“泡開”生物學(xué)核心的概念、原理和問題
——再論“兩次倒轉(zhuǎn)”教學(xué)機(jī)制的應(yīng)用關(guān)鍵

吳開其 張 晉

(四川省瀘縣第二中學(xué) 瀘州 646100)

“第一次倒轉(zhuǎn)”是將人類認(rèn)識的終點定為學(xué)生認(rèn)識的起點，“第二次倒轉(zhuǎn)”是學(xué)生再認(rèn)識的過程，將關(guān)鍵的、有意義的環(huán)節(jié)進(jìn)行邏輯的、結(jié)構(gòu)的、系統(tǒng)的、有目的展開，實現(xiàn)將人類的認(rèn)識成果轉(zhuǎn)化成自身的力量[1]，包括建立生命觀念，學(xué)會問題解決，體驗科學(xué)探究。過程中新內(nèi)容的學(xué)習(xí)就像茶葉一樣“泡開”的過程，自然實現(xiàn)生物學(xué)核心素養(yǎng)培養(yǎng)[2]。

1 “浸潤”： 處于有溫度的課堂中

當(dāng)教學(xué)以核心的概念、原理和問題高位入手進(jìn)行“第一次倒轉(zhuǎn)”后,需要一個有溫度的課堂，它能讓學(xué)生調(diào)整出最佳的身心狀態(tài)去接納新知識，開啟認(rèn)識活動，實現(xiàn)與新知識溫和對接，由此才能更好地對核心的概念、原理和問題展開學(xué)習(xí)和討論。對于生物學(xué)科，課堂應(yīng)具備以下一些特點：

1.1 有生物科學(xué)藝術(shù)之美的課堂 除了自然界形形色色的生命體之美，課堂中呈現(xiàn)的一張電鏡下拍攝的受精作用圖，一段靈動的減數(shù)分裂過程，一個規(guī)則的雙螺旋DNA模型，一個神奇的無性繁殖現(xiàn)象，一種精細(xì)的物質(zhì)間信息交流方式，都是課堂上為學(xué)生展現(xiàn)科學(xué)藝術(shù)美的重要方式，課堂中需要將發(fā)現(xiàn)美的眼鏡向其聚焦。

1.2 有生物科學(xué)歷史韻味的課堂 例如在講果蠅的伴性遺傳時，給學(xué)生以講故事方式敘事摩爾根與果蠅的緣分，講述最開始科學(xué)家受拉馬克“用進(jìn)廢退”思想影響，將果蠅于黑暗和有色光照下培養(yǎng)研究，講述摩爾根珍惜的那只突變白眼果蠅產(chǎn)生，到最后白眼雄蠅精神抖擻死去的過程。又如當(dāng)一名教師聲情并茂地朗誦著“八年耕耘源于對科學(xué)的癡迷，一畦畦豌豆蘊(yùn)藏的秘密……”時，由此開啟對150多年前豌豆植物雜交試驗足跡的追尋。

1.3 有生物科學(xué)情境再現(xiàn)的課堂 例如，研究胚芽鞘向光彎曲實驗，直接讓學(xué)生在教室培養(yǎng)玉米胚芽鞘，并觀察胚芽鞘生長，再現(xiàn)研究情景。又如，課堂上進(jìn)行色盲測試，統(tǒng)計出班上32名男同學(xué)有2名患色盲，基本滿足理論概率0.7%，讓學(xué)生思考原因。

