例談基于APOS理論的生物學概念教學策略

張祥

“一個概念，幾點強調”的概念教學在常態課中屢見不鮮。造成這種現象的主要原因是教師自身的本體性知識不足，尤其是對生物學核心概念形成的來龍去脈不甚了解，對概念的理解和認識不夠深刻;同時，教師缺乏一定的概念教學技能，對概念學習的認知過程和思維路徑不很清楚，不知如何從學生的認知規律出發開展概念教學。將APOS理論應用到概念教學中可以彌補目前概念教學方式的不足。

1 APOS理論簡介

APOS理論是美國數學教育家杜賓斯基基于建構主義理論提出的學說。他認為：學生在概念學習過程中，只有結合自身的已有知識經驗進行主動的有意義建構，才能理解所學概念，并將其納入已有的認知圖式。學生學習概念就是要建構心智結構，這一建構過程一般要經歷四個階段：操作或活動（ ac-tion）階段、過程（process）階段、對象（object）階段、圖式（scheme）階段，簡稱APOS理論。

操作（活動）階段：讓學生大量參與到事先設計好的相關活動中，直接或間接地體驗與相關生物學概念相關聯的情境。在大量的活動、操作、參與中，學生對觀察到的客觀現象產生模糊的心理認知。此階段也稱為概念的初步建構階段。

過程階段：讓學生對“操作活動”進行思考，通過觀察、分析、比較和整合，經歷思維的內化和壓縮過程，歸納提煉出活動中概念所特有的性質，從而初步形成概念的一般定義的“過程”。此階段也稱為概念的提煉與形成階段。

對象階段：是對“活動”與“過程”的升華，通過對原有認知結構的調整，使學生意識到可以將“過程”看成一個整體。在對這一整體在生物學情境中變形、轉換時，學生就會對概念認知過程進行簡約與提取，賦予其形式化的含義，此時“過程”便凝聚成了“對象”。此階段也稱為概念的符號性表征。

圖式階段：通過對先前的操作過程和對象與學生頭腦中已有的圖式進行相應的整合，建構更為復雜的概念體系，形成全新的圖式以應對與這一概念相聯系的各種新的問題情境。此階段也稱為概念的網絡體系建構。

2 基于APOS理論的生物概念教學實例

下面以人教版高中生物《必修2.遺傳與進化》第三章第二節“DNA分子的結構”一節概念教學為例來說明APOS理論在概念教學中的應用。“DNA分子的結構”一節內容的學習既是對減數分裂及孟德爾遺傳定律內容的深化，也是學習整個遺傳與變異內容的基礎。通過前一節內容的學習，學生已經知道了DNA是遺傳物質。那么，DNA分子是如何儲存遺傳信息的？是如何保持遺傳信息的穩定傳遞與表達的？根據結構決定功能原理，首先要弄清DNA分子的結構。

DNA分子結構的研究與發現蘊含著生物學研究的重要方法——模型建構，所以運用APOS理論設計教學過程既可以引導學生在概念形成過程中習得生物學方法，深化對概念的理解，也可以讓學生認識到概念所體現的生物學思想。

2.1操作（活動）階段

教師 設計一系列使內隱的概念外顯的活動，使學習者體現概念的形成。生物學重要概念的形成應該建立在學生親身體驗、動手操作、深度思考的基礎上。

探究I了解科學家發現DNA分子雙螺旋結構模型的科學史。

①閱讀教材P47-48中科學家建構DNA分子雙螺旋結構模型的故事。②補充其他科學家如查哥夫、鮑林、弗雷澤、薛定諤等科學家對DNA分子結構發現過程的重要作用。教師引導學生了解不同科學家的貢獻，總結出沃森和克里克為何最終能夠構建出DNA分子結構模型的原因，培養學生的科學探究精神及團隊合作意識。

活動I構建DNA分子結構的模型。

①教師播放以DNA結構發現歷程為主線的微視頻。②教師要求學生在白紙上畫出DNA分子結構的平面圖，并小組內展示交流。③學生利用相關教具，以學習小組為單位，合作構建DNA分子結構模型。教師引導學生先制作DNA分子的基本組成單位——脫氧核苷酸，然后啟發學生思考核苷酸和DNA的連接方式。通過什么化學鍵連接？兩條鏈之間又是如何相互連接？小組完成后，教師指導學生雙手上下分別拿好模型，向右旋轉一定角度，構成螺旋的空間結構。教師指導學生觀察雙螺旋結構的外側與內側的組成，使學生形成對概念的直觀感知。

