点：（1）要让学生分辨清楚同源染色体、染色体、染色单体等概念的区别；（2）观察各时期的特征，要抓住染色体的行为变化以及细胞的形态结构特点；（3）引导学生思考细胞分裂过程中的各种变化都与染色体的行为变化相适应的；（4）注意各时期分裂特点与有丝分裂的区别，明确减数分裂是一种特殊方式的有丝分裂；（5）在讨论的基础上尽量采用直观的教学手段，如多媒体动画，形象直观地展示减数分裂的过程。
    在此基础上可再次进行减数分裂过程的模型构建。需要注意的是第一次模拟，学生只是对减数分裂过程的猜想，模拟的是一个探究的过程。第二次模拟是建立在学生已认识减数分裂的基础上进行的，其目的主要是进一步加深对减数分裂过程的理解，为生物的遗传与变异现象的解释奠定基础，因此在此过程中要求学生对染色体的复制，减数第一次分裂过程中同源染色体的联会、互换以及分离，非同源染色体的随机组合，以及减数第二次分裂过程中染色单体的分开等过程都应模拟清晰。
3) 建立减数分裂过程的数学模型。在减数分裂过程中，染色体、DNA等都发生了规律性的变化，这些变化都可以通过数学模型来表达。在分析清楚减数分裂过程的基础上，可以列表的方式，让学生分析填写减数分裂各阶段染色体、同源染色体、染色单体、DNA等的数量变化（如下表），然后要求学生用坐标曲线表示出染色体、DNA等的数目变化。
    [假设以人为例，体细胞中有23对同源染色体]
    细胞类型 性原细胞 初级性母细胞 次级性母细胞 性细胞
    同源染色体    
    染色体    
    染色单体    
    DNA    
    数学模型是生物科学的研究方法之一，也是课标的要求，通过数学模型的构建可以加深学生对减数分裂的理解，让学生尝试用数学模型处理相关的生物学问题的方法。
2．2  关于配子的形成与受精作用的教学
    在这部分内容教学时，可先回顾生殖腺的构成及生殖的过程。经过初中生物的学习，学生对人与动物的生殖已有一定的认识，因此，可先让学生作回顾。也可通过多媒体手段展示人的生殖过程。这一环节主要是唤起学生对已有知识的记忆，为进一步理解配子的形成及受精作用的过程作好铺垫。
    配子的形成过程，可重点以人精子的形成为例进行探讨。在教学策略上可采取学生自学讨论的方式进行，由于学生已明确减数分裂，自学配子的形成过程应该是不困难的。在学习与讨论过程中应该注意解决几个问题：
    ①要整理出配子的形成过程，并明确配子的形成过程需要经过减数分裂；减数分裂是配子成熟过程中的一个必要过程，但配子的形成还需要经过变形等过程。
    ②要注意比较精子与卵细胞形成的区别。除了形成的场所不同外，减数分裂过程中第一次分裂与第二次分裂的过程均有差异，子细胞变形的过程及结果所形成的性细胞数目也不相同。可要求学生通过列表的方式比较精子与卵细胞形成过程的区别。
    ③要通过对配子形成过程的理解，认识配子的多样性及其意义。可利用学习减数分裂过程中制作的染色体模型，通过模拟减数分裂过程中非同源染色体的自由组合，认识配子中染色体组合的多样性及其这种多样性对生物多样性的意义。
    受精作用的教学也可通过学生自学讨论的方法来进行。要让学生通过受精作用过程的学习，揭示受精作用的本质在于精卵细胞的融合，在于精卵细胞中染色体在受精卵中的会合。其意义体现在，一方面受精作用使得亲子代细胞中的染色体数目得以保持稳定，另一方面使得后代具有了双亲的遗传性。
    此外，对基础较好的学生，可分析被子植物配子的形成过程以及双受精的过程，使学生对减数分裂及生殖过程的类型有更全面的认识。
    最后，可进行“搜集有关试管婴儿的资料，评价其意义及伦理问题”的活动，资料的搜集应提前作布置。