基于建模和論證思維整合的深度教學實踐

謝志華

(福建省三明市第二中學 三明 365000)

1 深度教學概念的提出

隨著《普通高中生物學課程標準(2017年版)》的正式頒布，教師提得最多的問題是：“什么樣的教學方式才是基于核心素養的教學？”要回答這個問題，首先要理解什么是核心素養？核心素養是學科知識教育價值的集中體現，教師不僅要關注學科知識，更要充分挖掘學科知識背后的教育價值，以此為目標，來開展知識教學。不同的學科有不同的知識體系，具有不同的學科教育價值，學生學習，不僅要獲得不同的學科知識，更重要的是獲得相應的學科思維和學科素養。也就是學生在學習該科目后應具備的能力和品格，是學生與沒有學過相關學科知識的本質區別。生物學學科核心素養是學生在生物學課程學習過程中，特別是主動學習過程中逐漸發展起來的，追求的是持久的學習成果和運用能力。只有將學生引向“深度學習”的深度教學，才是基于核心素養的教學。

深度學習(deep learning)概念是美國學者 FerenceMarton和Roger Saljo于1976年首次提出，之后在認知科學和信息技術領域得到研究者的關注。當前學術界對深度學習的界定基本一致，即認為，深度學習是對所學知識進行批判性理解、整合性建構以及創新性遷移的一種學習方式，是一種高階思維為主導的學習方式，有利于培養學習者的高階思維能力和批判創新能力[1]。

而深度教學起源于郭元祥教授自2007年以來開展的教學改革實驗研究項目，主要針對課堂教學中普遍存在的對知識的表層學習、表面學習的局限性，主張通過知識的深度處理，引導學生深度學習。深度教學并非要無限增加知識難度和知識量，而是基于知識的內在結構，通過對知識的完整處理，引導學生從符號學習走向學科思想和意義系統的理解和掌握。它強調為理解而教，為思想而教，為意義而教，為發展而教，使教學過程由知識為中心轉向以學生發展為中心[2]。深度教學要切實體現教學的過程價值，豐富學生的課程履歷和學習過程。深度教學的典型特征包括自主性和思維性，即一定是引導學生主動建構知識，同時特別注重學生科學思維的培養和訓練。

2 模型、建模和論證方法

學習方式總是與知識類型和學習目標相關聯。建構主義認為，學習是學生自己建構知識的過程。學生不是簡單被動地接受信息，而是主動地建構知識的意義。因此，教學應引導學習者從原有的知識經驗中，主動建構新的知識經驗。模型方法是以研究模型來揭示原型的形態、特征和本質的方法，在教學中通過模型建構，可以較多地突破客觀世界對主體思維的限制，培養學生的想象力，從而使抽象思維和形象思維統一。

無論科學家發現知識或建立理論，還是工程師尋找解決問題的最佳答案，都有賴于論證技能。通過培養論證技能，可以讓學生學會如何提出觀點、運用證據支持自己的觀點、評價以及修正觀點，為研究問題構建合理的解釋。論證的基本過程是： 資料或數據構成了主張，必要條件對數據提供支持，經過修正或限定條件使結論得以成立。在論證過程中，學生的思維能力得到提高。

3 建模與論證整合的深度教學實踐

科學史的學習是培養學生的科學探究能力和科學思維品質的良好素材，以“DNA分子的結構”為例，DNA雙螺旋結構的發現是科學界的重要事件，它標志著生命科學研究從宏觀走向微觀，進入了分子水平。沃森和克里克的合作研究也成為科學史上的美談，幾乎是開創了合作研究的先河。但是，不能將這一段科學史當作一個簡單的歷史事件來了解，而是要讓學生當一次科學家，親歷科學家提出問題、做出假設、尋找證據、檢驗假設并得出結論的科學發現過程，親自建構起DNA的雙螺旋結構模型，這就是深度教學。在生物模型的建構過程，要始終以生命觀念為統領，這是核心素養的體現，也是教學的終極目標。首先要引導學生思考： 科學家已經通過實驗證明了DNA是生物的遺傳物質，那么依據結構與功能觀，DNA作為遺傳物質應該具備什么特點才能滿足它作為遺傳物質的功能？(穩定性，多樣性和特異性)模型的建構就圍繞著這三個特點進行。