2.2 過程階段

學生通過觀察、分析和比較，歸納抽象出概念所具有的特有性質。

探究Ⅱ觀察、討論不同DNA分子的結構共性及特點：①學生通過閱讀科學史材料及自制的DNA分子結構模型，討論、概括出DNA分子結構的空間結構及堿基排列、配對的特點。

②學生利用自制的DNA模型，分析DNA分子的特異性和多樣性。

③在小組交流基礎上，每組派代表全班交流DNA分子成為遺傳物質的原因以及遺傳物質必須具備的條件。

學生通過討論，明白DNA分子的特性決定了它能夠成為遺傳物質。這種思考、交流、展示有助于學生對DNA分子結構及特點的進一步內化。

2.3 對象階段

學生通過前兩個階段的活動與內化，對DNA分子的結構及特點有了一定的認識，賦予了其形式化的定義，使其能達到精確化，成為一個具體的對象，在后續學習中能以此對象進行新的活動。

活動Ⅱ深度理解DNA分子的結構特點：教師給出關于DNA分子上堿基數量的計算問題，要求學生回答。

通過前面的學習，學生雖然了解了DNA分子中的堿基互補配對原則，但對于堿基數量之間的靈活計算，以及與DNA遺傳信息的傳遞、表達等知識整合到一起時，仍容易混淆。其根本原因是學生對DNA分子空間結構特點的理解不深刻。小組合作學習有助于學生理清堿基之間復雜的計算規則。

2.4 圖式階段

在此階段，學生要建立與其他概念、規則、圖形以及學生頭腦中已有認知的聯系，形成綜合的心理圖式，構建概念體系。

活動Ⅲ理解DNA分子的雙螺旋結構有助于保證遺傳信息的穩定：①教師提供某一具體DNA與RNA所含有的堿基數，引導學生分析出，DNA -般是雙鏈結構，RNA -般是單鏈結構。②學生分析多種生物遺傳物質種類，知道絕大多數生物的遺傳物質是DNA。③學生分析HIV的資料，解釋HIV病毒易變異、RNA的結構不穩定的原因。

探究Ⅲ通過鐮刀型細胞貧血癥發病機理的資料分析，學生通過探究交流了解性狀的改變是因為DNA中遺傳信息改變引起的。

概念教學的最后階段就是抽象提取概念的本質，教師利用資料，引導學生比較將DNA分子與RNA分子的結構，同時為遺傳信息的表達以及變異部分的進一步學習做好鋪墊。這樣才能真正在學生頭腦中形成新的概念圖式。

3 APOS理論對生物核心概念建構的教學啟示

3.1 注重創設情境讓學生參與教學

創設相應情境讓學生參與活動是學生認知概念、建構概念的起點。在學習DNA結構的概念之初，教師展示了北京中關村高科技園區的DNA雕塑圖形、雅典奧運會上“DNA的燈光秀”等場景，激發學生達成共識：DNA分子是現代高科技的標志與象征。學生通過相關科學史的學習，明白DNA結構的發現過程是很多科學家不懈努力、團隊合作的結果，這一切都激發了學生的好奇心。在此基礎上，教師結合模型制作、交流討論等活動才能讓學生深度參與概念的建構。

3.2 善用比較策略讓學生內化概念本質

教師提供多資料，通過不同資料提供的信息引導學生在比較分析中得出科學的推論，有助于培養學生求同、求異思維，有助于學生加深對生物學概念本質的理解和把握。例如，學生比較不同種生物的遺傳物質及不同DNA、RNA等堿基信息，進行推理;通過對DNA結構模型的建構比較，對DNA的空間結構有了清晰而全面的認識和理解。教師利用APOS理論開展生物學概念教學時，善用比較策略，有助于學生在新舊知識、不同知識之間架構聯系，從而在頭腦中形成新的概念圖式。

3.3 加強教師對概念本質及內涵的深刻理解是前提

APOS的4個階段不是截然分開的，每個階段的活動均有所側重：活動階段側重多元表征、體驗感悟;過程階段側重問題驅動、抽象概括;對象階段側重總結提煉、實時辨析;圖式階段側重變式建構、多元聯系。能深刻準確地進行生物學概念教學的前提是教師必須對概念的本質內涵有深刻理解。教師要善于從多層次、多角度將相關的知識內容通過課程資源的形式提供給學生，讓學生通過自主分析、小組討論、大組交流等構建這些知識之間的關聯。教師只是在恰當的時候加以點撥，讓學生在已有知識概念的基礎上完成與新概念的交聯與互化。最終，在遺傳與變異學完后，教師可以以DNA為核心，引導學生構建一張完整的、復雜的概念圖式，學生對遺傳與變異的認識更深刻、全面。

總之，將APOS理論應用于生物學概念教學有助于培養學生的科學思維、科學探究等核心素養，也有助于教師在新課程理念下開展深度學習、提高學生自主學習的意識與能力。