生物學細胞分裂主題之資訊融入教學設計原則

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(1)

生物學細胞分裂主題之資訊

融入教學設計原則

楊凱梯 1 ,3* 王子華 2 邱美虹 l

l 國立臺灣師範大學科學教育研究所 2 團立新竹教育大學教育學系 3 薑中市立育英國民中學 壹、前言 細胞分裂、光合作用、呼吸作用、食 物網與食物鏈以及演他,是中學生物裡難 以教學的主題,而教師與學生也一致地認 為細胞分裂是當中最困難的主題 (Brown ,

1995; Oztap

,

Oz旬,

&

Oztap

,

2003) 。從研究

中也發現各年齡與各階段的學生對於細胞

分裂的過程理解不佳 (Lewis,

Leach

,

Wood-Robinson

,

2000a

,

b; Lewis

&

Wood-Robinson

,

2000; Smith

,

1991)

0

Lewis et a

l.

(2000a

,

b) 指 出,學生之所以對於細胞分裂的主題理解 不佳,是源於其對基本結構 (basic structure) 一細胞、染色體、基因、遺傳訊 息 (genetic information) 之間的關條不瞭 解,以及容易對於這些遺傳學的術語國到 困惑所致。因此,若能在教學的過程中, 清楚地呈現出這些基本結構間的關條,將 有助於協助學生發展融貫的理解。 Brown(1995) 與 Oztap

et a

l.

(2003) 則指 出,如果在教學中透過各種教學輔具,例 如染色體在細胞分裂中各階段的圖片與影 片,特別是有時間呈現之相位差顯微鏡來 *為本文通訊作者

9

-強調細胞分裂過程之動態本質,並建立染 色體的模型 (chromosome

model)

,將有助 於克服學生的學習困難。 然而,近年來隨著資訊科技的快速發 展,整合多媒體呈現來協助學生建立遺傳 學之基本結構與這些基本結構之間關{擎 的模型,或強調細胞分裂過程之動態本 質,較以往傳統課室環境來得容易。例 如: 2D 或 3D 圖型與動畫、影片、模擬 (simulation)等優勢,對於輔助學生建構一 個融貫的遺傳學概念架構(conceptual

framework)

,並釐清遺傳學之基本結構與 這些基本結構問的關像是相當有幫助 的。此外,動畫、影片等多媒體動態呈現 的特質,對於理解「細胞分裂」過程之動 態本質亦相當有助益(Brown,

1995;

Browning

&

Lehman

,

1988; Oztap et a

l.;

2003) 。因此,本文以生物學細胞分裂為 主題,提出細胞分製之資訊融入教學的設

計原則,並提出可以達成該原則之相關多 媒體的優勢或相關軟體的範例,以作為教 學活動與軟體設計者之參考。

(2)

科學教育月刊 第 342 期 中華民國一 00 年九月

貳、細胞分製主眉之資訊融入教學

的設計原則 細胞分製是學生與教師公認最難以 教學的主題 (Oztap

et

此, 2003) ,而其中尤 以減數分裂為最。從許多研究顯示,不同 年級或年齡學生對此概念普遍具有學習 困難與迷思概念(Lewis

et

此,

2000a

,

b;

Lewis

& Wood-Robinson

,

2000;

Smith

,

1991)

,為了應用資訊科技之潛能來輔助 學生對此主題之學習,本文先分析學生對 於細胞分裂主題之學習困難,並提出解決 學生學習困難的教學原則,再據此配合資 訊科技的特性與優勢,來提出可以輔助學 生學習該主題之資訊融入教學的設計原 則。 一、細胞分裂與學生的學習困難 細胞分裂(cell division)是遺傳學所涵 蓋的重要概念之一,包含有絲分裂(mitosis) 與減數分裂(meiosis)兩種,兩者對於生物 體的意義不同。有絲分裂主要的功能在於 細胞增殖,而減數分裂的功能則在於形成

生殖細胞 (Campbell, Reec巴,

Urry

,

Cain

,

Wasserman

,

Minorsky

,

& Jackson

,

2008) ;

其中,減數分裂又是學生學習遺傳學知識 與解決其相關問題必備的基礎 (Kindfield , 1994) 。然而,細胞、染色體、基因這些遺 傳學上的專有名詞,與這些基本結構之間

的關條又是學生瞭解細胞分裂的基本概念 (Smith , 1991) 。從 Lewis

et a

l.

