逆向教學主線在生物學模型教學的應用

鄭云桓+黃鳳珍+丁奕然

摘 要 通過逆向主線教學法的應用，以“DNA分子的結構”為例，從結構與功能相適應的辯證觀出發，并在教學中形成模型建構——深入理解——精神培育三個層級，來形成應用主線教學法進行生物學模型課教學的范式案例。

關鍵詞 建構主義 問題鏈 合作學習 模型評價 科學史

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

課改以來，生物學科的教學模式不斷推陳出新，更加凸顯學生的主體地位。以生物學模型課為例，衍生出了游戲教學、直觀教學、主線教學等多種教學方式。其中主線教學強調設計一條清晰、高效的教學主線，來串聯起課堂中的主干知識與技能，并且互相聯系、層次分明，形成一條完整的教學鏈，從而完整展示整個生物模型特點或科學史過程。通常教學主線都是按照學生的認知規律，切合他們最近發展區進行的教學設計，一般情況下教師會根據科學史足跡、因果關系、“現象—本質”邏輯原理等正向思維引導學生進行學習。

然而，有研究發現逆向思維的教學主線也可以應用于生物學模型的教學。有別于一般的教學主線設計，逆向教學主線的設計更具有建構主義的色彩，它是先根據學生的自主活動，再進行評價模型的教學過程。它也使評價過程變為一條教學主線，并生成知識的網絡體系，以促進師生間的思維互動，并完成知識內化的過程。筆者據此進行了深入的應用研究，希望探究出一種教學模式以對應生物學模型的課堂教學。最終決定以“DNA分子的結構”一節為例，探索出了一條辯證觀建立、模型建構——評價中校準、深入理解——科學史探究、培育精神這一逆向教學主線的生物學模型教學范例。

1 辯證觀建立，模型建構

生物學模型課中的辯證觀包括“結構與功能相適應”的觀點，然而在實際的教學過程中一線教師往往會忽略這一點，過多注重生物學模型結構與功能的剖析，而沒有將二者聯系起來讓學生理解。為了在教學中建立起“結構與功能相適應”的觀念，并且能夠與學生掌握的舊知識形成銜接，建立辯證觀的教學點化就成了逆向教學主線設計中最基礎的一步。沒有辯證觀為基礎而進行的模型建構必然是千奇百怪，將會大大降低課堂教學的效率。對于DNA分子模型的構建，學生之前已經認知了DNA基本組成單位是脫氧核糖核苷酸，它包括脫氧核糖、磷酸基團和含氮堿基三部分，并且學生也已大致了解了三者間的連接情況。接下來學生就可以思考：作為遺傳物質，應當具備哪些功能？

1.1 銜接已知——了解多樣性與特異性

通過之前的學習已經知道生物的性狀是由遺傳物質所控制的。教學開始時，教師可以由自然界中生物所呈現出性狀的多種多樣入手，分析這必然要求遺傳物質具備多樣性，才能夠控制如此豐富、復雜的性狀，即DNA分子要具有多樣性，而其本質就在于堿基排列順序的千變萬化。既然DNA分子是多種多樣的，那么每個DNA分子便會有其特定的堿基排列順序，即DNA分子具有特異性。而DNA作為主要的遺傳物質，其特異性決定了每一種生物遺傳信息的獨一無二，而遺傳信息又控制著生物的性狀，故每一個生命都是絕無僅有的。

1.2 諺語點化——深入理解穩定性

“龍生龍，鳳生鳳，老鼠的兒子會打洞”。教師利用這一諺語提問：為什么遺傳的性狀相對穩定的？既然遺傳的性狀是相對穩定的，DNA又作為主要遺傳物質承載遺傳信息在世代中連續傳遞，那就必然要求DNA分子的結構具有穩定性。可是如何才能保證DNA分子結構的穩定性？學生已經知道脫氧核糖核苷酸是DNA的基本組成單位，知道它包括了含氮堿基、脫氧核糖和磷酸基團三個部分，于是可以推測脫氧核糖核苷酸之間的連接方式、模型構象等對DNA分子結構的穩定性具有至關重要的作用。

生物學模型辯證觀的建立讓學生自主的建模過程更有依據，所以當學生了解了DNA的功能特點時，接下來就可以通過合作學習進行模型建構了。在生物課堂中開展學生合作學習、自主建模的教學方式相對于傳統教學更易于調動學生學習的積極性，學生以一個探究者的身份而不是旁觀者的身份來參與到學習活動中去，可以充分培養思維探究能力。

2 評價中校準，深入理解

教學方式應當圍繞學生的思維進行，并在互動中促進知識的內化吸收。雖然有了之前的辯證觀建立，但實際情況中學生分組建構的模型仍是參差不齊的，故教師宜采取對模型進行評價來輔助學生準確認識生物模型。在逆向教學主線設計的課堂中，教師就可以根據學生分組所建構的生物模型，分層次找出其建構的分歧點，然后可以通過學生剛剛了解的功能特點進行講解，以促進學生對該生物學模型的全面理解。將DNA的分子結構根據學生建模的分歧點進行分層：一條鏈上核苷酸間的連接→DNA是單鏈還是雙鏈→堿基在內側還是外側→堿基之間的連接→DNA分子如何構成立體結構為線索進行評價，并依據DNA分子的穩定性對這些要點制定評價標準。具體設計如圖1所示。

2.1 評價一條鏈上核苷酸的連接

對于一條鏈上的核苷酸，學生建構出來的模型可能是兩個磷酸基團之間的連接，或者是兩個相鄰堿基之間的連接，也有可能是相鄰的兩個脫氧核苷酸之間的相連等等。但通過化學分析，可知是脫氧核苷酸的3號碳原子和相鄰的脫氧核苷酸的磷酸基團之間通過磷酸二酯鍵將脫氧核苷酸連接成長鏈，使脫氧核糖核苷酸鏈保持穩定，以此作為評價標準。

