指向深度學習的生物科學史教學

魏 偉

(江蘇省南京市第一中學 210001)

深度學習(deep learning)又稱深層學習，是指讓學習者在理解的基礎上，對新知識和內容進行批判性學習，并將新舊認知融合，聯系眾多資料和思想，運用所學知識遷移到新情境中應用，從而做出決策以解決問題。

生物科學史是前人對生命世界探索的智慧積淀，對它的深度學習能夠促使學生理解科學的本質，體驗科學研究的方法，感悟科學探究的精神。近年來，科學史教學雖引起了教師們的重視，可課堂實踐中往往還存在著“淺層學習”的現象：或將科學史當成“名人軼事”類的趣味談資，或將科學史割裂成“講完歷史再講結論”，或將科學史料“大材小用”成“閱讀理解”，或將科學史粗放拓展得瑣碎繁雜……沒有了對科學史料的理性分析和知識的意義建構，沒有了科學發現的探究過程和科學精神的有效滲透，這樣的科學史教學是粗淺的、不完整的，是不能觸及到學習本質的。現以“DNA的分子結構”一節的校本課程為例，試圖依據深度學習理論，展現科學史教學過程，以供探討。

1 前端分析，關注深度學習的起點

“教材解讀”與“學情分析”是引導深度學習的基點。“教材解讀”應關注課標的要求、教材的編排體系、教材中的重難點以及教材的學科思想方法和價值等。“學情分析”可包括學生已有的知識和經驗、相關的技能儲備、情感因素及身心特征等。前端分析還需弄清學生現實認知水平和潛在認知水平之間的“最近發展區”，前端分析的目的是以學定教，直接指向教學目標的確定、教學方法的選擇和教學過程的設計。

“DNA的分子結構”是高中生物學必修模塊2《遺傳與進化》中的內容，本節內容從分子水平上進一步詳盡地闡述DNA的分子結構，是學習“基因的表達”“基因突變及其他變異”以及“基因工程”等的基礎。遺憾的是，人教版和蘇教版教材都沒有體現“建構模型”的過程：先回顧科學史，進行資料分析，再介紹DNA分子雙螺旋結構的特點，最后是安排“制作模型”。學生在初中已學過“DNA是儲存遺傳信息的物質”，在高中必修1的“遺傳信息的攜帶者——核酸”中已了解到DNA的基本組成，在多種媒體上接觸過有關DNA的內容。必修1的學習中，學生已經嘗試制作過“真核細胞的模型”等，初步具備了模型的想象和建構能力。學生可聯系的知識和經驗，使其具有進一步探究DNA分子結構的內源動機。因此，本節課的教學重點是DNA分子結構的主要特點，建構DNA分子雙螺旋結構模型；教學難點是建構DNA分子雙螺旋結構模型。

2 設計思路，明確深度學習的目標

教師在進行教學設計時，應充分利用學生對“未知世界”的好奇心，創設問題情境；通過難易適度的更高層次任務目標，驅動學習持續走向深處；采用豐富精煉的學習材料和科學合理的認知策略，幫助學生攻克難題、獲得成功；給予及時有效的評價與激勵，幫助學生提升自我效能感。

DNA分子結構較為抽象，需要研究者有一定的空間想像能力，科學家在DNA雙螺旋結構的發現中采用的是模型方法。因此，構建模型是本課教學中必不可少的重要工具，也是對科學史實的最大尊重。教師在課堂教學中，不去先講述DNA分子的結構特點，再組織“模型制作”；而是對教材進行二次開發，對科學史料進行適當補充和深度加工。考慮到學生的已有認知水平和最近發展區，教學以“基本單位→單鏈結構→平面結構→空間結構”的主線讓學生拾階而上、自主建構模型。這一過程中，教師應盡量創設“近于真實”的研究歷程，逐步呈現DNA分子結構的相關史實和知識線索，調動物理、化學、數學等多學科知識背景，引導學生“像科學家一樣”深度思考并堅持不懈，使學生在解決實際問題的過程中深度學習。

本節課的教學目標確立為：知識方面為概述DNA分子結構的主要特點；能力方面為建構DNA雙螺旋結構模型，探究DNA多樣性與特異性原因，體驗DNA雙螺旋結構模型的構建歷程，領悟模型方法的應用；情感態度與價值觀方面為認同合作在科學研究中的重要性，討論技術進步在科學研究中的重要作用，認同人類對DNA結構的認識是不斷深化完善的過程，初步形成DNA的結構與功能相統一、多樣性與特異性相統一的觀點。