(2000a

,

b) 、 Lewis 和 Wood-Robinson(2000) 一系列關於 中學生對於遺傳學相關概念之研究,以及 楊坤原和張賴妙理 (2004) 整理 1970-2000 年學生對於遺傳學相關概念之學習困難的 研究,可以知道學生無法釐清細胞、染色 體、基因、對偶基因的物理性連結與關條, 特別是染色體的本質與角色,並對於染色 體與基因之間的關條國到困惑;學生無法 區分有絲分裂與減數分裂的差異,無法理 解染色體在細胞分裂過程中的行為與一連 串遺傳訊息之間的關條;學生甚至認為動 物才有有性生殖、植物缺乏有性生殖僅有 無性生殖等。由於本文的目的在於提出資 訊融入細胞分裂主題之設計原則,因此, 將上述文獻中有關細胞分裂學習之相關概 念與學生的學習困難整理如下: 表 1 、學生對於細胞分裂主題之相關概念存有的迷思概念及其可能來源 主概念 概念內容 學生的迷恩概念 逃恩概念的來灑 基因 1.基因是一段 DNA ,位於 1.基因等於 DNA 0 ﹒學生不具有形式 染色體的特定位置上。 操作期的認知能 2. 對偶基因即為一基因的 2. 將對偶基因標示於同一 力。 複本(alternative

form)

,位 條染色體上、非同源染 ﹒教科書的詞彙不 於同;原染色體的相同基 色體上、同源染色體的 適切、不清楚。 因座(locus)上。 非相對基因座上。 ﹒教學方法不適切

(3)

生物學細胞分裂主題之資訊融入教學設計原則 黛色體 1.染色體由 DNA 與蛋白 l 染色體的數量與基因數 ﹒教科書或教材圖 質構成,位於細胞核 量相等。 示結構不清楚。 內。 2. 染色體的套數與染色體 ﹒不適切的教學方 2. 染色體的組數即為套 數量成比例關條。 法。 軍史 (polidy) 。 3. 一條染色體複製後成四 ﹒日常生活經驗的 3. 大小、形狀相同的染色 條染色分體。 混淆。 體稱為同源染色體 4. 同源染色體即為姊妹染

(homologous

色體 (sister chromatids)。

chromosomes) 。 5. 所有的染色體不是X 就 4. 決定性別的染色體稱 是 y , y 染色體決定性 為性染色體,反之則稱 別。 為體染色體 o 6. 男性有 X 染色體,女性 有 Y 染色體 O 細胞分裂 .有絲分裂 1.細胞藉由有絲分裂來 1.細胞隨功能不同具有不 ﹒學生未具形式操 產生新細胞,以修補衰 同的基因,並僅攜帶表 作期的認知能 老或耗損的細胞。 現其功能的基因。 力。 2. 有絲分裂發生於體細 2. 細胞經有絲分裂後產生 ﹒教學方法不適 胞。 四個子細胞、子細胞染

t)]

3. 有絲分裂的過程: 色體會減半或增為兩 ﹒教科書圖示不清 ﹒前期:染色體複製 o 倍。 楚。 ﹒中期:染色體排列於 3. 有絲分裂過程,染色體 ﹒教師具有迷思概 細胞中央。 不會複製、染色分體不 dd已主F必、 o ﹒後期:姊妹染色體分 會相連、姊妹染色體沒 離。 有分離、其有聯會。 ﹒末期:細胞質分離, 4. 子細胞具有的遺傳訊息 形成兩個染色體與 依細胞年齡與健康程度 遺傳物質相同之子 而異 O 細胞。 5. 有絲分裂發生於體組織 和生殖組織。 6. 植物僅有或甚至沒有有 絲分裂。 II

(4)

-科學教育月刊 第 342 期 中華民國一 00 年九月 ﹒減數分裂 1.細胞藉由減數分製產 生生殖細胞(即配子)。

2.

