基于學習進階理論 建構(gòu)生物學概念

鄒宇堂

摘要依據(jù)課程標準，確定學習進階的起點與終點，根據(jù)生物學事實邏輯聯(lián)系設計合理的進階梯度并搭配適合跨層級的教學方法，建構(gòu)次位概念，為落實生物學核心素養(yǎng)教學做出嘗試。

關(guān)鍵詞 學習進階 生物學概念 DNA的結(jié)構(gòu)

中圖分類號G633. 91文獻標志碼B

1問題提出

2004年，學習進階首次出現(xiàn)在美國研究理事會的研究報告中，其代指學生在各學段學習同一類概念時所經(jīng)歷的連貫的、典型的學習路徑，呈現(xiàn)為與某一核心概念相關(guān)的從簡單到復雜的概念序列。美國于2011年頒布基于學習進階理論的《K12-科學教育框架：核心概念、共同概念及實踐》。我國近些年頒布的小學科學、初中生物學、高中生物學課程標準同樣參照學習進階成果，實現(xiàn)小學1年級到高中12年級生物學課程內(nèi)容上的連貫性。

學習進階大致包括進階的起點和終點、進階梯度及預期表現(xiàn)、測評工具等。構(gòu)建學習進階的途徑方法之一是，基于教材和課程標準，通過實踐總結(jié)歸納各階段學生應掌握的知識程度。探究以學習進階理論建構(gòu)生物學概念，教師在教學設計初始，應考慮學生的學習起點，如以初中生物學課程標準相關(guān)要求或近期習得的學習水平作為學習起點，以高中生物學課程標準要求作為學習終點，進而研究課標次位概念下屬的生物學事實的學習進階梯度劃分，嘗試設計跨越不同層級的教學路徑，選擇適合學生認知發(fā)展規(guī)律的教學方法。下面以人教版高中生物《必修2·遺傳與進化》中“DNA的結(jié)構(gòu)”一節(jié)為例，嘗試以學習進階方式建構(gòu)生物學概念，引導學生進入深層次學習。

2學習進階梯度的構(gòu)建

查閱我國最新頒布的小學科學、初中生物學、高中生物學課程標準，除小學科學課程標準未針對細胞分子層面的DNA知識做出要求，其余均有提及DNA相關(guān)知識。根據(jù)《義務教育初中生物學課程標準（2011年版）》（簡稱初中課標），將DNA相關(guān)概念、教學內(nèi)容整理為表1。

根據(jù)《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（簡稱高中課標），將DNA相關(guān)概念整理為表2。

結(jié)合初中課標相關(guān)要求可知，初中學生對基因、DNA和染色體關(guān)系、DNA中蘊含遺傳信息等知識有初步了解。初中課標及教材尚未對DNA的分子結(jié)構(gòu)做出要求，對DNA功能有要求。相比之下，高中課標對DNA相關(guān)知識的要求從簡單了解層面，上升到微觀分子層面。學生需認識DNA結(jié)構(gòu)并掌握與之相關(guān)的復雜功能，直到總結(jié)抽象規(guī)律并應用于多種條件計算，其間存在一定的難度跨越。

學生在必修1中已學過核酸，對DNA分子的基本單位有了解，但可能仍對某些知識存在錯誤概念。根據(jù)學生近期的認知水平和課標要求，教師可細化教學目標為：通過科學史分析和模型建構(gòu)，認識DNA分子的立體雙螺旋結(jié)構(gòu)和構(gòu)建原理;運用結(jié)構(gòu)決定功能的生命觀念，解釋DNA攜帶遺傳信息的內(nèi)涵;通過推理分析總結(jié)數(shù)學公式，并應用解決多種情境計算，培養(yǎng)科學思維和信息獲取能力。

