指向概念核心內容的高中生物學教學活動設計

楊善珍

［摘 要］文章簡要闡述了解構概念對明確概念核心內容的作用，以及解構概念的成果對情境的創設、學習材料的選擇和教學活動的設計的影響；主要結合新課程理論，以生物學概念教學的幾個要素為出發點，對指向概念核心內容的高中生物學教學活動設計進行了探索。

［關鍵詞］概念核心內容；教學活動設計；高中生物

［中圖分類號］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）23-0073-04

生物學不僅是一個結論豐富的知識體系，還是一個有機整合的概念體系。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂》（以下簡稱《課標》）指出，教師在設計和組織教學活動時，應依據重要概念精選恰當的教學活動內容和活動方式。那么，怎樣才能依據概念的核心內容設計教學活動，有效開展教學呢？首先需要解構概念，即從學科知識視角和育人價值視角對概念進行分解和剖析；其次需要創設情境，導出核心問題；最后需要進行演繹推理、模型建構等科學研究。這不僅是引導學生獲取學科知識的過程，而且是引導學生進行科學探究、發展核心素養的過程。本文基于概念的解構、情境的創設、科學研究的基本思路與方法等生物學概念教學的要素，對指向概念核心內容的高中生物學教學活動設計進行探索。

一、解構概念，明確核心內容

《課標》關于課程內容的每個模塊均由“內容要求”“教學提示”“學業要求”三個部分組成。由概念內容表述組成的“內容要求”是對生命活動規律、生命現象和生物學理論的理解和闡釋，展現了當代生物科學的圖景，它們相互連接構成生物學概念框架。解構概念能讓教師很好地理解和把握概念，有效選擇教學材料和教學方法，設計合適的教學活動，幫助學生理解概念。部分教師囿于學科理解，不能科學合理地解構概念，不是丟三落四，就是找不到概念的核心內容，這必然會影響最終教學效果。

例如，“細胞都由質膜包裹，質膜將細胞與其生活環境分開，能控制物質進出，并參與細胞間的信息交流”這一次位概念可解構為“質膜是細胞的邊界”“質膜控制細胞與周圍環境的聯系”“流動鑲嵌模型能很好地解釋生物膜的絕大多數生命活動”這三個基本概念。細胞與周圍環境的聯系除體現在物質交換外，還體現在信息傳遞、細胞與鄰近細胞的連接、細胞與非細胞基質的粘連等方面。部分教師創設的情境僅僅指向“質膜的選擇透過性”這一個內容，如雞蛋黃的觀察和注射染色、玉米種子的縱切和紅墨水染色等，這便導致學生沒能有效把握概念的核心內容，在這種情況下，學生建構的概念是不完整的。而圍繞人體的肌肉、內分泌腺、消化道等功能細胞來創設情境，指向明確，可使有關“細胞與周圍環境的聯系”的探究學習活動得以順利開展，有助于學生建構完整的概念。概念性知識與事實性知識不同，概念是可以運用的，是可以用于解決問題的。但不完整的生物學概念在很多問題的解決中是派不上用場的。由此可見，概念解構情況在很大程度上影響了教學目標的制訂、教學內容的選擇和教學活動的設計，并最終影響學生的概念建構。

又如，“蛋白質通常由20種氨基酸分子組成，它的功能取決于氨基酸序列及其形成的空間結構，細胞的功能主要由蛋白質完成”這一次位概念可解構為“氨基酸是蛋白質的基本單位，在結構上既有共性又有個性”“蛋白質具有功能多樣性，是生命活動的主要承擔者”“蛋白質的功能取決于氨基酸序列及其形成的空間結構”“不同物種生物體內功能相同的蛋白質是否有差異以及差異的程度，取決于物種之間在進化上的親緣關系”這四個基本概念。這樣解構概念，使概念的核心內容得以明確，有助于教師基于概念的核心內容設計教學活動。針對上述蛋白質概念的核心內容可創設以下情境：

揭示蛋白質結構與功能的關系是當今蛋白質研究工作的重要內容?？茖W家在比對了來源于不同物種的細胞色素c的氨基酸序列后，發現其中的氨基酸在進化中以幾乎相同的速度進行轉換。細胞色素c是由104個氨基酸分子組成的一條多肽鏈折疊而成的。表1數據顯示各物種與人的細胞色素c在氨基酸序列上的差異。