;咸數分製發生於生殖 細胞。 3. 減數分裂的過程: (1)減數分製 I( 同源染色 體分離)

:

﹒前期 I :染色體複製 並聯會(基因片段互 換)。 ﹒中期 I :同源染色體 成對併排於細胞中 央。 ﹒後期 I :同源染色體 分離。 ﹒末期 I :細胞質分 離,形成兩個子細 胞。 (2) 減數分裂 II( 姊妹染色 體分離)

:

﹒前期 II: 紡鍾體重新 形成。 ﹒中期 II: 姊妹染色體 排列於細胞中央。 ﹒後期 II: 姊妹染色體 分離。 ﹒末期 II: 細胞質分 離,形成兩個子細 胞。 1.減數分裂和有絲分製的 過程相同。 2. 染色體複製兩次,僅分 裂一次;染色體先分離 再複製、染色體互換發 生在複製之前。 3. 子細胞的染色體數與原 本的細胞相同或增加為 2 倍或為 1/4 、1/ 8 '甚至 不具有染色體。 4. 減數分製產生 2 個單套 體或 2 個雙套體或 4 個 4 套體的生殖細胞,或 讓 2 個細胞變成 1 個、 只產生 1 個子細胞、產 生兩倍的子細胞數。 5. 子細胞的遺傳訊息與原 本的細胞相同。 6. 子細胞的遺傳訊息不同 於原本的細胞,因為要 執行的功能不同。 7. 減數分製僅發生於體組 織或同時發生於生殖組 織與體組織。 8. 植物不具有減數分製。 ﹒學生未具形式操 作期的認知能 力。 ﹒學生的工作記憶 空間有限。 ﹒教學方法不適

切。

﹒教科書圖示不清 楚。 ﹒教師具有迷思概 念。 ﹒教學時間太少。

資料來源:整理自 Brown( 1995) 、 Lewis

et

a l. (2000a,蚓、 Lewis 和 Wood-Robinson(2000)、

Oztap et

al. (2003)與楊坤原和張賴妙理(2004)

(5)

由衰 l 可以知道,學生在細胞分裂主 題上的學習困難主要有: 1.對於遺傳學之基本結構與其物理 性的連結關條不清楚,並對於遺傳 學的專有名詞臨到困惑。 2. 細胞分裂發生於細胞中,學生無法 親眼看到這個動態的過程,特別是 染色體與遺傳訊息在細胞分裂過 程中的變伍。 3. 無法區辨兩種細胞分裂的異同處。 這些學習困難主要源於'遺傳學之基 本結構的概念分布在生物課程中不同單 元,各基本結構之間的物理關條沒有被緊 密的連結與明確地呈現,造成學生缺乏一 個融貫的概念結構 (Lewis

et

此,

2000b)

,

再加上因為學生無法對繁瑣的專有名詞產 生有意義的聯結而造成混淆 (Lewis

et

a

l.,

2000a

,

b; Lewis &Wood-Robinson

,

2000;

Oztap et

此,2003) 。此外,許多研究指出, 學生的學習困難是源於教材圖示與教學方

法不適切所致(楊坤原和張賴妙理,

2004 ;

Brown

,

1995; Lewis et a

I.,

2000b ; Kindfield

,

1991; Mertens & Walker

,

1992; Simth

,

1991;

Oztap et

此,

2003)

,因為傳統教材圖示與 教學無法具體呈現其動態本質。此外,亦

有研究指出,學生的認知能力無法理解這

些微觀抽象的概念亦是造成學習困難的原 因之一(楊坤原和張賴妙理,

2004 ; Brown

,

1995 ; Lazarowitz & Penso

,

1992) 。

二、細胞分裂單元之資訊融入教學

的設計原則 司 13 -生物學細胞分裂主題之資訊融入教學設計原則 由上述的文獻回顧可以知道學生對 於細胞分裂主題的學習困難與成因,而近 年來資訊科技的優勢已逐漸能輔助改善上 述的學習困難。以下依據資訊科技的優 勢,提出資訊科技融人細胞分裂教學的設 計原則,分別說明如下: (一)具體呈現基本結構一細胞、細胞核、 染色體和基因,以及運些基本結構之 間的關係 由衰 l 可知,遺傳學之基本結構 與結構間的關像是學習細胞分裂概 念的基礎,其中,染色體不僅是遺傳 學教材的基本單位,更是細胞分裂過 程中的實體(楊坤原和張賴妙理,

