基于模型建構(gòu)的進(jìn)階式概念教學(xué)研究

［摘 要］在“基因突變”一課的教學(xué)中，首先，通過不斷建構(gòu)物理模型，使基因突變的概念變得具體，從而深化學(xué)生對概念的理解；其次，運(yùn)用創(chuàng)新的概念建模方法，對基因突變進(jìn)行抽象化處理，從而提升學(xué)生的思維水平；最后，借助模型解析實(shí)際現(xiàn)象，將基因突變的知識融入日常生活，從而引發(fā)學(xué)生的情感共鳴。開展基于模型建構(gòu)的進(jìn)階式概念教學(xué)，有助于學(xué)生挖掘宏觀現(xiàn)象背后的微觀本質(zhì)，逐步掌握知識，進(jìn)而達(dá)到深度學(xué)習(xí)的目的。

［關(guān)鍵詞］模型建構(gòu)；進(jìn)階式；概念教學(xué)；基因突變

［中圖分類號］" " G633.91" " " " " " " " ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］" " A" " " " " " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）32-0084-04

模型建構(gòu)是一種以建構(gòu)模型為策略的教學(xué)方法，它涵蓋了建構(gòu)、運(yùn)用、評價及改進(jìn)等環(huán)節(jié)[1]。模型的特點(diǎn)是直觀、形象，這些特點(diǎn)使得學(xué)生能夠利用模型來理解復(fù)雜的概念，并挖掘宏觀現(xiàn)象背后的微觀本質(zhì)。利用模型進(jìn)行教學(xué)，可以幫助學(xué)生建構(gòu)概念，深入理解生物學(xué)概念。模型建構(gòu)不僅是一種易于學(xué)生學(xué)習(xí)和理解概念的重要學(xué)習(xí)方法，還是一種學(xué)生認(rèn)識世界的思維方式。

“內(nèi)容聚焦大概念”是《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》明確提出的需要高中生物學(xué)課程教學(xué)遵循的基本理念。而在基于模型建構(gòu)的進(jìn)階式概念教學(xué)中，教師需圍繞學(xué)生的思維成長路徑，設(shè)計并實(shí)施一系列恰當(dāng)?shù)哪Ｐ徒?gòu)實(shí)踐活動，引導(dǎo)學(xué)生分析各知識點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系，鼓勵他們深度思考核心概念的邏輯推理過程，從而激發(fā)他們的學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)造性。同時，通過概念進(jìn)階和思維進(jìn)階，幫助學(xué)生建構(gòu)科學(xué)的生物學(xué)概念體系。

一、課標(biāo)與教材分析

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中與本節(jié)課相對應(yīng)的內(nèi)容要求是“概述堿基的替換、插入或缺失會引發(fā)基因中堿基序列的改變；闡明基因中堿基序列的改變有可能導(dǎo)致它所編碼的蛋白質(zhì)及相應(yīng)的細(xì)胞功能發(fā)生變化，甚至帶來致命的后果；描述細(xì)胞在某些化學(xué)物質(zhì)、射線以及病毒的作用下，基因突變概率可能提高，而某些基因突變能導(dǎo)致細(xì)胞分裂失控，甚至發(fā)生癌變”[2]。這3個次位概念對建構(gòu)大概念“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”具有重要作用。

遺傳與變異是生物的基本特征之一。“基因突變”是高中生物學(xué)必修2《遺傳與進(jìn)化》第5章第1節(jié)中的內(nèi)容，該內(nèi)容既是對中心法則的鞏固提升，又是對遺傳物質(zhì)與性狀關(guān)系的進(jìn)一步認(rèn)識。它為后續(xù)學(xué)習(xí)生物進(jìn)化和建構(gòu)大概念“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。教材通過探究鐮狀細(xì)胞貧血的病因，幫助學(xué)生歸納基因突變的概念和結(jié)果，這有助于學(xué)生形成結(jié)構(gòu)與功能觀。同時，通過建模、小組討論等活動，訓(xùn)練學(xué)生的歸納與概括、演繹與推理和批判性思維能力。此外，以癌癥為例，可以引導(dǎo)學(xué)生辯證地分析基因突變的意義，并養(yǎng)成遠(yuǎn)離致癌因子的健康生活習(xí)慣，從而實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

二、學(xué)情分析與教學(xué)目標(biāo)的確立

本節(jié)課的授課對象是高一年級的學(xué)生。在知識層面，學(xué)生已掌握基因的遺傳規(guī)律、本質(zhì)以及表達(dá)等內(nèi)容，但對基因突變的本質(zhì)及其與性狀的關(guān)系認(rèn)識還不夠深入。在能力層面，學(xué)生具備一定的歸納與概括、邏輯與推理的能力，但仍需對知識遷移、模型與建模、批判性思維等方法進(jìn)行深入學(xué)習(xí)和提升，以增強(qiáng)思維的嚴(yán)謹(jǐn)性和連貫性。在觀念層面，學(xué)生對貧血、癌癥等疾病已有一定的感性認(rèn)識，但仍需從科學(xué)知識和科學(xué)思維的角度去深入理解這些疾病的致病機(jī)理，從而學(xué)會如何科學(xué)地預(yù)防癌癥，并養(yǎng)成健康生活習(xí)慣。基于以上分析，本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)設(shè)定為：（1）通過分析多種真實(shí)情境下的疾病形成過程或病因，建構(gòu)基因突變的概念，形成結(jié)構(gòu)與功能觀；（2）通過分析生活情境，歸納出誘發(fā)基因突變的因素，養(yǎng)成遠(yuǎn)離致癌因子的健康生活習(xí)慣，弘揚(yáng)健康理念。