依據情境進行教學活動設計：讓學生根據幾種氨基酸的分子結構式，寫出氨基酸的生物通式；說明有些氨基酸為什么會具有酸堿性、親水性和親脂性；在建構二肽、三肽、多肽鏈的物理模型的基礎上，說明所在小組建構蛋白質分子結構模型的依據；根據“蛋白質具有多種多樣的功能”示意圖，舉例說明蛋白質功能與氨基酸序列及其形成的空間結構之間的關系；各物種與人的細胞色素c都可作為生物氧化過程中重要的電子傳遞體，請解釋這一現象。學生通過建構氨基酸、蛋白質等的分子結構模型，綜合運用歸納與概括、模型與建模等思維方法，闡明氨基酸形成蛋白質的過程以及蛋白質空間結構與其功能的關系，討論生物進化歷程中蛋白質分子的演變，初步形成結構與功能觀、進化與適應觀。作為一個評價任務，關于細胞色素c演變的分析討論可以反映學生對蛋白質概念的學科理解的四個水平：①不同物種的細胞色素c的空間結構不同，但傳遞電子的功能相同。②不同物種的細胞色素c的空間結構不同，但其中與傳遞電子有關的局部結構（結構域）基本相同。③不同物種的細胞色素c的氨基酸差異對空間結構的影響很小。雖然它們的空間結構不盡相同，但其中與傳遞電子有關的局部結構基本相同。④不同物種的細胞色素c的氨基酸差異對空間結構的影響很小。它們的空間結構不盡相同，傳遞電子的能力也有所不同，可適應對傳遞電子的不同需求。

二、創設情境，導出核心問題

組織以探究為特點的主動學習是落實生物學學科核心素養的關鍵，教師需要創設真實的問題情境，以引導學生更好地進行探究學習。通過創設真實的問題情境，把內容學習從生硬的知識掌握轉變為動態、豐富、鮮活的認識深化過程，使學習內容成為可以進行思維操作和加工的對象。不同的問題代表著不同的認知水平。問題驅動的成效如何取決于問題的設計——既要有針對性，又要有發展性，讓學生通過一定的努力才能解決。只有針對概念核心內容提出能引發學生思考與探究的較為復雜的問題，才能引導學生通過科學思維對生物學概念有更深層次的理解。

楊振寧教授認為，要讓學生站在問題開始的地方，面對原始的問題。原始問題是指自然界及社會生產生活實踐中客觀存在的，能反映科學概念、規律本質且未被加工的典型科學現象和事實。它著重從原始的材料出發，培養學生思維的創造性。在很多情況下，生物學情境中展現的往往就是原始問題，因為生物學問題本就來自自然，來自人類的生產生活實踐。例如，“分離定律”的核心內容是等位基因分離，其關涉的核心問題是“F2代3∶1性狀分離”。教師利用電視劇《功勛》中與袁隆平有關的內容創設情境：青年袁隆平在學校的試驗田里發現了一棵穗大粒大的水稻植株，把它叫作“鶴立雞群”。在第二年播種它的種子后，它的后代發生了性狀分離，即768高株、256矮株（數據來自電視?。?。這令袁隆平百思不得其解。在問題遲遲未能解決的重要關頭，一個學生提出“這‘鶴立雞群’的種子的成長沒有鶴立雞群，對于您來說是失敗的，但是對于它來講是成功的，因為它背后的規律非讓它長成這樣不可（劇中臺詞）”。這一席話“驚醒”了袁隆平，他一下子就想通了。該情境結合孟德爾的豌豆雜交實驗結果，能引出分離定律的核心問題“F2代3∶1性狀分離”。教師后續所設計的教學活動都是為了解決這一問題，能有效驅動學生進行探究學習。電視劇中，袁隆平通過實驗和數據分析推翻蘇聯李森科的偽科學，轉而接受孟德爾的遺傳學，這些事跡有助于學生領悟科學的本質。

三、演繹推理，發展科學思維

歸納推理是從認識研究個別事物到總結、概括一般性規律的推斷過程，是由個別到一般的推理。演繹推理則相反，它是由一般到特殊的推理，是必然性推理，即前提真，推理形式正確，結論必然真。在假說—演繹法中，假說是前提，只有假說得到證實，結論才是正確的?？梢哉f，科學發展的過程就是假說形成、假說檢驗以及假說更替的過程，如細胞膜結構模型的演變發展、DNA半保留復制的實驗求證、斯他林發現體液調節的思維過程等。

例如，應用假說—演繹法這一經典遺傳學研究方法是孟德爾獲得成功的原因之一。等位基因分離是孟德爾的假說的核心內容，也是分離定律的實質。對孟德爾的假說進行實驗求證，是學生發展演繹推理科學思維的重要途徑。教師可以讓學生進行小組活動，設計一個新的雜交實驗（測交實驗），用孟德爾的假說預測實驗結果，再比對真實的實驗結果，從而對假說本身進行求證。按照孟德爾的假說，F1（Aa）在產生配子時可形成兩種分別含有A、a的配子，其比例是1∶1?？梢?，只要驗證這一點，即可證實等位基因分離的正確性。因為隱性親本的配子不會遮蓋F1配子的基因，所以可以使F1配子含有的隱性基因在雜交后代中表現出來。有鑒于此，教師可適時提出問題作為支架，以幫助學生完成學習任務。如：怎樣才能讓F1配子含有的隱性基因在雜交后代中表現出來？如此，學生便可跨越時空通過模擬體驗孟德爾研究發現分離定律的過程，學會假說演繹的基本思路和方法，并且能夠在后面的學習活動中加以運用。