3 聯系舊知，引出自主生成的問題

學生已有的生活學習經驗以及與新學知識的聯系會激發其興趣，產生情感共鳴。創設一定的問題情境，將目標與內容問題化，會觸及學生的思維深處。但要解決的問題最好不是教師拋出的學習任務，而是師生共同討論生成的話題。

導入本課時，PPT課件可展示“青蛙要給蝌蚪進行親子鑒定”的漫畫，引出“DNA是遺傳物質”，拉近與學生的距離，喚起學習的主動性。教師進而提出：結構與功能是統一的，DNA是遺傳物質，其結構是怎樣的呢？以此調動學生思維的積極性，明確學習目標。學生回顧DNA的組成元素和基本單位，并利用提供的學具構建若干個“脫氧核苷酸”模型，然后說出所構建的脫氧核苷酸具體名稱。在教師指出“DNA分子是由許多核苷酸連接而成的長鏈”后，即讓學生邊討論邊嘗試構建DNA的模型，在動手中學生會發現很多不能解決的疑問，爭論紛紛、情緒熱烈。這時，教師要及時組織學生將遇到的挫折大膽說出，并匯總學生生成的問題：磷酸基團與脫氧核糖的什么位置相連？DNA分子到底有幾條鏈？這些鏈如何放置？DNA中什么排列在外側？什么排列在內側？堿基如何排布？

本環節承前啟后，旨在刺激學生對先前學習的回憶，與本課新知識建立聯系，提高學習的遷移速度，也為DNA完整模型的構建做必要的鋪墊。教師有意讓學生在動手中產生認知沖突、生成問題，旨在引發學習的注意，激發探究的欲望，培養提出問題的能力和批判性思維。這樣，在教學一開始就創設熱烈的學習氛圍，使學習在和“科學家當時的現實情況”基本一致或相類似的情境中發生，使深度學習順理成章地開始。

4 信息加工，組織面向解決的活動

面向需要解決的問題，教師應提供“基于事實但又不局限于事實”的先行組織的引導材料，讓學生對這些事實進行深度加工，從中提煉出有用的信息和方法。同時，深度學習需要學生在活動中經歷分析問題、解決問題的過程，以發展科學的思維品質和理性的交往能力。因此，教師需要組織高質有效的小組活動，讓學生在新舊認知之間、生生之間、師生之間進行多重對質，不斷使思維精制化、復雜化，使概念明晰化，將學習逐步推進并走向深入。

本節課中針對學生遇到的問題，教師適當嵌入情感態度及價值觀的教育：沃森和克里克也曾遇到大家剛提出的這些問題，但他們沒有放棄，而是不斷學習、不斷思考、不斷嘗試。隨即，教師展現“兩位科學家通過學習和請教得到的”史料，鼓勵學生“像科學家一樣思考”：①每個核苷酸的脫氧核糖與另一個核苷酸的磷酸基連接在一起, 形成“糖—磷酸基”骨架。②化學方法分析發現，核苷酸之間是通過磷酸二酯鍵相連的(可投影圖示)。③二戰后，電子顯微鏡測定出DNA分子直徑約為2 nm。威爾金斯推算出，只有2條鏈或3條鏈的DNA直徑才可能是2 nm。④富蘭克林指出，按照3條鏈的DNA模型，推測出的含水量只是實際測得的1/10。學生在分析得出“核苷酸之間由磷酸二酯鍵連接及DNA有兩條鏈”的結論后，再次以小組為單位動手制作模型。這時，他們將再次遭遇挫折：兩條鏈有幾種排列組合的方式？學生動手、思考、討論后得出如圖1所示的六種可能。

深度學習必須建立在對適量事實的理性認識基礎之上。該環節中，教師在學生思維的關鍵點上適時將簡明扼要的科學史材料呈現，讓學生自主進行比較、分析后得出理性結論，從而發展、改進所制作的模型，建構起個人情境化的知識體系，將學習提升為深層意義的獲得。而化學、物理、數學和生物等跨學科知識的深度融合，可幫助學生形成多學科知識相互滲透的觀念，以知識的聯系和遷移推進深度學習任務的完成。