三、教學(xué)過程

（一）概念進(jìn)階

對概念的學(xué)習(xí)并非簡單的記憶和復(fù)述，而是基于理解的綜合運(yùn)用。在逐步深入的概念教學(xué)過程中，教師不能僅對概念的含義與外延進(jìn)行字面上的解釋，而是需要在大多數(shù)學(xué)生完成了對概念的初步解讀之后，進(jìn)一步引導(dǎo)他們進(jìn)行深入的理解。在課堂上，教師利用情境或例子為學(xué)生搭建建模框架，使他們能夠展開辨別、評判等一系列的科學(xué)思考。這樣，學(xué)生既能切實(shí)地理解概念的基本性質(zhì)，又能把它同其他相關(guān)的概念區(qū)分開來。例如，在講授“基因突變”一課時，教師通過建構(gòu)模型、修正模型、細(xì)化模型等過程將抽象的概念具象化，幫助學(xué)生更好地理解和掌握。

1.建構(gòu)模型，初探概念實(shí)質(zhì)

教師展示鐮狀細(xì)胞貧血的相關(guān)資料。

[資料1]1910年，赫里克醫(yī)生遇到了一位特別的黑人貧血病人，常規(guī)的治療方法對他無效。在顯微鏡檢查中，赫里克醫(yī)生發(fā)現(xiàn)他的紅細(xì)胞呈非典型的鐮刀形狀，將該病癥命名為鐮狀細(xì)胞貧血。

[資料2]1949年，美國的鮑林博士首次提出，這種病癥可能源于紅細(xì)胞內(nèi)的血紅蛋白結(jié)構(gòu)異常，這種異常導(dǎo)致了細(xì)胞形態(tài)的改變。

[資料3]1956年，英國的英格拉姆研究員找到了問題的關(guān)鍵，即鐮狀細(xì)胞貧血患者血紅蛋白的肽鏈中有一個谷氨酸被纈氨酸所替代，這是疾病發(fā)生的分子基礎(chǔ)。

教師設(shè)疑：血紅蛋白肽鏈上的谷氨酸被纈氨酸替代的根本原因是什么？在問題的驅(qū)動下，學(xué)生遷移運(yùn)用中心法則、密碼子表等知識，在對比中發(fā)現(xiàn)了鐮狀細(xì)胞貧血形成的原因（如圖1）。隨后，教師利用卡紙教具在黑板上展示并解釋鐮狀細(xì)胞貧血發(fā)病機(jī)理的物理模型，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行評價和補(bǔ)充，從而形成“性狀—蛋白質(zhì)—基因”的概念模型。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生探討基因突變的原因，并初步揭示基因突變的實(shí)質(zhì)：DNA分子中發(fā)生堿基的替換、增添或缺失，由此引起的基因堿基序列的改變。

設(shè)計意圖：在初探階段，激發(fā)學(xué)生參與積極性，引發(fā)他們熱烈討論，幫助他們深入理解疾病發(fā)生的原因。通過逐步推理引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)“個體病征→紅細(xì)胞形態(tài)變化→血紅蛋白結(jié)構(gòu)問題→基因表達(dá)調(diào)控→基因變異”因果鏈。這一過程旨在引導(dǎo)學(xué)生從表象深入探索事物的本質(zhì)，進(jìn)而揭示基因突變的實(shí)質(zhì)。

2.修正模型，明確概念要點(diǎn)

教師展示囊性纖維化和皺粒豌豆相關(guān)資料。

[資料4]在大約70%的囊性纖維化患者中，編碼CFTR蛋白的基因缺失了3個堿基，導(dǎo)致CFTR蛋白在第508位缺少苯丙氨酸，其空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使CFTR轉(zhuǎn)運(yùn)氯離子的功能出現(xiàn)異常，導(dǎo)致患者支氣管中黏液增多，管腔受阻，細(xì)菌在肺部大量生長繁殖，最終使肺功能嚴(yán)重受損。

[資料5]皺粒豌豆的遺傳特性揭示了另一種遺傳現(xiàn)象，即皺粒豌豆的DNA中插入了一段外來DNA序列，打亂了編碼淀粉分支酶的基因，導(dǎo)致淀粉分支酶出現(xiàn)異常，活性大大降低，進(jìn)而使細(xì)胞內(nèi)淀粉含量降低。當(dāng)豌豆成熟時，淀粉含量低的豌豆由于失水而皺縮。

