基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論 建構(gòu)生物學(xué)概念

鄒宇堂

摘要依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，確定學(xué)習(xí)進(jìn)階的起點(diǎn)與終點(diǎn)，根據(jù)生物學(xué)事實(shí)邏輯聯(lián)系設(shè)計(jì)合理的進(jìn)階梯度并搭配適合跨層級(jí)的教學(xué)方法，建構(gòu)次位概念，為落實(shí)生物學(xué)核心素養(yǎng)教學(xué)做出嘗試。

關(guān)鍵詞 學(xué)習(xí)進(jìn)階 生物學(xué)概念 DNA的結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)G633. 91文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

1問題提出

2004年，學(xué)習(xí)進(jìn)階首次出現(xiàn)在美國研究理事會(huì)的研究報(bào)告中，其代指學(xué)生在各學(xué)段學(xué)習(xí)同一類概念時(shí)所經(jīng)歷的連貫的、典型的學(xué)習(xí)路徑，呈現(xiàn)為與某一核心概念相關(guān)的從簡單到復(fù)雜的概念序列。美國于2011年頒布基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的《K12-科學(xué)教育框架：核心概念、共同概念及實(shí)踐》。我國近些年頒布的小學(xué)科學(xué)、初中生物學(xué)、高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)同樣參照學(xué)習(xí)進(jìn)階成果，實(shí)現(xiàn)小學(xué)1年級(jí)到高中12年級(jí)生物學(xué)課程內(nèi)容上的連貫性。

學(xué)習(xí)進(jìn)階大致包括進(jìn)階的起點(diǎn)和終點(diǎn)、進(jìn)階梯度及預(yù)期表現(xiàn)、測評(píng)工具等。構(gòu)建學(xué)習(xí)進(jìn)階的途徑方法之一是，基于教材和課程標(biāo)準(zhǔn)，通過實(shí)踐總結(jié)歸納各階段學(xué)生應(yīng)掌握的知識(shí)程度。探究以學(xué)習(xí)進(jìn)階理論建構(gòu)生物學(xué)概念，教師在教學(xué)設(shè)計(jì)初始，應(yīng)考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)起點(diǎn)，如以初中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求或近期習(xí)得的學(xué)習(xí)水平作為學(xué)習(xí)起點(diǎn)，以高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)要求作為學(xué)習(xí)終點(diǎn)，進(jìn)而研究課標(biāo)次位概念下屬的生物學(xué)事實(shí)的學(xué)習(xí)進(jìn)階梯度劃分，嘗試設(shè)計(jì)跨越不同層級(jí)的教學(xué)路徑，選擇適合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律的教學(xué)方法。下面以人教版高中生物《必修2·遺傳與進(jìn)化》中“DNA的結(jié)構(gòu)”一節(jié)為例，嘗試以學(xué)習(xí)進(jìn)階方式建構(gòu)生物學(xué)概念，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入深層次學(xué)習(xí)。

2學(xué)習(xí)進(jìn)階梯度的構(gòu)建

查閱我國最新頒布的小學(xué)科學(xué)、初中生物學(xué)、高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，除小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)未針對細(xì)胞分子層面的DNA知識(shí)做出要求，其余均有提及DNA相關(guān)知識(shí)。根據(jù)《義務(wù)教育初中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》（簡稱初中課標(biāo)），將DNA相關(guān)概念、教學(xué)內(nèi)容整理為表1。

根據(jù)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（簡稱高中課標(biāo)），將DNA相關(guān)概念整理為表2。

結(jié)合初中課標(biāo)相關(guān)要求可知，初中學(xué)生對基因、DNA和染色體關(guān)系、DNA中蘊(yùn)含遺傳信息等知識(shí)有初步了解。初中課標(biāo)及教材尚未對DNA的分子結(jié)構(gòu)做出要求，對DNA功能有要求。相比之下，高中課標(biāo)對DNA相關(guān)知識(shí)的要求從簡單了解層面，上升到微觀分子層面。學(xué)生需認(rèn)識(shí)DNA結(jié)構(gòu)并掌握與之相關(guān)的復(fù)雜功能，直到總結(jié)抽象規(guī)律并應(yīng)用于多種條件計(jì)算，其間存在一定的難度跨越。