2.2 評價DNA是單鏈還是雙鏈

關于DNA是由單鏈還是雙鏈構成的，學生也會有不同的推測，建構模型時甚至會出現三鏈的形式。但DNA作為生物的遺傳物質要保持遺傳信息的穩定性，就需要形成雙螺旋的穩定結構，如果DNA是單鏈則容易發生變異，不利于遺傳信息的穩定傳遞，即采用“遺傳信息的穩定性”作為評價標準。

2.3 評價堿基在內側還是外側

已經建構完成的DNA是雙脫氧核苷酸鏈，接下來就要評價學生對堿基位置的構建。學生可能將堿基放置在外側，可能都放置在內側，也有可能一條鏈上的堿基在內側，另一條鏈的堿基在外側。但DNA分子的特異性在于堿基特定的排列順序，它承載著生物極其重要的遺傳信息，而將堿基放在雙鏈的內側則有利于保護遺傳信息的穩定，這樣的建構才是合理的。endprint

2.4 評價堿基之間的連接

對于堿基之間的連接方式，則需要從兩個方面進行評價：① 堿基之間互補配對的方式，腺嘌呤對應的是胸腺嘧啶，鳥嘌呤對應的是胞嘧啶。因為A-T堿基對和G-C堿基對具有相同的形狀和直徑，這樣構建的DNA分子才具有相等的直徑。② 配對的兩個堿基之間是通過氫鍵相互連接的，A=T，G≡C。這樣的連接方式在DNA分子的中間對雙鏈結構進行了加固，使其更加的穩定。

2.5 評價DNA分子如何構成立體結構

之前的四個評價分歧點都是針對DNA分子平面結構建構的，接下來就要對學生建構的DNA分子的空間結構進行評價。大部分學生都能夠建構出DNA分子螺旋化的結構，但是會出現左螺旋和右螺旋的兩種情況。根據1953年沃森和克里克提出的DNA雙螺旋結構模型，他們構造出一個右手性的雙螺旋結構，即DNA的兩條鏈逆向平行伸展，圍繞同一中心軸盤繞呈右手雙螺旋。DNA分子通過右手性雙螺旋后形成了立體的空間結構，使其更加牢固，遺傳信息的穩定得以保證。

教師以“一個合理、完善的DNA分子模型應該具備怎樣的特點”導入，并對每一組的模型進行打分，模型建構活動順應了兒童好動與好奇的天性，讓學生在表現欲與求勝欲的驅動下，始終保持著高漲的學習熱情，展開對生物模型評價標準的深入思考和討論。根據學生所制作的模型間的“矛盾沖突”，教師在問題鏈中引導學生對模型知識點的拆分與學習，并建立評價標準，再讓小組成員進行模型校準，從而讓學生建立完整而深刻的知識體系。經歷模型評價與校準這一過程，可以使學生不間斷地產生認知沖突，在疑問中反思、頓悟，以完善學生對生物模型的準確認識，最終培養其勤學善思、勇于質疑的科學態度，樹立起牢固的唯物主義辯證觀。

3 科學史探究，精神培育

教學主線的逆向在模型校準中得以體現，但是模型校準中一個個評價要點對應了的不僅僅是學生的思維分歧點，也曾經是科學家探究過程中爭論不休的地方。任何一個生物模型的建立都是幾代科學家用心血與智慧所鑄就的，所以在進行生物模型課的課堂小結時，教師需要教給學生的不僅僅是記憶生物學模型的要點，更應該讓學生結合生物學模型探究的科學史，了解科學探究的方法，銘記科學家們的歷史貢獻，并培育學生的科學探究精神。

例如在講授DNA分子結構的發現時，教師在學生已經校準模型的基礎上，以設置問題鏈的形式讓學生去了解：模型建構的方法起源于哪里？磷酸二酯鍵的存在又是誰提出的？雙螺旋、堿基在內側決定的反向平行又是根據什么科學依據得出的？堿基互補配對并由氫鍵連接是誰發現的？借助物理的衍射圖譜、化學的結構分析，這一系列問題的解決才形成了沃森與克里克的雙螺旋結構模型。這一過程繪制出DNA分子結構發現的科學史，具體如圖2所示。以這樣的圖告知學生，科研既是競賽又是合作，更是多學科的交叉融合與幾代人的智慧結晶，從而培育學生的科研精神。

教學反思與總結：生物學模型的講解中，要么講授其探究發現過程，要么側重于功能與結構適應性。一線教師往往采用將科學史探究故事講解置于前面，先讓學生了解整個生物學模型的探究過程，再講述生物學模型的特點讓學生記憶。這樣的教學方式采用了正向教學主線的一般策略，側重于知識的記憶與科學探究方式的學習。而逆向教學主線與教學案例，則一反常態讓學生先了解生物模型的辯證觀，再通過逆向思維讓學生建構模型，條分縷析評價模型。在學生對知識本身與知識背后的內涵有了一定了解后，再結合模型特點解讀模型建構的科學史，以培育學生的科學精神。該教學方式充分體現了學生的主體地位，注重科學知識、科學探究能力、科學精神三方面的培養，可以在一線教學中推廣應用，但需要教師對教學節奏與內容穿插上的合理安排。

參考文獻：

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[4] 鄭云桓，丁奕然.試析多角度的生物科學史教學主線設計[J].中學生物學，2014，30（11）：16-17.endprint