圖1 DNA分子兩條鏈六種可能的排列情況

5 搭建支架，推動高階思維的發展

教學應走在發展的前面，不能消極適應學生的已有發展水平；教學應分解復雜的任務，要提供給學習者逐步攀升的支架。因此，由問題轉化而成的深度學習活動也應當是有序列的、由淺入深的。邏輯清晰、合乎認知規律的階梯式情境，特定主題、符合學習目標的典型學習材料，值得借鑒、富有參考價值的已有學習成果，可引導學生層層遞進地深入思考，連貫地把學習從一個水平提升到另一個新的高度，發展學習者的高階思維。

面對六種可能的雙鏈排布方式和堿基如何放置的問題，學生再次感受到學習的挫折，教師在肯定學生前期成果的同時，激勵其應“像科學家一樣”堅持不懈，并及時提供“沃森和克里克收集到的資料”：①富蘭克林指出，堿基疏水，脫氧核糖和磷酸親水，而DNA在細胞中是處于水環境的(聯系遷移：參考細胞膜中的磷脂雙分子層)；②佩魯茲指出，DNA是單斜晶，具有C2對稱性，這意味著兩條鏈沿著相反的方向行進，是反向平行的；③戴維遜指出，4種堿基分子大小不同(投影化學結構式圖)；④查戈夫指出，A的數量等于T的，C的量等于G的；約翰·格里菲斯計算出，A吸引T，C吸引G。學生在獨立思考、自主學習后，開展小組合作與討論；教師組織全班集思廣益，引導學生分析、整理、歸納。通過對信息的整合和加工，對磷脂雙分子層等知識的遷移應用，得出：脫氧核糖和磷酸應排列在外側，堿基排列在內側；DNA的兩條鏈是反向平行的；堿基A與T配對，C與G配對(如圖1中F所示)。在此基礎上，學生將手中的模型拆開重建，教師不失時機地滲透：“沃森和克里克當時也是像這樣建了拆，拆了又建，屢敗屢建，最終獲得成功！”

教師所搭建的各種做為學習援助的“腳手架”，應基于學習者可能存在的學習障礙，應適于學生對知識的同化和順應，應助于對概念的內化和建構；而非課程內容要素的材料就不再要求學生記住，即拆除腳手架。遭遇挫折時，教師需要清晰把握學生的學習情緒及自我監控能力，有針對性地給予方法指導和鼓勵性評價，讓其體會科學探索的艱辛與快樂。活動中，教師應創設自主合作的學習情景和平等融洽的討論環境，通過不同觀點的交鋒，逐步改善、發展和修正學生的前概念。教師的主導到位而又不越位，方能有助于高階思維的培養，讓深度學習“水到渠成”。

6 批判反思，促進元認知水平的提升

當問題近于解決時，教師至此方呈現科學結論，學生分析對比、再次修正、得出正確結論。這一過程是引導學生進行自我反思的良好契機，教師適時引導學生發現并修正學習中存在的問題和不足，審視自己思維的過程，分析使用的方法、遇到的困難、克服障礙的方式等，力求幫助學生發展元認知。學生或多或少會從解決問題的方法、規律、思維策略等方面進行歸納總結，達成對知識概念的理解、思維方法的領悟、科學精神的內化。

針對學生急于想證實自己再次建構的模型是否正確這一心理，教師及時投影教材中“DNA分子的平面結構和立體結構模式圖”，學生認真觀察、對比、分析，修正自制的模型，并關注到“DNA分子的每個螺旋都由10對堿基組成，相鄰兩對堿基間的距離相等”這樣的細節。然后小組代表展示、匯報、交流，師生共同進行修正和完善，并反思整個建模的過程。接著，教師用模型做導學工具，讓學生思考：每組制作的模型與其他組相同嗎？各組所制作模型的差異在哪里？你認為DNA片段模型中，第一對堿基有幾種可能？某DNA片段有n個堿基對，則該DNA片段可能的堿基排列順序有多少種?學生通過自制模型的比對和數學方法的歸納，總結出DNA分子的多樣性和特異性。教師還可指導學生觀察DNA分子結構模型后，再依據堿基互補配對原則，推算DNA分子的堿基比例和數量之間的規律。

師生共同反思整個學習過程，促成元認識水平的發展。根據模型挖掘DNA分子結構中隱含的原理，既充分利用了模型，又讓抽象的數理規律在直觀模型中自然推出，并嘗試了用數學語言描述生命現象。由此，科學史教學超越了淺層的符號學習，提升為深層意義的獲得，深度學習“瓜熟蒂落”。