學(xué)生在必修1中已學(xué)過核酸，對DNA分子的基本單位有了解，但可能仍對某些知識(shí)存在錯(cuò)誤概念。根據(jù)學(xué)生近期的認(rèn)知水平和課標(biāo)要求，教師可細(xì)化教學(xué)目標(biāo)為：通過科學(xué)史分析和模型建構(gòu)，認(rèn)識(shí)DNA分子的立體雙螺旋結(jié)構(gòu)和構(gòu)建原理;運(yùn)用結(jié)構(gòu)決定功能的生命觀念，解釋DNA攜帶遺傳信息的內(nèi)涵;通過推理分析總結(jié)數(shù)學(xué)公式，并應(yīng)用解決多種情境計(jì)算，培養(yǎng)科學(xué)思維和信息獲取能力。

對表2中次位概念進(jìn)行拆解、分析，得到支撐概念的生物學(xué)事實(shí)。通過知識(shí)結(jié)構(gòu)和以往教學(xué)經(jīng)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生掌握生物學(xué)事實(shí)過程存在階梯式遞進(jìn)關(guān)系。例如，DNA分子的基本組成單位為四種脫氧核苷酸，是本節(jié)學(xué)習(xí)DNA分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，學(xué)生在必修1的學(xué)習(xí)中已經(jīng)涉及，屬于已有知識(shí)。學(xué)生可根據(jù)生物學(xué)事實(shí)和科學(xué)史做出相應(yīng)推理得到“四種脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵連接而成長鏈”。關(guān)于“DNA分子由兩條鏈組成，兩鏈反向平行，構(gòu)成雙螺旋結(jié)構(gòu)”“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的構(gòu)建原理”，學(xué)生需根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推理分析和深度思考。關(guān)于遺傳信息的排列順序和關(guān)于堿基對的計(jì)算，學(xué)生需總結(jié)遺傳信息背后蘊(yùn)含的抽象數(shù)學(xué)規(guī)律。由此可見，學(xué)習(xí)過程難度遞增，似爬坡進(jìn)階，跨每階需要的方法和力度均有不同。教師可以此劃分次位概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階梯度及描述，幫助學(xué)生建構(gòu)次位概念，進(jìn)而達(dá)成重要概念的學(xué)習(xí)。依據(jù)以上分析，制定本節(jié)學(xué)習(xí)進(jìn)階的學(xué)習(xí)起點(diǎn)和終點(diǎn)、進(jìn)階梯度和預(yù)期表現(xiàn)，如圖1所示。

3學(xué)習(xí)進(jìn)階路徑設(shè)計(jì)

3.1搭建物理模型，直觀化解疑難

通過必修1的學(xué)習(xí)，學(xué)生對DNA分子的認(rèn)知水平停留在基本組成單位——脫氧核苷酸層面，內(nèi)容包括組成脫氧核苷酸的堿基、脫氧核糖、磷酸的種類及三者的相對連接位置。從0層次到1、2層次跨越教學(xué)中，學(xué)生對于單體中三種分子的相對位置、脫氧核糖與核糖的差異、磷酸二酯鍵所在的位置易存在錯(cuò)誤概念。為解決可能存于學(xué)生頭腦的錯(cuò)誤概念，教師可通過搭建物理模型的方式，拼接核苷酸及搭建核苷酸長鏈，將微觀事物直觀化，幫助學(xué)生掌握正確概念。

0-1層次進(jìn)階：教師提供萊文等科學(xué)家對DNA基本單位的研究資料，讓學(xué)生對科學(xué)家的研究有初步認(rèn)識(shí)。在此階段，教師采用圖形演示法教學(xué)，選擇貼近化學(xué)分子形狀的堿基、脫氧核糖、磷酸樣式，給學(xué)生辨認(rèn)。學(xué)生動(dòng)手搭建基本單位，將堿基、脫氧核糖、磷酸擺放在正確的相對位置上。在搭建模型基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)DNA的基本單位為四種脫氧核苷酸。

