本期荐读丨教学实践：指向科学思维和科学探究能力发展的高中生物学教学实践——以“细胞的增殖”为例/李万成等

文章来源：李万成,马会放,崔胜男,等.指向科学思维和科学探究能力发展的高中生物学教学实践——以“细胞的增殖”为例[J]. 生物学通报, 2025, 60(4): 21-24.

编者按

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本刊2025年第4期刊发的《指向科学思维和科学探究能力发展的高中生物学教学实践——以“细胞的增殖”为例》一文，以 “细胞的增殖”为例，引导学生在积极主动地参与中形成生物学概念，在探索生命规律中提升学科核心素养，本期荐读。

指向科学思维和科学探究能力发展的高中生物学教学实践——以“细胞的增殖”为例

李万成（北京市顺义牛栏山第一中学）

马会放（北京市顺义区教育研究和教师研修中心）

崔胜男 曹爱萍（北京市顺义牛栏山第一中学）

摘要

科学思维和科学探究是生物学学科核心素养的重要组成部分，在“细胞的增殖”教学中，通过“提出问题—作出假设—实验验证—补充证据—得出结论”的过程，发展学生的科学思维和科学探究能力。

关键词

科学思维  科学探究  有丝分裂  染色体

《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》）明确提出高中生物学课程既要让学生获得基础的生物学知识，又要让学生领悟生物学家在研究过程中所持有的观点以及解决问题的思路和方法，要求学生主动地参与学习，在亲历提出问题、获取信息、寻找证据、检验假设、发现规律等过程中习得生物学知识，养成科学思维的习惯，形成积极的科学态度，发展终身学习及创新实践能力。因此，教学中应高度关注学生生物学学科核心素养的达成。组织以探究为特点的主动学习是落实生物学学科核心素养的关键，不仅会直接影响核心素养中“科学思维”“科学探究”的落实，也会间接影响另外2 个核心素养的达成。

本文以人教版高中生物学教材必修1 第6 章第1 节“细胞的增殖”为例，引导学生在积极主动地参与中形成生物学概念，在探索生命规律中提升学科核心素养。有丝分裂是一个复杂、抽象的概念，有丝分裂过程中最主要的变化是染色体行为和数目的变化，该单元教学以染色体的变化为主线，研究有丝分裂的过程。

01

教学分析及学习目标确定

1.1 教学内容分析

人教版高中生物学教材必修1 第6 章第1 节“细胞的增殖”，内容对应《课程标准》“分子与细胞”模块大概念2 中次位概念2.3.1“描述细胞通过不同的方式进行分裂，其中有丝分裂保证了遗传信息在亲代和子代细胞中的一致性”。学业要求是观察处于细胞周期不同阶段的细胞，结合有丝分裂模型，描述细胞增殖的主要特征。本节内容是学生学习了细胞的分子组成、细胞的结构和功能后，进一步认识细胞发生、发展和消亡的过程，是学生理解生物个体生长、发育、繁殖的基础。本节内容是学习“遗传与进化”模块减数分裂、受精作用以及遗传与变异的重要前导知识，有承上启下的作用。本节重点解决的是细胞有丝分裂过程中染色体的行为变化和数目变化，需要2 个课时完成。第1 课时完成提出问题、作出假设，第2 课时完成实验验证、补充证据、得出结论。

1.2 学情分析

经过初中生物学课程和高一前几章内容的学习，学生已经掌握细胞学说的内容、细胞通过分裂增加数目、染色体和染色质的关系、染色质的组成、染色体能被碱性染料染成深色等知识，掌握了临时装片制作及显微镜使用所需要的操作技能，这些都为本节的学习奠定了基础。但本节中实验操作难度大，学生很难把握解离程度，导致解离不充分细胞分散不好或解离过度造成制片失败，最终无法观察到染色体。此外，学生需要运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模等方法，探讨、阐释生命现象，对学生的学习是一种挑战。

1.3 学习目标

1）通过有丝分裂过程中染色体行为和数目变化及对细胞周期中染色体状态的分析，深刻理解有丝分裂的实质是维持亲、子代细胞遗传物质的稳定，形成结构与功能相适应的生命观念。

