高中生物學核心概念建構的策略與程序

周然　蘇明學

如何構建核心概念是近年來高中生物學課堂教學研究的重要內容。因為“學習不僅僅是為了要知道一系列的科學事實，更重要的是要圍繞核心概念構建知識體系和模型，并廣泛運用科學概念解釋自然現象”[1]。而圍繞著核心概念設計和實施教學，一方面可以幫助學生澄清所學生物學事實、一般概念與核心概念之間的關系，并能在新情境中實現對概念的遷移應用；另一方面又可以有效地使學生形成科學地分析問題和解決問題的思路及方法。為此，《普通高中生物課程標準》（以下簡稱《標準》）“倡導學生在解決實際問題的過程中深入理解生物學的核心概念”。那么，在課堂教學中，應采取怎樣的教學策略和程序，才能幫助學生理清生物學事實、一般概念與核心概念之間的關系，進而在解決問題的過程中主動建構相應的核心概念？本文以“生命活動的主要承擔者——蛋白質”一節課堂教學作為案例，嘗試解答上述問題。

一、生物學核心概念的界定及特征

1.核心概念的界定

既然進行生物學核心概念教學具有多重教育意義，那么，什么是核心概念，目前對于這一問題尚未有統一的認識。美國課程專家埃里克森（Erickson）認為，核心概念是指居于學科中心，具有超越課堂之外的持久價值和遷移價值的關鍵性概念、原理或方法。這些核心概念具有廣闊的解釋空間，源于學科中的各種概念、理論、原理和解釋體系，為學科領域的發展提供了深入的視角，還為學科之間提供了聯系[2]。戴伊（Day）指出，核心概念是某個知識領域的中心，雖然不是所有人都接受了這些知識，但它們卻獲得了廣泛的應用，而且這些知識還能經得起時間的檢驗。費德恩（Feden）等人則認為，核心概念是一種教師希望學生理解并能在忘記其非本質信息或周邊信息之后，仍然能應用的概念性知識，并且強調核心概念必須清楚地呈現給學生[3]。

生物學核心概念處于學科中心位置，包括對生命基本現象、規律、理論等的理解和解釋，對學生學習生物學及相關科學具有重要的支撐作用。它是人們對某一類生物學問題本質特征的概括。例如“細胞是由物質分子組成的，不同的物質承擔著不同的功能”，就是在分析了組成細胞的不同物質分子后，概括出來的本質認識。而蛋白質之所以稱為“生命活動的主要承擔者”，又是在分析了蛋白質分子結構多樣性原因和逐漸了解生命活動無時無刻不與蛋白質相關，以及和其他組成物質相比較后抽象和概括出來的核心概念。

需要說明的是，對“蛋白質是生命活動的主要承擔者”這一核心概念的理解，并不是一成不變的。它在本節內容中屬于核心概念，而從整個單元來看卻不是核心概念。因此，對某一核心概念的界定，會因不同的學段、不同的學習范圍而發生變化。

2.核心概念的特征

當直接甄別和界定核心概念有困難時，我們不妨換個角度思考：核心概念有什么特征，我所確定的核心概念具備這些特征嗎？

核心概念是在一般概念的基礎上提煉出來的，因此它可以統攝一般概念，能夠揭示學科知識的本質和學科知識之間的聯系，具有統整學科知識的功能。因此，生物學核心概念應該具有以下特征。

第一，居于學科知識的中心。蛋白質分子不僅參與構建了細胞這座生命大廈，而且在細胞代謝、分裂、分化、癌變、凋亡、遺傳、細胞間的信息交流等各項生命活動中扮演著重要角色。可以說，“蛋白質是生命活動的主要承擔者”這一核心概念貫穿了三個必修模塊。

第二，是形成新知識的“生長點”。學生一旦建立起“蛋白質是生命活動的主要承擔者”的概念，就容易形成科學地分析問題和解決問題的思路及方法。例如，細胞分化過程中，細胞的形態、結構、功能之所以發生了穩定性差異，是因為分化細胞中產生了組織特異性蛋白質。

第三，具有思維訓練價值。組成蛋白質的氨基酸序列具有多樣性，使得蛋白質的空間結構變化多端；而蛋白質只有維持特定的空間結構才能行使特定的生物學功能。因此，空間結構的多樣性賦予了蛋白質多種多樣的生物學功能，足以承擔起豐富多彩的生命活動。可見，生物學核心概念是在許多一般概念的基礎上加以分析、綜合、抽象、概括出來的，它的形成過程需要綜合的思維能力。