3.1 基于資料推理判斷，形成主張 模型不是憑空想象出來的，是建立在已有科學資料的基礎上的。而對眾多的資料的選擇，就體現了學生的判斷能力和邏輯推理能力。首先，讓學生畫出脫氧核苷酸的模式圖，并把它們之間的3，5磷酸二酯鍵的聯結畫出來，形成脫氧核苷酸長鏈，這一方面可以對學生原有知識進行檢查和鞏固，另一方面可以為構建DNA立體模型打下基礎。從平面走向立體，這符合思維的進階。

建構DNA的立體模型，重要的依據是英國物理化學家富蘭克林和同事生物物理學家威爾金斯在1951年率先采用X射線衍射技術拍攝到的DNA晶體照片，富蘭克林經過計算分析得出雙股螺旋的結論。基于此，要引導學生思考的問題是： 兩條脫氧核苷酸鏈是如何聯系？應該從什么角度思考？(首先要考慮穩定性)基于此，進一步提出以下幾個問題： ①磷酸排在內側還是外側？通過化學分析，應該排在外側；②內側堿基之間如何聯系？一種假說認為是相同堿基之間配對，即A—A， G—G等，但是從化學角度分析不合理，因為難以形成穩定的氫鍵。科學家查科夫發現的新證據： DNA中堿基A的數目總和堿基T的數目相等，而堿基G的數目總是和堿基C的數目相等使問題豁然開朗，并提出了新的假說，即A—T， G—C，而按照這種配對方式分析，兩種堿基對之間可以形成穩定的氫鍵聯系，并且兩種堿基對具有相同的形狀和直徑，這樣組成的DNA分子具有穩定的直徑，既能夠解釋A、 T、 G、 C的數量關系，也能解釋DNA的復制。因此可以確定，這才是兩條鏈之間實際的聯結方式。

在形成主張的過程中，化學知識的支持是必不可少的，學生深刻地領會到自然科學是和諧的，自然界事物的存在都必須符合自然規律。

3.2 基于主張模擬論證，批判修正 通過資料及科學分析，學生對DNA的結構有了初步認識，提出主張： DNA是由兩條脫氧核苷酸鏈構成，兩條鏈按堿互補配對原則形成氫鍵相聯系。基于此，讓學生嘗試畫出DNA雙鏈配對的平面結構圖。此時會發現，學生畫的圖幾乎都是對稱的兩條鏈(圖1)，如何讓學生發現錯誤并且修正這個錯誤？老師直接糾正當然是最簡單的方法，但是學生無法理解，只能是記憶。可以通過一個學生活動來實現對這個誤區的修正： 請10位學生模擬脫氧核苷： 左手曲肘舉起代表第5位C原子連著磷酸，右手平伸代表示第一位C原子連著含氮堿基，身體是脫氧核糖；5人一組，前后連接排成兩列，代表兩條脫氧核苷酸鏈，讓兩列的學生牽手形成堿基對。此時學生發現了他們畫的圖中的錯誤，認識到兩列學生的方向必須相反，才能牽手。這樣，學生立刻理解了兩條鏈的反向平行關系： 因為每個脫氧核苷酸的空間結構和連接方式是固定的，決定了兩條鏈只有反向平行，才可以形成配對關系。由此修正了錯誤，建構起正確的模型。這里學生的活動，就相當于是一個模擬論證的過程，在論證的過程中，學生發現了問題，還要修正，并且為修正尋找科學的支持的理由，就是脫氧核苷酸的空間結構和聯結方式，這從化學的角度更好理解。這樣，學生明白模型的建立是一個不斷建立—修正—再建立的過程，即便是今天我們認為是正確的模型，也有可能在將來某一天，被發現有錯誤或不足，那么就要再進行修正，科學本身就是一個不斷修正、不斷進步的過程。