對表2中次位概念進行拆解、分析，得到支撐概念的生物學事實。通過知識結(jié)構(gòu)和以往教學經(jīng)驗分析，發(fā)現(xiàn)學生掌握生物學事實過程存在階梯式遞進關(guān)系。例如，DNA分子的基本組成單位為四種脫氧核苷酸，是本節(jié)學習DNA分子結(jié)構(gòu)的基礎，學生在必修1的學習中已經(jīng)涉及，屬于已有知識。學生可根據(jù)生物學事實和科學史做出相應推理得到“四種脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵連接而成長鏈”。關(guān)于“DNA分子由兩條鏈組成，兩鏈反向平行，構(gòu)成雙螺旋結(jié)構(gòu)”“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的構(gòu)建原理”，學生需根據(jù)實驗數(shù)據(jù)推理分析和深度思考。關(guān)于遺傳信息的排列順序和關(guān)于堿基對的計算，學生需總結(jié)遺傳信息背后蘊含的抽象數(shù)學規(guī)律。由此可見，學習過程難度遞增，似爬坡進階，跨每階需要的方法和力度均有不同。教師可以此劃分次位概念的學習進階梯度及描述，幫助學生建構(gòu)次位概念，進而達成重要概念的學習。依據(jù)以上分析，制定本節(jié)學習進階的學習起點和終點、進階梯度和預期表現(xiàn)，如圖1所示。

3學習進階路徑設計

3.1搭建物理模型，直觀化解疑難

通過必修1的學習，學生對DNA分子的認知水平停留在基本組成單位——脫氧核苷酸層面，內(nèi)容包括組成脫氧核苷酸的堿基、脫氧核糖、磷酸的種類及三者的相對連接位置。從0層次到1、2層次跨越教學中，學生對于單體中三種分子的相對位置、脫氧核糖與核糖的差異、磷酸二酯鍵所在的位置易存在錯誤概念。為解決可能存于學生頭腦的錯誤概念，教師可通過搭建物理模型的方式，拼接核苷酸及搭建核苷酸長鏈，將微觀事物直觀化，幫助學生掌握正確概念。

0-1層次進階：教師提供萊文等科學家對DNA基本單位的研究資料，讓學生對科學家的研究有初步認識。在此階段，教師采用圖形演示法教學，選擇貼近化學分子形狀的堿基、脫氧核糖、磷酸樣式，給學生辨認。學生動手搭建基本單位，將堿基、脫氧核糖、磷酸擺放在正確的相對位置上。在搭建模型基礎上，教師引導學生總結(jié)DNA的基本單位為四種脫氧核苷酸。

1-2層次進階：教師展示亞歷山大·托德猜想核苷酸通過磷酸二酯鍵連接成鏈的科學史，讓學生動手構(gòu)建DNA單體連接成長鏈的模型，并準確辨認磷酸二酯鍵存在的部位。教師引導學生形成對DNA平面結(jié)構(gòu)及核苷酸連接方式的正確認識。

3.2挖掘科學史，進入深層次學習

DNA分子立體結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)歷程反映了科學家對DNA概念的建構(gòu)過程，是優(yōu)質(zhì)的教學素材。教師要在尊重史實的基礎上，充分挖掘材料，設置問題，引導學生開展深層次的思考，搭建支架，幫助學生邁入3層次，使學生最終理解DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的構(gòu)建原理，明白科學知識得來的過程。因此，教師需補充一些科學史用于教學：①富蘭克林、克里克等對搭建分子模型用于科學研究的不同看法;②富蘭克林發(fā)現(xiàn)的B型DNA衍射圖;③鮑林構(gòu)建的α-螺旋模型;④沃森和克里克初次搭建的三螺旋模型;⑤富蘭克林關(guān)于糖-磷酸骨架位置的實驗證據(jù);⑥格蘭德和喬丹關(guān)于堿基間氫鍵的研究;⑦克里克在比劃分子模型的無意發(fā)現(xiàn)。

2-3層次進階：結(jié)合教材和額外補充的科學史資料，教師設計系列問題，引導學生思考、梳理整個研究歷程的幾個關(guān)鍵問題：DNA分子結(jié)構(gòu)由幾條鏈組成？每條鏈間如何連接？堿基安置在DNA分子內(nèi)部，還是外部？堿基對是同類配對或異類配對，原因是什么？DNA雙螺旋的發(fā)現(xiàn)歷程科學史材料呈現(xiàn)順序與問題設置為：

①問題：DNA分子的形狀是怎樣的？DNA分子由幾條鏈組成？科學史：富蘭克林和威爾金斯提供A型、B型DNA分子X射線衍射圖譜;科學家根據(jù)圖譜對DNA鏈數(shù)、直徑和含水量的測定。