2004 ; Lewis et a

I.,

2000b ; Kindfield

,

1991 ; Oztap et

此, 2003) 。因此,若 能協助學生建構染色體模型並發展 出融貫的概念架構,將有助於學生對 於還傳學有更好的理解。然而,傳統 講述式的教學與教材圖示卻無法協 助學生發展此一融貫的概念。

Brown(

1995)指出,在呈現染色體 結構上,僅採用 2D 圖示是不適切的, 學生必須理解染色體 3D 的結構,才 有助於建立一個融貫之遺傳學的概 念架構。學習科技之相關研究指出, 視覺他(visualization)工具、以 2D 、 3D 或動畫來衰徵一個科學現象,有助於 讓學生看見現象或抽象的概念,呈現 出文字無法具體描述的想法(Linn,

2003; Krajcik & Czerniak

,

2007)

0

jJt

(6)

科學教育月刊 軍 342 期 中華民國 -00年九月

的微世界、互動式多媒體與模擬工

具,能具體提供學生直接、豐富的經 驗 (Krajcik

&

Czerniak

,

2007)

,讓學生 透過主動的參與來發展有意義的科 學概念並提高其學習動機,例如,針

對遺傳學所開發之 BioLogica™軟

髓,在學生學習孟德爾定律與基因的 表現型之前,先E醫學生透過 3D 互動 軟體來學習細胞的結梢(如圖I) ,以協 助學生建構細胞、總胞核與染色質的 結構與物理性的連結關條,此外,並 讓學生知道基因產物一蛋白質的表 現,是透過核孔、粗糙內質綱、高基 氏館等層層傳遞,將蛋白質表現出 來,以影響生物體的表型(phenotype)。 (二)具體呈現兩種組胞分星星的動態本質 由表 l 可知,學生對於兩種細胞 分製存在許多迷恩概念,究其原因主 要為細胞分裂具有動態的本質旦發 生於細胞中,屬於微觀抽象的概念, 對於尚未具備形式操作認知能力的 學生而吉,屬於較難理解的概念(楊坤 原和張賴妙翠,

2004 ; Lazarowitz

&

Penso

,

1992) 。若能有效在教學過程中 呈現細胞分裂的動態本質,將有助於 學生克服該學習困難 (Brown ,

1995;

Oztap et a!.

,

2003; Kindfield

,

1991) 。

近年來隨著 Java 、 Adobe

Flash

等軟體之發展,電腦視覺他與動畫軟 體已成為輔助科學學習之可行的方

法 (Barak,的hkar,

Dori

,

2011;

Do口,

Barakr

&

Adir

,

2003)

;以動畫來表徵 一個科學現象,有助於E醫學生看見現 象或抽象的概念(Linn,

2003; Krajcik

&

Czerni 此,

2007)

,尤其是對於課堂

中不可見或難以解釋之過程的視覺

他特別有效(Barak

et a!.

,

2011) • Dori

和 Barak

(200

I)也建議,在學習的過

圖 l 、 Biologica™生物網站(http://biologi

ca.

concord.org/) 中以3D互動軟體介紹餌,也錯構

(7)

程中若涉及複雜的空間結構與動態 過程時,可以採用動畫輔助學習﹒由 此可知,動畫軟體適用於呈現具有動 態本質之細胞分裂概念﹒ 然而,對於同樣具有動態本質之 有絲分裂而言,減數分裂對於學生而 言更加困難 (Brown , 1995) ﹒針對遺傳

學所開發之 Biologicant 軟體 (Hickey,

Kindfield.

Horwitz.