圖1 學生畫出的有錯誤的DNA平面結構

3.3 驗證模型，歸納總結，形成結論 當一個模型建立起來，它是不是真正的能揭示原型的形態、特征和本質，是需要驗證的。沃森和克里克按照提出的模型特點，用金屬材料制作成模型與拍攝的X射線衍射照片比較，發現兩者完全相符，這也就驗證了他們所提出的DNA模型的正確性。1953年，他們共同提出了DNA分子的雙螺旋結構模型，并且為一個DNA分子如何復制成兩個結構相同DNA分子以及DNA怎樣傳遞生物體的遺傳信息提供了合理的說明。這被認為是生物科學史中具有革命性的發現，是20世紀最重要的科學成就之一，生命科學從此進入到分子水平。而這么偉大的發現，學生也進行了非常成功的嘗試，這極大地鼓舞了學生學習的熱情。接著，請學生嘗試根據前面的探究過程，總結DNA結構模型，這是一個培養歸納總結提升思維的絕好機會，是思維從感性上升到理性的重要環節。作為教師，要明確科學思維和科學探究互為倚重，科學思維是科學探究的重要內涵，科學探究是科學思維的實證過程[3]。

3.4 體驗模型，深度思考，分析應用 建構模型，不僅僅為了明白是什么，更重要的是要明白為什么、怎么用？因此，當學生從理論上建立起遺傳物質DNA的結構模型，就要引導學生去深度思考： 為什么這樣的結構能作為遺傳物質？能行使遺傳功能？自然界生物多種多樣，而每一種生物都有自己的特性，根本原因是遺傳物質的多樣性和特異性，那么，DNA的結構如何體現多樣性和特異性？

傳統的方法是老師分析，學生理解記憶，但感受不深，且思維平面化。只有讓學生真正參與真實情境的思維過程，才能深刻地理解知識，真正建構起知識的寶塔。因此，創設一個探究活動情境，提供材料，讓每兩位學生參與建構一個含10對堿基的DNA立體模型。在建模的過程中，要引導學生思考： 每接一對脫氧核苷酸，就涉及到堿基種類。這種引導使學生很容易體會到，每一個堿基位點，有四種選擇機會，因此，全班每個小組拼的DNA模型雖然都是規則的雙螺旋結構，但是每個人拼的DNA的堿基順序都是獨特的，具有特異性；不同人拼的DNA在堿基排列順序上是不同的，這就是DNA的多樣性。在拼的過程中，學生會發現當一條鏈的堿基確定時，按照堿基互補配對原則，互補鏈的堿基也就確定了。因此，堿基的排列順序只需要考慮DNA中一條鏈的堿基數量，如果有10對，可能就有410種排列順序，而如果堿基對數目更多，則排序種類就更多，則推出排列順序可能有4n種。這樣的活動，不是簡單的動手游戲，而是培養學生自主學習和思維能力、在動手的過程中并學會從數學的角度分析模型的方法的過程。這樣的活動可以培養學生分析、推理、評估、解釋等認知技能，真正理解遺傳物質DNA的特點和功能。

4 反思

在教學中，要讓學生真正理解概念，就要讓學生走進知識的形成過程，深度思考，深度學習，讓師生成為學習的共同體，共同建構知識的意義。在教學中，引導學生開展建模活動，是開展深度教學的有效實踐。在建模過程中，引導學生應用論證的思維，嘗試假說演繹、依據資料提出主張，尋找證據對主張開展論證，支持或推翻，不斷建立、修正，最終建構出合理模型。通過建模活動，不僅培養學生的建模方法和建模思維，學會用模型解釋問題，同時還讓學生體驗了科學家的研究歷程，學習科學家善于捕獲和分析信息的能力、科學思維的方法、嚴謹的思維品質及持之以恒的科研精神，理解合作、交流的重要性。