2 “舒展”： 核心的概念、原理和問題的生長

2.1 生物學(xué)科思想引領(lǐng)完成核心概念的延伸 平時，無機(jī)物、細(xì)胞器、蛋白質(zhì)、核酸、內(nèi)環(huán)境、激素、種群、生態(tài)系統(tǒng)這類概念的教學(xué)，通常讓學(xué)生構(gòu)建概念框架常用的方法是逐個章節(jié)篩查、遴選的方法，概念關(guān)系構(gòu)建比較機(jī)械。建議以生物學(xué)思想和方法引領(lǐng)概念關(guān)系構(gòu)建，實現(xiàn)核心概念的生長。例如，將生命觀念的“物質(zhì)—結(jié)構(gòu)—功能—運行”觀念和生物信息論思想相結(jié)合，以蛋白質(zhì)、DNA為核心概念，引導(dǎo)學(xué)生建立起的相應(yīng)概念圖(圖1)。再如，二元對立思想在對概念關(guān)系構(gòu)建的指引： 當(dāng)談到蛋白質(zhì)合成時，就應(yīng)想到蛋白質(zhì)分解；當(dāng)談到同化，就應(yīng)想到異化；談到生物因素，就應(yīng)想到非生物環(huán)境因素。關(guān)于“水”，可配對地想到細(xì)胞中的水和細(xì)胞外的水，身體中的水和生態(tài)環(huán)境中的水、自由水和結(jié)合水，以此實現(xiàn)概念系統(tǒng)地延伸。

圖1 結(jié)構(gòu)與功能適應(yīng)觀、生物信息論思想指導(dǎo)的概念圖構(gòu)建

2.2 中間比喻幫助核心原理的理解 在“轉(zhuǎn)錄翻譯”“減數(shù)分裂”“呼吸作用”“光合作用”“細(xì)胞免疫”等典型生命活動原理或機(jī)制的教學(xué)中，經(jīng)常遇到專業(yè)術(shù)語陌生零碎和原理需完整性教學(xué)之間的矛盾。例如在“基因工程及其應(yīng)用”的教學(xué)時，如果先講基因工程的工具，再講基因工程的操作流程，那么學(xué)生僅僅是在接觸各種孤立的工具，這樣顯得枯燥無邏輯。但如果先講基因工程操作步驟學(xué)生又聽不懂過程中出現(xiàn)的專業(yè)詞，這樣容易造成認(rèn)知過載。同樣的情況也發(fā)生在“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”教學(xué)中，教師對于先講“密碼子”“反密碼子”這些下位概念還是先講“轉(zhuǎn)錄翻譯”的過程機(jī)制感到為難。合理利用比喻可解決此矛盾，將核心原理學(xué)習(xí)伸展開來。

首先是高位入手，用通俗言語講解生命活動原理或過程。例如，“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”中“翻譯”活動原理的教學(xué)來說，直接呈現(xiàn)“翻譯”的過程原理，將涉及到的專業(yè)名詞“tRNA”“密碼子”“進(jìn)入位點”暫時用“攜帶氨基酸的運輸工具”“字母編號”“對號入座”形象詞語代替。一些生命活動原理暫時用通俗的語句代替，如“用剪刀將運載體剪開，把目的基因放到運載體缺口，再用針線縫合”“兩個氨基酸各自將手中的元素扔掉并手拉手的過程叫做脫水縮合”和“攜帶氨基酸的運輸工具對應(yīng)mRNA上的字母編號對號入座到場所的椅子上”這樣的語句。

其次是自學(xué)專業(yè)術(shù)語。在熟悉基本原理基礎(chǔ)上，教師出比喻詞，學(xué)生有目的地結(jié)合教材自學(xué)專業(yè)術(shù)語。并且小組合作將之前原理敘述中通俗化的詞語替換為專業(yè)術(shù)語，組內(nèi)合作調(diào)整和組織語言呈現(xiàn)對原理的理解。例如，“翻譯”原理解釋的語句替換為“攜帶氨基酸的tRNA通過反密碼子和密碼子的配并對安置在核糖體的位點1”。

再次是展示交流，小組代表用專業(yè)術(shù)語，結(jié)合繪圖、板書甚至模型展示重新講解生命活動的原理或機(jī)制。同時需要小組利用專業(yè)術(shù)語、原理去重新解釋生物學(xué)事實，例如，讓小組用專業(yè)術(shù)語解釋“密碼子的簡并性”和“多聚核糖體條件下的翻譯結(jié)果”。