&

Christie

2003)

.設計了兩個網路實驗室一「恐 龍遺傳學(Dragon

Genetics)

J 與「孟德 爾的碗豆(Mendel'

speas)

J' 來輔助學 生學習遺傳學基因型、衰型、減數分 裂與家族繪系的概念﹒其中.r 恐龍遺 傳學」是源自於 GenScope 軟體

(Hickeyet

訓 .2003)' GenScope 透過結 生物學個胞分單主題之賣111.融入教學設計原則 有想像性的生物一「恐龍J 來輔助學 生學習基因型與表型的概念,其設計 了多個視窗同時展示遺傳因子傳溼的 過程與結果,包含r 減數分裂視窗J­ Z實學生看見減數分裂形成四個配子的 動態過程(書醫學生瞭解減數分裂過程 的聯會與互換) (如國 2)以及配子的結 合,來輔助學生對於等位基因配對、 基因型與表型的學習﹒另外,何秋萱 (2004)探討 Adobe Flash 動畫軟體對於 圈中學生學習遺傳概念之影響,發現

Adobe

Flash 勘查軟體能模擬並具體呈 現減數分裂的動態過程,有助於學生 對物體作直覺的瞭解,並降低其抽象 思考的層次,對於學生的概念學習與 概念改變具有幫助﹒

-

E豆司

國 2 、 BioLogica™生物綱站 (h

up:/

/h

i

0

Iog ica. co nco rd.

org/) 中以動畫介紹減數分裂形成配

子之介面

(8)

科學教育月刊 第 342 期 中華民國一 00 年九月 (三)區分兩種細胞分裂的差異 除上述之外,從表 l 還可以發 現,學生經常將有絲分裂與減數分裂 混淆。除了部分學生沒有察覺到細胞 分裂有兩種類型之外,大多數的學生 雖然知覺到兩者間的差異,卻不清楚 差異的本質為何。為了協助學生釐清 兩種細胞分裂間的差異,

Lewis et

al. (2000b)與楊坤原和張賴妙理(2004

)

建議,若能將兩種細胞分裂之間的異 同,明確地以目的、產物與過程來加 以區分,將有助於學生釐清兩種細胞 分裂間的差異。 另外,由於有絲分裂與減數分裂 這兩種細胞分裂,對於生物體的重要 性與意義是不同的。有絲分裂的目的 在於確保子細胞與母細胞間具有相 同的染色體數與遺傳物質,而減數分 裂則在形成染色體數減半之配子,並 增加配子間的遺傳變異,此外,減數 分裂過程中因為染色體的獨立分配 以及互換 (cross over) 形成重組染色 體,所產生之配子的遺傳變異亦是有 性生殖過程中造成基因變異的原因 之一 (Campbell

et

此, 2008) 。而且減數 分裂概念之學習對學生學習有性生 殖與無性生殖具有決定性之影響,

Hickey et

aI. (2003)進一步指出,學生 雖然暸解減數分裂過程中的各種生 物事件,例如染色體聯會、互換DNA 片段等,卻不知道互換對於遺傳的影 響。因此,

Lewis et a

l.

(2000b)建議, 在討論有絲分裂、減數分裂與受精作 用三者間的關條時,染色體的行為、 遺傳訊息之間的傳遞與連結應明確 呈現。因此,在設計此兩種細胞分裂 以及兩種生殖策略的比較時,可以嘗 試採用 BioLogica™網站中多頁面同 時呈現的設計或是 GenScope 多視窗 的設計 (Hickeyet 此, 2003) ,並結合互 動式動畫軟體,讓學生同時比較兩細 胞分裂與生殖策略的差異,並提供學 生表格作為引導的鷹架,讓學生從細 胞分裂的目的、染色體的複製、分裂 過程、產物等方面來比較其異同。除 此之外, GenScope 多視窗的設計中特 別注意到減數分裂過程中染色體的 互換,並引導學生瞭解互換對於遺傳 變異的意義 (Hickey

et a

I.,

2003)

,是一 個很重要的設計。 (四)教學序列應先呈現遺傳學之基本結 構與結構間的關係,再進行兩種細胞 分裂的教學 由前述文獻分析可知,遺傳學各 概念間存有相互依存的關條,若學生 無法具有一個融貫的遺傳學概念架 構,則無法對各概念間作出有意義的 連結,將致其混淆遺傳學的專有名詞 而產生述思概念(楊坤原和張賴妙 理,

2004; Lewis et a

I.,

2000a

,

b; Oztap

et

此, 2003) 。因此, Smith(1 991)與楊 坤原和張賴妙理(2004)建議,為能符

合 Ausubel 所提之含攝理論

(9)

他的原則,對於細胞分裂進行有意義

的學習,應先介紹染色體的知識,包 含:染色體的本質、染色體在減數分

裂過程中的角色,以及染色體與基因

間的關條等,亦即建立染色體模型

(Brown

,

1995; Oztap et a!.