二、建構生物學核心概念的策略與程序

1.建構核心概念的策略

與“蛋白質是生命活動的主要承擔者”有關的一般概念和事實見圖1。

（1）事實和感性認識是建構概念的基礎

“應為學生的學習設計怎樣的學習路徑？”“哪些生活經驗有助于學生理解和建構核心概念？”筆者在研讀《標準》和教材的基礎上，找尋學生“最近發展區”，決定采取以“肽鍵”為線索、以實驗為先導，圍繞“肽鍵”認識蛋白質多樣的結構與功能相適應的教學策略，嘗試對“組成細胞的分子”這類比較枯燥乏味的內容進行探究式教學，幫助學生在相關生物學事實和一般概念的基礎上，構建相應的核心概念。

新課伊始，用什么樣的導言既能貼近學生生活又能直切主題？思前想后，筆者決定以問題“早晨大家都吃了什么？”（雞蛋、面包、牛奶）“為什么要吃雞蛋、喝牛奶？”（含蛋白質多）“怎么能證明雞蛋和牛奶中含有蛋白質呢？”導入新課，然后，逐一在裝有等量清水、蛋清、牛奶、豆漿和淀粉液的試管中滴加3滴雙縮脲試劑，當試管中液體變色后，又問學生“哪個液體含有蛋白質？”學生脫口而出“蛋清、牛奶和豆漿”。學生的答案雖然正確，但是細致分析，它并不是通過實驗結果得出的，而是憑借先入為主的生活經驗（前概念）判斷出來的。教師不能被這種假象所蒙蔽，于是追問“怎么知道蛋清、牛奶、豆漿中還有蛋白質？”（試管中的顏色發生了變化）“清水和淀粉液與雙縮脲試劑結合后也有顏色變化呀！”（學生無語……）

教師利用“蛋白粉溶液+雙縮脲試劑→產生紫色反應”為“標準”，解釋雙縮脲試劑能識別蛋白質結構中的“肽鍵”，并形成紫色化合物（絡合物）。用這支試管的顏色與其他各試管的顏色比較，說明蛋清、牛奶和豆漿中含有蛋白質。隨后，緊緊圍繞“什么是‘肽鍵？”“‘肽鍵在哪兒？”“‘肽鍵和蛋白質是什么關系？”開展后續的教學。

上述教學處理，既能很好地利用感性和直觀材料，幫助學生在事實的基礎上建構新概念，又能體現生物學科作為理科的教學特色。

（2）充分的學習體驗有助于構建相應的概念

生物課程期待著學生主動參與學習過程，在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據、檢驗假設、發現規律等過程中習得生物學知識，養成理性思維的習慣，形成積極的科學態度，發展終身學習的能力。在傳統教學中，教師往往忽略學生的學習體驗過程，“一言堂”比比皆是，且過于關注瑣碎的知識內容。其實，學生不需要記憶那些細枝末節的信息或孤立的事實，而是需要從大量事實和學習的體驗中，理解其中的規律，形成相應的概念和原理，并能將這些概念和原理遷移應用于新情境中。

例如：在認識氨基酸結構特點時，先用類比方法，引導學生理解蛋白質與淀粉一樣，也是由小分子物質構成的多聚體，即氨基酸是蛋白質的基本單位。而后出示三種氨基酸結構簡式（見圖2），請學生說出它們的異同，概括出氨基酸的通式。隨后，讓學生辨認四種不同類型氨基酸的氨基、羧基和R基。最后，展示20種氨基酸的結構簡式，明確氨基酸的不同主要是R基不同，R基的結構特點決定著氨基酸的特性。

又如：在認識“肽鍵”時，先讓學生觀看氨基酸“脫水縮合”課件（動畫），然后讓他們說出“肽鍵”是怎樣形成的，在哪里形成的以及組成。以此逐漸認識經“脫水縮合”形成二肽、三肽和多肽的概念。