2.3 自主探究著力核心問題的解決 一些涉及科學(xué)探究或假說推理的教學(xué)，一線課堂常采用所謂的“問題串”一步一步引導(dǎo)學(xué)生探究，問題隨著學(xué)習(xí)逐一呈現(xiàn)但造成“牽著”學(xué)生走。有的課堂將多個問題全部呈現(xiàn)，又造成學(xué)生認(rèn)知恐慌，被問題“壓著”走。

例如，在證明“基因在染色體上”的教學(xué)中，教師設(shè)置了許多與核心問題之間具有邏輯關(guān)系的子問題，借助摩爾根實驗背景，提出問題串：“控制眼色的基因為顯性還是隱形？控制眼色的基因位于常染色體還是性染色體上？位于性染色體的X染色體還是Y染色體？位于X染色體的同源區(qū)段還是非同源區(qū)段？”這些問題看似非常具有邏輯關(guān)系并引導(dǎo)學(xué)生一步一步深入思考，但學(xué)生或是在欣賞問題邏輯，或是在被問題拖動學(xué)習(xí)。因此，類似探究性問題解決需注重兩個關(guān)鍵： ①多個問題精簡成一個核心問題。確立問題和問題表征，聯(lián)系原有相關(guān)的問題解決方式，確立問題解決所需的思維方式，接著呈現(xiàn)問題解決的材料，實現(xiàn)問題的表征。以上述“基因在染色體上”教學(xué)為例，本節(jié)課其實需要解決的核心問題就是仿照孟德爾采用的假說—演繹法，根據(jù)摩爾根實驗背景完成控制眼色基因遺傳機(jī)制的證明。②圍繞核心問題構(gòu)建自主探究。一方面，在確定核心問題條件下，教師需為學(xué)生提供問題解決的材料或條件，例如關(guān)于上述的“基因在染色體上”一節(jié)教學(xué)，由于摩爾根的實驗不可能在課堂中真實再現(xiàn)，因此需要將其“蠅室”中完成的實驗以材料形式展現(xiàn)出來[3]，學(xué)生只需根據(jù)第一個實驗進(jìn)行分析或憑借直覺的思維可作出假設(shè)，依據(jù)后三個“驗證實驗”進(jìn)一步進(jìn)行演繹推理即可(圖2)。從而學(xué)生自己根據(jù)假設(shè)和實驗證據(jù)形成內(nèi)部心理對話：“若假設(shè)成立需要滿足實驗證據(jù)，如不滿足則需要更改假設(shè)”，這樣在“試誤”中不斷確信或修正自己的假說。另一方面，問題的自然生成，探究過程中引導(dǎo)學(xué)生自己提出來并主動解決問題。例如在探究“酵母菌呼吸方式”的實驗教學(xué)中，組織學(xué)生小組間相互質(zhì)疑，學(xué)生會自然提出“怎樣保證瓶子中酵母菌只進(jìn)行有氧呼吸？”“我采用不加酵母菌的培養(yǎng)液作為對照排除空氣中CO2的影響。”這樣的問題或解決方案。

圖2 “基因在染色體上”教學(xué)中核心問題的設(shè)計

3 “還原”： 回歸促進(jìn)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的教與學(xué)

筆者認(rèn)為，核心概念的展開與延伸伴隨著“生命觀念”等生物學(xué)思想的逐漸形成；核心問題的解決需要歷經(jīng)一次次“科學(xué)探究”過程；核心原理的理解還依靠“科學(xué)思維”對信息各種形式的加工。促進(jìn)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的本真課堂必定是有利于核心的概念、原理和問題“泡開”的課堂教學(xué)，學(xué)生在這樣的課堂教學(xué)中能獲得促進(jìn)自身發(fā)展的機(jī)會和動力。