2）通过构建有丝分裂过程中染色体行为的物理模型，体会有丝分裂过程中染色体的行为及染色体、染色单体、DNA 的关系，提升科学思维。

3）通过制作根尖分生区细胞有丝分裂的临时装片，提升装片制作和显微操作技能。

4）通过分析并回答问题串，概括并提出有丝分裂过程中染色体行为的假说，再通过观察临时装片中处于不同时期的细胞，验证假说内容，经历科学探究的基本过程，领会科学探究的基本思路和方法，提升归纳与概括、演绎与推理等科学思维。

02

教学过程设计

2.1 提出问题

由受精卵发育成一个完整的个体导入，个体中各个体细胞遗传物质理论上是相同的。引出问题：细胞分裂通过怎样的机制保证子细胞的遗传物质和亲代细胞相同？

设计意图：基于生命现象提出能够激发学生科学思维的问题，激起学生进一步探究的欲望。

2.2 作出假设

要保证亲、子代细胞的遗传物质相同，必须经过复制再平均分配的过程。紧接着提出问题：如何做到精确地平均分配？学生直接回答这个问题比较难，把这个问题拆分成3 个问题，层层深入引导学生思考。问题1：大量观察实验发现，细胞分裂过程中2 组染色体总是同时到达细胞两极，如何做到？4 位学生代表4 条染色体，手中持有颜色、长短不同的毛根代表染色体的类型；另外4 位学生代表复制的染色体，手中也持有颜色、长短不同的毛根。要想做到复制后的2 套染色体平均分开并同时到达细胞两极，需找到与自己持有染色体相同的另一位学生，在教室中间两两排好队，共同向教室的两端移动。从而使学生体会到复制的染色体不分开的优势，排列在细胞中央，同时向两极移动，体会中期存在的必要性。问题2：染色质状态还是染色体状态更有利于遗传物质精确地平均分配？将8 条毛根缠绕在一起形成一团，另外8 条毛根各自缠绕好，让学生体会将毛根各自缠绕更容易分开，从而理解以染色体状态更有利于遗传物质的平均分配。问题3：为什么间期复制时是以染色质形式存在?将一条带字的毛根揉成团，提出问题：能否读出毛根上的字？再把毛根伸展开，能否读出上面的字？ 让学生体会染色质状态下遗传信息更容易被读取和复制。至此学生绘制出有丝分裂过程中染色体行为的图示（图1）。

学生用毛根进行模型构建，毛根内的铁丝代表DNA，外侧的绒毛代表蛋白质，用超轻黏土代表着丝粒，突破DNA、染色单体、染色体之间关系的难点，构建出有丝分裂过程中染色体行为的物理模型。对有丝分裂过程中染色体的行为变化作出推测：间期完成染色质的复制；前期染色质螺旋成染色体，分布散乱；中期染色体的着丝粒排列在赤道板上；后期着丝粒分裂，复制的染色体平均分配，移向两极；末期染色体解开螺旋，呈染色质状态。

设计意图：学生在问题的引领下推理有丝分裂过程中染色体如何做到精确地平均分配，并逐步构建和完善物理模型，把微观变宏观，抽象变具体，发展学生的科学思维。

2.3 实验验证

有丝分裂过程中染色体变化的真实过程与推测是否一致，需要经过实验的检验。学生进行“观察根尖分生区组织细胞有丝分裂”的实验，分享、交流观察到的不同的细胞分裂图像，描述染色体的形态、分布、行为，确定细胞所属时期。

思考：实验能证明假说中的哪些内容？还有哪些内容是实验无法证明的？推测中有3 个问题用实验无法证实：间期染色质的复制，中期染色体的着丝粒排列在赤道板上，以及后期着丝粒分裂，复制的染色体平均分配。

设计意图：引导学生从实验中寻找真实的证据来证明推测的内容，培养学生尊重事实证据的科学思维习惯，提升针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实施实验以及交流与讨论结果的科学探究能力。