②問題：每條鏈之間如何連接？堿基排列在內(nèi)，還是在外？科學史：鮑林構(gòu)建的α-螺旋模型;沃森、克里克初次搭建的三螺旋模型;富蘭克林關(guān)于糖-磷酸骨架位置的證據(jù)。

③問題：兩條鏈螺旋內(nèi)部的堿基是如何排列的？如果相同的堿基配對，組成的雙鏈直徑有何特點？科學史：科學家對堿基配對方式的討論;格蘭德和喬丹關(guān)于堿基間氫鍵的研究;克里克在比劃分子模型的無意發(fā)現(xiàn);生物化學家查哥夫發(fā)現(xiàn)的規(guī)律

④問題：克里克、沃森發(fā)現(xiàn)DNA分子結(jié)構(gòu)的原因及借鑒價值。

隨著問題解決的推進，教師帶領(lǐng)學生逐步構(gòu)建平面雙螺旋結(jié)構(gòu)。接著，旋轉(zhuǎn)呈現(xiàn)立體雙螺旋結(jié)構(gòu)，并讓學生上臺展示、描述DNA分子結(jié)構(gòu)立體模型，加深學生的直觀感受。在學生理解科學家想法的基礎上，教師帶領(lǐng)學生歸納DNA分子空間結(jié)構(gòu)特點和模型構(gòu)建原理。

3.3總結(jié)題型突破，訓練科學思維

此階段要求學生將DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中蘊含的遺傳信息以數(shù)學形式表達，并掌握衍生公式的推導及應用，對其抽象拓展能力要求較高。教師可采用圖像演示、題型總結(jié)等方法助力學生跨越這一層級。

3-4層次進階：教師引導學生依據(jù)查戈夫定律，總結(jié)雙鏈DNA分子中嘧啶與嘌呤數(shù)量的規(guī)律，并嘗試推導互補堿基、非互補堿基之和的比例在單鏈DNA、雙鏈DNA中的規(guī)律。教師在黑板進行DNA平面圖像建模，幫助學生理清題中堿基數(shù)量關(guān)系，解決數(shù)學問題。

教師帶領(lǐng)學生進行題型總結(jié)，歸納解題方法：

（1）理清題目所給條件和目標所求對象，歸納常見類型：①依據(jù)雙鏈堿基含量計算雙鏈堿基含量;②依據(jù)雙鏈堿基含量計算單鏈堿基含量;③依據(jù)單鏈堿基含量計算雙鏈堿基含量。

（2）根據(jù)題目條件建模。

（3）運用互補堿基、非互補堿基之和的比例規(guī)律等，找到已知條件與所求對象間的數(shù)量關(guān)系。

學生在熟練應用并掌握的情況下，歸納遺傳信息蘊含堿基排列順序之中的概念，總結(jié)堿基互補配對抽象概括的公式。課堂小結(jié)時，教師帶領(lǐng)學生回顧本節(jié)課內(nèi)容，點明其中的學習進階層次，歸納升華總結(jié)“概述DNA分子是由四種脫氧核苷酸構(gòu)成，通常由兩條堿基互補配對的反向平行長鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，堿基的排列順序編碼了遺傳信息”次位概念。

4課后評價

教師可采用選擇題和非選擇題組合的形式，考查涵蓋表2中所有的生物學事實，測量學生在各個進階梯度的完成度。教師借助規(guī)范的針對性評價測試，能診斷學生學后所屬的學習進階層次，從而進行教學反饋，高效輔助教學。

5教學反思

近年興起圍繞大概念的單元教學研究，其問題之一指向大概念如何具體落實到教學中。正如高中課標提及大概念、重要概念教學落地應以生物學事實作為支撐。教師通過對事實的抽象和概括，幫助學生建立生物學概念，建構(gòu)合理的知識框架。學習進階梯度的劃分考慮了學科知識和學生認知發(fā)展水平，將范圍較大、要求較高的概念劃分成不同的等級，制定了進階水平。教師將課程標準的要求細分為教師可操作、學生可實踐的共同目標，為有條理、有計劃落實概念教學做出了嘗試。

本節(jié)教學實踐借助科學史教學，讓學生了解科學知識背后的科學原理和科學故事，培養(yǎng)學生的研究思維和社會責任素養(yǎng)。學生通過模型建構(gòu)，培養(yǎng)科學思維和動手操作能力。