3.1 學(xué)生能積極參與和互動 問題解決的跟進(jìn)、知識的生長、核心概念和原理的展開，最終學(xué)生需要在學(xué)習(xí)共同體(小組或班級)形成共同知識，并對公共知識持續(xù)改進(jìn)[4]，核心的概念、原理和問題的“泡開”，伴隨著課堂由自主學(xué)習(xí)的“靜”到相互切磋的“動”： ①臺下到臺上的互學(xué)過渡。正如前面的例子“基因在染色體上”一節(jié)的教學(xué)，當(dāng)學(xué)生對比自己的假設(shè)時，若發(fā)現(xiàn)不同，勢必會問對方是怎么假設(shè)的，怎樣驗證的。若相同，大家的探索過程會一樣嗎？好奇的學(xué)生會追問：“你怎樣排除白眼基因不在X染色體同源區(qū)段的？”“你是不是隨便猜測的？”②臺上展學(xué)時學(xué)生間智慧的碰撞。面對學(xué)生的爭辯或達(dá)成的錯誤共同知識，教師可以參入進(jìn)來，以學(xué)習(xí)者的心態(tài)繼續(xù)對共識進(jìn)行修正。學(xué)生之間進(jìn)行相互探討，對提出的問題進(jìn)行深化、質(zhì)疑、評價。

3.2 逐漸形成創(chuàng)造未來歷史的品格和情懷 一方面，體會經(jīng)典的科學(xué)史中人類認(rèn)識過程的意義、方法。也就是在體會科學(xué)史發(fā)展的艱辛、原有偉大成就的價值、對人類發(fā)展的貢獻(xiàn)甚至是現(xiàn)有研究的遺憾中培養(yǎng)對國家、人類發(fā)展的“社會責(zé)任”核心素養(yǎng)。例如在學(xué)習(xí)“血糖平衡”時，對我國人工合成胰島素的歷史背景進(jìn)行介紹，在學(xué)習(xí)微生物時對青霉素的發(fā)現(xiàn)背景作介紹，這些都有利于學(xué)生去感悟國內(nèi)外科學(xué)家的努力和成就。另一方面，對生物學(xué)發(fā)展的未來歷史產(chǎn)生向往。也就是在積極關(guān)注、思考生物學(xué)發(fā)展的前沿、生物學(xué)領(lǐng)域正在攻克的歷史性難題的過程中培養(yǎng)對國家、人類發(fā)展帶有自豪、期許的“社會責(zé)任”核心素養(yǎng)。例如在講癌細(xì)胞時，介紹目前治療癌癥的新手段和正在攻克的方向，我國又是處于怎樣一個研究水平。在學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)中分解者時，讓學(xué)生思考分解者在生態(tài)平衡中的作用，給處理城市垃圾帶來的啟示。

3.3 持續(xù)又一次“倒轉(zhuǎn)”的教與學(xué) 新的學(xué)習(xí)是為下一次學(xué)習(xí)服務(wù)的，新知識被同化或順應(yīng)后應(yīng)體現(xiàn)其價值，并開啟以新知識為舊知識的學(xué)習(xí)。例如，在以“物質(zhì)—結(jié)構(gòu)—功能”為線索進(jìn)行核心概念學(xué)習(xí)后，應(yīng)繼續(xù)在“功能”上探索“運行”機(jī)制，“運行”機(jī)制的探索可用建模的方式便于分析，這樣先后學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)功能、免疫蛋白的作用機(jī)制、構(gòu)建免疫機(jī)制的模型圖；再如，結(jié)合新學(xué)習(xí)的原理或機(jī)制以應(yīng)用的方式進(jìn)行又一次“倒轉(zhuǎn)”學(xué)習(xí)，基因工程講完后，以該原理為舊知識還原艾弗里實驗，重新分析當(dāng)時模糊且抽象的“轉(zhuǎn)化因子”，還可以將基因工程原理為材料延伸基因漂流，不讓學(xué)生在沒有背景材料去討論基因工程利與弊；又如，在解決核心問題“基因在染色體上”后，通過課堂改組，讓學(xué)生簡約、經(jīng)典地歷經(jīng)假說—演繹過程。可讓學(xué)生以批判的態(tài)度分析摩爾根不可能一口氣想到并做“后三個”驗證實驗，分析摩爾根與果蠅伴性遺傳發(fā)現(xiàn)究竟是怎樣一個一步一步進(jìn)行的過程，促使學(xué)生對果蠅伴性遺傳的歷史進(jìn)一步學(xué)習(xí)，體會科學(xué)研究的過程和方法。