2.4 补充证据

受实验条件的限制，无法证实的推测，需要寻找其他证据。

资料1：流式细胞仪可根据细胞中DNA 含量的不同对细胞分别计数。这项检测基于对细胞内DNA 以化学定量的方式进行染色（染料着色数量与细胞内DNA 含量呈正相关）。研究者在体外培养癌细胞（癌细胞能不断进行细胞分裂），24 h后对癌细胞进行固定、染色，用流式细胞仪进行检测（癌细胞的DNA 相对含量为40），结果如图2所示。思考：检测结果能否证明癌细胞在增殖时进行了复制？

癌细胞的DNA 相对含量为40，对应图2 中a点的细胞，而b 点的细胞DNA 含量为80，说明DNA 完成了复制，a 点与b 点之间的细胞正在进行DNA 复制，应处于有丝分裂的间期。

思考：如何证明中期染色体的着丝粒排列在细胞中央的赤道板上？说出思路。

学生根据之前学过的分泌蛋白的形成过程和光合作用的研究过程会想到同位素标记法，标记着丝粒，观察中期着丝粒的位置，肯定学生的思路，提供处于中期的脊椎动物细胞相关图片。

资料2：将拟南芥着丝粒上的特异性蛋白用荧光蛋白标记，在细胞分裂过程中着丝粒的定位和动态变化就可以通过成像技术进行观察。分别在0 min、6 min、19 min 30 s、36 min 45 s 和48 min时记录细胞分裂中细胞核的透射图像。每一个时间点的着丝粒都通过数字被突出标记，圆圈表示相邻细胞的透射信号，如图3 所示。思考：如何证明后期复制的染色体平均分配，移向两极？

学生从图3 中可以观察到19 min 30 s 时着丝粒开始一分为二，左右各10 个着丝粒，标号一一对应，向两极移动，证明后期复制的染色体平均分配，移向两极。

设计意图：在真实的科研成果的分析中提升学生的分析推理能力，并针对生物学相关问题，运用科学思维方法展开探讨。

2.5 得出结论

有丝分裂过程中染色体行为的假说成立。播放有丝分裂过程中染色体行为变化的视频，请学生根据染色体的行为确定细胞所属时期。

设计意图：使学生明白有丝分裂不是一个静止的时刻，而是一个动态的、连续的过程。

2.6 小结

请学生用一句话归纳概括有丝分裂过程中染色体的行为。有丝分裂过程中染色体经过复制和精确地平均分配，保证了亲、子代细胞间遗传的稳定性。这种稳定性对单细胞生物而言，保证了物种的连续性和稳定性；对多细胞生物而言，维持了个体正常的生长和发育。

03

教学反思

1）注重生物学重要概念的构建，帮助学生形成生命观念。本节课通过观察和描述处于细胞周期不同阶段的细胞中染色体的行为变化，使学生认识到染色体的行为变化与保证细胞内的遗传物质平均分配到2 个子细胞密切相关，注重通过具体实例的分析帮助学生形成重要概念，同时进一步提升结构与功能相适应的生命观念。

2）注重培养学生的科学思维和科学探究能力。一个好的问题能够激发学生的科学思维，本节课基于生命现象提出问题、作出假设、构建模型，然后实证检验，对实验结果进行分享、交流，再补充证据，最后提炼概念。整个过程中培养了学生归纳与概括、演绎与推理、模型与建模等科学思维，提升了学生针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实施实验以及对结果进行交流与讨论的科学探究能力。

3）注重引导学生探究生命活动规律，落实“教学过程重实践”的课程理念。在有丝分裂过程中染色体行为变化的教学中，首先基于生命现象提出“ 细胞分裂通过怎样的机制保证子代细胞与亲代细胞的遗传物质相同”的问题；然后基于学生已有的生活经验、知识作出假设；再通过实验引导学生观察、描述是否能证实自己推断中的内容。学生真正通过实践找到证据，使实验更有价值，落实了“ 教学过程重实践”的课程理念。

本次推送仅节选了文章部分内容，全文阅读详见本刊2025年第4期。欢迎订购！

编辑：《生物学通报》编辑部