F1（Aa）自交得到F2代，其出現3∶1的性狀分離比需滿足哪些條件？首先，教師提供事實材料，引導學生進行概括并形成概念：①金魚草的花色遺傳。②人類ABO血型的遺傳。③中年人禿頂是由一對基因等位控制的。禿頂基因的純合子（BB）無論男女都表現為禿頂，純合子（bb）無論男女均表現為正常；雜合子（Bb）如果是男性則表現為禿頂，如果是女性則表現為正常。由此可知，顯性性狀的表現既是等位基因相互作用的結果，又是基因與生物體內外環境條件共同作用的結果。其次，學生依據所學概念，通過演繹推理和歸納總結得出結論：①完全顯性；②環境影響相同；③雌雄配子隨機結合；④A、a配子的存活率相同；⑤A、a配子的受精能力相同；⑥AA、Aa、aa不同基因型合子的個體發育能力相同。最后，教師呈現新問題情境：雙眼皮對單眼皮完全顯性。小李的父母都是單眼皮，她自己卻是雙眼皮，自從學習分離定律后，她感覺自己整個人都不好了。這作何解釋？多數學生認為小李不是父母親生的，極少數學生判斷可能是環境對基因型表現的影響。在教學實踐中發現，同樣是進行演繹推理，學生有時卻會得出截然不同的結論。令人信服的解釋是，單眼皮、雙眼皮的形成與眼瞼中提上瞼肌纖維的發育有關，而提上瞼肌纖維的發育又受到個體發育條件的影響。如果不是基因突變，那么小李的父母中就至少有一個帶雙眼皮基因，雖然它沒有表現出來。

又如，“細胞膜的流動鑲嵌模型”強調流動性和不對稱性，其核心內容之一就是細胞膜的基本骨架是磷脂雙分子層。為幫助學生理解脂雙層是怎樣形成的，教師可設計活動引導學生基于磷脂分子的理化特性推測磷脂雙分子層在水環境中的穩定性?；顒拥木唧w內容如下：攪拌磷脂與水的混合物，靜置一段時間后，磷脂分子在水中怎樣排布？請畫出示意圖。人工脂質體的理化特性接近天然生物膜，它為什么既可以作為親水性藥物的載體，又可以作為親脂性藥物的載體？用其作藥物載體為什么藥效會得到顯著提升？學生經過演繹推理可知，磷脂分子是兩性分子，一頭親水，另一頭親脂，它們在水相中會彼此靠近，形成單分子層實心球和具有雙分子層結構的封閉囊泡。親脂性藥物可以溶于雙分子層內部，親水性藥物可以溶于囊泡內水相。藥效提升則是得益于脂質體與靶細胞質膜的融合，幫助藥物進入細胞。

四、建構模型，深化學科理解

物理模型以實物或圖畫等形式直觀地展現認識對象的特征。概念模型以文字和符號來抽象概括事物的本質特征，把各類對象的關系用概念與概念之間的關系來表述。數學模型是用來描述現實系統或者性質的一個抽象的、簡化的數學結構。建構模型是科學研究常用的方法，是人們根據某一目的，抓住研究對象的本質特征，對復雜的、微觀的現象或事物進行抽象的、概括性的描述，是對研究對象簡潔的表述。

對于生物學概念的理解，不僅僅是理解概念中包含了什么生命現象，還要思考該生命現象可能怎樣發展以及產生這一生命現象說明了什么。例如，“種群數量的邏輯斯諦增長”概念的核心內容是建立種群數量增長與環境資源之間的關系，并且這是一個量的關系，涉及如何解釋種群的數量變化。欲研究和描述這種量的關系，就不得不建構數學模型。在教學中，教師可依據真實情境提出學科問題：獾在山林里生活，它是一種皮、毛、肉、藥兼具的經濟動物。有人十年前承包了一片荒山，如今已蔚然成林。去年，這個人在山林中投放了500只獾（野生放養，不喂食），雌雄各半。一年來，新生350只，死亡150只。問：未來20年獾的種群數量會如何增長？請在坐標系中畫出獾種群數量的變化趨勢。從哪一年開始捕獾售賣，才能有年年穩定的最高產量？該情境中沒有關于K值（環境容納量）的信息，問題的解決須引入K值和邏輯斯諦系數“（K-N）/K”。只有對種群數量的指數增長數學模型進行修正，才能得到邏輯斯諦增長模型。這讓學生對K值有了清晰的認識，并留下了深刻的印象。在指數增長數學模型中，種群增長率不變，所以種群增長速率dN/dt=rN。在邏輯斯諦增長模型中，假設種群增長率按一定比例減小，則種群增長速率dN/dt=rN（K-N）/K ? dN/dt=-（r/K）N2+rN。學生根據此方程（邏輯斯諦方程）可以繪制增長速率曲線（見圖1），再依據圖1繪制邏輯斯諦增長曲線（見圖2）。

（責任編輯 黃春香）