,

2003) 與建

立融貫的概念結構 (Lewis

et

此,

2000a

,

b)

,待學生建立起染色體的模 型後,再呈現兩種細胞分裂各階段的 動態、過程與染色體的變仕並比較兩 者間的差異,將有助於學生對染色體 與細胞分裂各步驟產生有意義的連 結。 參、結語

Hickey et a!.

(2003) 指出,遺傳學對於 科學教師與學生之所以特別具有挑戰,是 由於其涉及生物體各構造層次問 om :基 因、染色體、細胞、組織、器官、系統) 的關條,且其呈現之現象無法直接觀察, 不是發生得太快就是發生得太慢,不然就 是足度太大或足度太小。而「細胞分裂」 這個主題是學生學習遺傳學相關概念的基 礎 o 由於細胞分裂的過程除涉及複雜繁鎖 之遺傳學的基本結構,以及基本結構之間 的關條之外,還包含其動態的本質,因而 「細胞分裂」一直是學生與教師最困難學 習與教學的單元之一。 由學生對於細胞分裂的述思概念可 以知道,若能協助學生建立起一個融貫的 概念架構,並結合教材輔具來呈現細胞分 裂的動態過程,將有助於克服學生的學習 17 -生物學細胞分裂主題之資訊融入教學設計原則

困難 (Brown ,

1995; Lewis et

祉,

2000a

,

b;

Oztap et a

I.,

2003)

,並能協助其對遺傳學 發展出更好的理解。此外,由於細胞分裂一 有絲分裂與減數分裂,在遺傳學上具有重 要的意義,然而,學生卻經常無法區分兩 者的差異,也經常將其目的、過程、產物 相混淆,而教科書對於這些遺傳學相關概 念間之關條的闡述也較為隱晦不明,因 此,若要克服此一問題,則需要透過教師 的教學策略,將此兩種細胞分裂與受精作 用、生殖策略等相關概念進行比較,讓學 生對這些概念產生連結。從上述的文獻回 顧,本文針對細胞分裂主題之數位媒體的 設計提出四個原則: 1.具體呈現基本結構 細胞、細胞核、染 色體和基因,以及這些基本結構之間的 借閱(象 。 2. 具體呈現兩種細胞分裂的動態本質。 3. 區分兩種細胞分裂的差異。 4. 教學序列應先呈現遺傳學之基本結構 與結構間的關條,再進行兩種細胞分裂 的教學。 除此之外,由於細胞分裂本身具有動 態的本質,其所涉及的概念尺度較小且過 程快速,因此,若要協助學生建構一個融 貫之遺傳學的概念架構與染色體模型,互 動式多媒體、結合2D 與 3D 之多模態的視 覺表徵,將有助於學生發展出細胞、染色 體、基因結構間的關條之概念。此外,動 態視覺他的設計,隨著動畫軟體的進步, 已成為促進科學學習之可行的方法(Dori

et

此,

2003; Barak et

此,

2011)

,特別是對

(10)

科學教育月刊 第 342 期 中華民國一 00年九月

於課堂中不可見或難以解釋的概念,視覺 他與動畫軟體有助於讓學生可以看見微觀 的現象或抽象他的概念,同時,也有助於 提升學生的科學理解與學習動機 (Barak

et

a

I.,

2011; Linn

,

2003; Krajcik & Czerniak

,

2007) 。綜合上述,視覺他與動畫軟體對於 學生在細胞分裂概念之學習困難,提供一 個可行的輔助教學策略,相較於講述式教 學法與教科書靜態、圖片呈現,將可以更有 效地提升細胞分裂教學的效益。 附註 本文圖 l 與圖 2 的圖片均屬於原著作 權擁有者所有,本文所提到之商標的所有 權亦屬於原商標擁有者所有。

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圖 l 、 Biologica™生物網站(http://biologi ca. concord.org/) 中以3D互動軟體介紹餌,也錯構

圖 l

、 Biologica™生物網站(http://biologi ca. concord.org/) 中以3D互動軟體介紹餌,也錯構 p.6

參考文獻

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