1-2層次進(jìn)階：教師展示亞歷山大·托德猜想核苷酸通過磷酸二酯鍵連接成鏈的科學(xué)史，讓學(xué)生動(dòng)手構(gòu)建DNA單體連接成長鏈的模型，并準(zhǔn)確辨認(rèn)磷酸二酯鍵存在的部位。教師引導(dǎo)學(xué)生形成對DNA平面結(jié)構(gòu)及核苷酸連接方式的正確認(rèn)識(shí)。

3.2挖掘科學(xué)史，進(jìn)入深層次學(xué)習(xí)

DNA分子立體結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)歷程反映了科學(xué)家對DNA概念的建構(gòu)過程，是優(yōu)質(zhì)的教學(xué)素材。教師要在尊重史實(shí)的基礎(chǔ)上，充分挖掘材料，設(shè)置問題，引導(dǎo)學(xué)生開展深層次的思考，搭建支架，幫助學(xué)生邁入3層次，使學(xué)生最終理解DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的構(gòu)建原理，明白科學(xué)知識(shí)得來的過程。因此，教師需補(bǔ)充一些科學(xué)史用于教學(xué)：①富蘭克林、克里克等對搭建分子模型用于科學(xué)研究的不同看法;②富蘭克林發(fā)現(xiàn)的B型DNA衍射圖;③鮑林構(gòu)建的α-螺旋模型;④沃森和克里克初次搭建的三螺旋模型;⑤富蘭克林關(guān)于糖-磷酸骨架位置的實(shí)驗(yàn)證據(jù);⑥格蘭德和喬丹關(guān)于堿基間氫鍵的研究;⑦克里克在比劃分子模型的無意發(fā)現(xiàn)。

2-3層次進(jìn)階：結(jié)合教材和額外補(bǔ)充的科學(xué)史資料，教師設(shè)計(jì)系列問題，引導(dǎo)學(xué)生思考、梳理整個(gè)研究歷程的幾個(gè)關(guān)鍵問題：DNA分子結(jié)構(gòu)由幾條鏈組成？每條鏈間如何連接？堿基安置在DNA分子內(nèi)部，還是外部？堿基對是同類配對或異類配對，原因是什么？DNA雙螺旋的發(fā)現(xiàn)歷程科學(xué)史材料呈現(xiàn)順序與問題設(shè)置為：

①問題：DNA分子的形狀是怎樣的？DNA分子由幾條鏈組成？科學(xué)史：富蘭克林和威爾金斯提供A型、B型DNA分子X射線衍射圖譜;科學(xué)家根據(jù)圖譜對DNA鏈數(shù)、直徑和含水量的測定。

②問題：每條鏈之間如何連接？堿基排列在內(nèi)，還是在外？科學(xué)史：鮑林構(gòu)建的α-螺旋模型;沃森、克里克初次搭建的三螺旋模型;富蘭克林關(guān)于糖-磷酸骨架位置的證據(jù)。

③問題：兩條鏈螺旋內(nèi)部的堿基是如何排列的？如果相同的堿基配對，組成的雙鏈直徑有何特點(diǎn)？科學(xué)史：科學(xué)家對堿基配對方式的討論;格蘭德和喬丹關(guān)于堿基間氫鍵的研究;克里克在比劃分子模型的無意發(fā)現(xiàn);生物化學(xué)家查哥夫發(fā)現(xiàn)的規(guī)律

④問題：克里克、沃森發(fā)現(xiàn)DNA分子結(jié)構(gòu)的原因及借鑒價(jià)值。

隨著問題解決的推進(jìn)，教師帶領(lǐng)學(xué)生逐步構(gòu)建平面雙螺旋結(jié)構(gòu)。接著，旋轉(zhuǎn)呈現(xiàn)立體雙螺旋結(jié)構(gòu)，并讓學(xué)生上臺(tái)展示、描述DNA分子結(jié)構(gòu)立體模型，加深學(xué)生的直觀感受。在學(xué)生理解科學(xué)家想法的基礎(chǔ)上，教師帶領(lǐng)學(xué)生歸納DNA分子空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和模型構(gòu)建原理。