還有，在認識蛋白質分子結構多樣性的原因時，先提出問題“20種氨基酸能夠合成多少種蛋白質呢？”學生在不知如何回答的情形下，出示兩種“九肽”的氨基酸組成：①半胱氨酸—酪氨酸—異亮氨酸—谷氨酰胺—天冬酰胺—半胱氨酸—脯氨酸—亮氨酸—甘氨酸；②半胱氨酸—酪氨酸—苯丙氨酸—谷氨酰胺—天冬酰胺—半胱氨酸—脯氨酸—精氨酸—甘氨酸。讓學生分析這兩種“九肽”的區別，并認識到雖然都是“九肽”，由于氨基酸種類和排列順序不同，其生理功能完全不同，①是催產素，②是加壓素。再利用“鐮刀型細胞貧血癥”的實例，說明由570多種氨基酸組成的血紅蛋白，只要有一個氨基酸發生錯誤，就會造成蛋白質空間結構發生變化，功能也發生改變——攜氧能力大大下降。在充分的事實面前，學生會逐漸認識到，組成蛋白質分子的氨基酸種類、數目、排列順序和肽鏈盤曲、折疊方式的不同，都是決定蛋白質分子結構多樣性的原因，進而理解蛋白質功能多樣性的原因。

實踐證明，讓學生經歷充分的學習體驗，可以使他們在主動學習的過程中，加深對事實的觀察和分析，逐漸體會事實背后所蘊含的深刻生物學原理和本質，進而順利地建構科學概念。

（3）建構概念的意義在于新情境下的應用

概念放在一定的應用情境下才會顯得生動和有意義。對于教師來說，幫助學生建構知識框架，形成正確的概念固然重要，但是，如果把這些概念“束之高閣”也就失去了原本意義。所以，構建概念重在應用。

例如：學生形成了“具有一定空間結構的蛋白質，才能有生物學功能”的基本概念后，可繼續提問：“生雞蛋含有蛋白質，煮熟的雞蛋呢？”學生經過思考后，答出蛋白質變性問題。教師追問：“蛋白質變性后，是否還屬于蛋白質呢？”教師演示：加熱試管中的蛋清后用雙縮脲試劑檢驗，結果為“紫色”，說明熟雞蛋仍是蛋白質，因為“肽鍵”還在！繼續比較“生蛋清”和“熟蛋清”的“紫色”，發現“熟蛋清”比“生蛋清”深。引導學生分析：加熱改變了蛋白質的空間結構，暴露更多的“肽鍵”與雙縮脲試劑反應后顏色加深。

通過這個環節的設計，學生對“肽鍵”是蛋白質特有的結構，認識更加深刻。與此同時，還學會了在新的問題情境下，利用概念解決問題的方法。

2.建構核心概念的程序

掌握核心概念需要學生主動建構，而非依靠教師的機械灌輸。因此需要一套有效的教學程序。北京教育學院的胡玉華教授以圖解的形式作了如下說明[4]：

筆者依據上述教學程序對“蛋白質”一節進行了教學實踐，收到了良好的教學效果，見圖4所示。

三、建構生物學核心概念的反思與體會

“在課堂教學中，核心概念應成為課堂教學目標之一。在制定教學目標的過程中，教師需要思考：核心概念之間的聯系，核心概念與原有概念之間的聯系以及核心概念與其他相關概念之間的聯系。”[5]在“蛋白質”一節的教學中，雖然涉及了一些生物學事實或事實性的概念，但這還不足以使學生構建出“蛋白質是生命活動的主要承擔者”這一核心概念，以及與它相關的更上位概念“細胞是由物質分子組成的，不同的物質承擔不同的功能”。因為學生的學習主要是通過課堂教學一課時一課時地理解和不斷積累的過程。對核心概念的認識，也是在獲得大量事實和一般概念的基礎上，逐漸概括和建構起來的。

所以，要想使學生對“蛋白質”有更為深刻的認識，還須在日后不斷地學習中，引導學生逐漸體會相關概念之間的聯系、不同層次概念之間的關系，為建構核心概念奠定基礎。

此外，在進行教學設計時，教師要有“單元”設計意識。要能將“單元”或核心概念拆分為若干相關的基本概念，作為該單元不同課時的教學目標實施教學。對于每課時的教學，絕不能只停留在讓學生記住一些簡單的生物學事實的水平上，而是要關注事實背后的內涵，關注通過事實抽象出來的概念，使學生通過一個“單元”的學習，能概括出某類生物學事實總體特征和規律性的東西，并以此建構合理的概念框架，進而提高在新情境下解決實際問題的能力。

參考文獻：

[1][3][5]張穎之，劉恩山.核心概念在理科教學中的地位和作用——從記憶事實向理解概念的轉變[J].教育學報，2010（1）.

[2]劉恩山，張穎之.課堂教學中的生物學概念及其表述方式[J].生物學通報，2010（7）.

[4]胡玉華.生物教師學科知識結構評價研究[M].北京：北京出版社，2011.

（作者單位：1.北京市海淀區教師進修學校 2.北京理工大學附屬中學）

（責任編輯：馬贊）