3.3總結(jié)題型突破，訓(xùn)練科學(xué)思維

此階段要求學(xué)生將DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中蘊(yùn)含的遺傳信息以數(shù)學(xué)形式表達(dá)，并掌握衍生公式的推導(dǎo)及應(yīng)用，對其抽象拓展能力要求較高。教師可采用圖像演示、題型總結(jié)等方法助力學(xué)生跨越這一層級(jí)。

3-4層次進(jìn)階：教師引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)查戈夫定律，總結(jié)雙鏈DNA分子中嘧啶與嘌呤數(shù)量的規(guī)律，并嘗試推導(dǎo)互補(bǔ)堿基、非互補(bǔ)堿基之和的比例在單鏈DNA、雙鏈DNA中的規(guī)律。教師在黑板進(jìn)行DNA平面圖像建模，幫助學(xué)生理清題中堿基數(shù)量關(guān)系，解決數(shù)學(xué)問題。

教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行題型總結(jié)，歸納解題方法：

（1）理清題目所給條件和目標(biāo)所求對象，歸納常見類型：①依據(jù)雙鏈堿基含量計(jì)算雙鏈堿基含量;②依據(jù)雙鏈堿基含量計(jì)算單鏈堿基含量;③依據(jù)單鏈堿基含量計(jì)算雙鏈堿基含量。

（2）根據(jù)題目條件建模。

（3）運(yùn)用互補(bǔ)堿基、非互補(bǔ)堿基之和的比例規(guī)律等，找到已知條件與所求對象間的數(shù)量關(guān)系。

學(xué)生在熟練應(yīng)用并掌握的情況下，歸納遺傳信息蘊(yùn)含堿基排列順序之中的概念，總結(jié)堿基互補(bǔ)配對抽象概括的公式。課堂小結(jié)時(shí)，教師帶領(lǐng)學(xué)生回顧本節(jié)課內(nèi)容，點(diǎn)明其中的學(xué)習(xí)進(jìn)階層次，歸納升華總結(jié)“概述DNA分子是由四種脫氧核苷酸構(gòu)成，通常由兩條堿基互補(bǔ)配對的反向平行長鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，堿基的排列順序編碼了遺傳信息”次位概念。

4課后評(píng)價(jià)

教師可采用選擇題和非選擇題組合的形式，考查涵蓋表2中所有的生物學(xué)事實(shí)，測量學(xué)生在各個(gè)進(jìn)階梯度的完成度。教師借助規(guī)范的針對性評(píng)價(jià)測試，能診斷學(xué)生學(xué)后所屬的學(xué)習(xí)進(jìn)階層次，從而進(jìn)行教學(xué)反饋，高效輔助教學(xué)。

5教學(xué)反思

近年興起圍繞大概念的單元教學(xué)研究，其問題之一指向大概念如何具體落實(shí)到教學(xué)中。正如高中課標(biāo)提及大概念、重要概念教學(xué)落地應(yīng)以生物學(xué)事實(shí)作為支撐。教師通過對事實(shí)的抽象和概括，幫助學(xué)生建立生物學(xué)概念，建構(gòu)合理的知識(shí)框架。學(xué)習(xí)進(jìn)階梯度的劃分考慮了學(xué)科知識(shí)和學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平，將范圍較大、要求較高的概念劃分成不同的等級(jí)，制定了進(jìn)階水平。教師將課程標(biāo)準(zhǔn)的要求細(xì)分為教師可操作、學(xué)生可實(shí)踐的共同目標(biāo)，為有條理、有計(jì)劃落實(shí)概念教學(xué)做出了嘗試。

本節(jié)教學(xué)實(shí)踐借助科學(xué)史教學(xué)，讓學(xué)生了解科學(xué)知識(shí)背后的科學(xué)原理和科學(xué)故事，培養(yǎng)學(xué)生的研究思維和社會(huì)責(zé)任素養(yǎng)。學(xué)生通過模型建構(gòu)，培養(yǎng)科學(xué)思維和動(dòng)手操作能力。