教師設(shè)疑：DNA分子上堿基的改變一定會導(dǎo)致基因突變嗎？堿基還可能發(fā)生怎樣的改變？這些變化實(shí)質(zhì)上改變了什么？通過問題的探討可以發(fā)現(xiàn)，基因突變核心概念的理解主要涉及以下幾個方面：（1）突變的主體。通過學(xué)習(xí)資料，學(xué)生理解了基因突變源于一個或多個堿基的改變。（2）突變發(fā)生的區(qū)域。借助“DNA=基因區(qū)+非基因區(qū)”的圖解，學(xué)生可清晰區(qū)分DNA與基因的不同。（3）突變的類型。通過合作思考，學(xué)生共同歸納出堿基變化的三種形式：替換、增添和缺失。（4）突變的后果。可通過提出一系列問題來引導(dǎo)學(xué)生了解基因突變的后果。如：基因突變后，其遺傳信息是否發(fā)生改變？突變基因與原始基因有何關(guān)聯(lián)？基因突變會改變基因的數(shù)量或排列順序嗎？最后，引導(dǎo)學(xué)生綜合這四點(diǎn)來建構(gòu)基因突變的基本概念框架。

設(shè)計意圖：教學(xué)過程中的概念理解并非僅限于理論知識，更是思維發(fā)展的基石和建構(gòu)認(rèn)知框架的基本元素[3]。通過引導(dǎo)學(xué)生深入探究和分析相關(guān)資料，設(shè)計一系列問題，使學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)以致用，培養(yǎng)批判性思維和推理能力。在這個過程中，教師需要激發(fā)學(xué)生參與積極性，使學(xué)生在解決問題和應(yīng)用知識的過程中逐步建構(gòu)起概念的核心框架，從而深化對學(xué)科本質(zhì)的理解。

3.細(xì)化模型，理解概念內(nèi)涵

基因突變的概念較抽象，不易直觀理解，教師可以借助具體的物理模型開展教學(xué)。通過讓學(xué)生動手建構(gòu)、變換、觀察和總結(jié)模型，能使其更好地領(lǐng)會基因突變所帶來的影響，從而深入理解這一概念的內(nèi)涵。

教師可以呈現(xiàn)正常血紅蛋白基因的部分反義鏈核苷酸序列-GTTCATCTAACG-，并引導(dǎo)學(xué)生思考：（1）如果第3個位置的核苷酸T被C替換，序列會變成什么樣子？對應(yīng)的氨基酸序列會有何變化？（2）基因序列中的微妙變化，如單個核苷酸的缺失或插入，其實(shí)際效應(yīng)往往不易察覺。這樣的變化對編碼的肽鏈有何影響？

學(xué)生通過建構(gòu)基因表達(dá)物理模型（如圖2），分析結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，演繹推理出基因突變對合成肽鏈的影響，再通過歸納概括，闡明基因突變對生物性狀的影響，從而進(jìn)一步理解概念的內(nèi)涵。

設(shè)計意圖：通過理論模擬與實(shí)踐驗證，學(xué)生逐漸揭示基因突變?nèi)绾瓮ㄟ^基因表達(dá)影響蛋白質(zhì)合成進(jìn)而影響性狀表現(xiàn)的奧秘。這個過程可促使學(xué)生的思維層次逐漸提升，將直觀感受與抽象理論對接起來，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)槔硇缘睦斫狻?/p>

（二）思維能力進(jìn)階

教學(xué)的核心并非單純的知識傳遞，而是思維能力的培養(yǎng)。當(dāng)學(xué)生對概念有了深刻理解后，他們需要建構(gòu)一個全面的知識架構(gòu)，包括建構(gòu)概念模型。概念模型的建構(gòu)并無固定標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生應(yīng)根據(jù)自身能力逐步提升建構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。然而，建構(gòu)概念模型并非易事，可能會涉及眾多難以梳理的概念，需要精確把握概念間的相互關(guān)系。教師可通過提供概念框架來幫助學(xué)生自主建構(gòu)概念，從而幫助他們建構(gòu)思維的“高速公路”。

在“基因突變”一課中，教師引導(dǎo)學(xué)生利用自己建構(gòu)的模型，提煉關(guān)鍵概念（如圖3），并運(yùn)用這些概念搭建思維框架，有效地提升了學(xué)生的歸納與概括能力，為他們建立有效的思維模型奠定了基礎(chǔ)。此外，教師還引導(dǎo)學(xué)生用自己的語言表述基因突變的概念及本質(zhì)，進(jìn)一步理解基因突變概念的內(nèi)涵。

設(shè)計意圖：教師先引導(dǎo)學(xué)生分析物理模型，再借助概念模型幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)概念知識的結(jié)構(gòu)化，深入挖掘基因突變的本質(zhì)，這有利于學(xué)生對概念的深入理解。在生物學(xué)課堂中，概念教學(xué)占據(jù)著核心地位，它啟迪學(xué)生借助普遍原理和現(xiàn)有數(shù)據(jù)初建學(xué)科的關(guān)鍵概念。在這個過程中，學(xué)生的既有觀念會逐步被解構(gòu)、調(diào)整，從而促進(jìn)他們理解科學(xué)概念，并牢固掌握這些概念。

（三）情感進(jìn)階

盡管生物學(xué)以理性探究為主，但情感元素在其內(nèi)涵中不可或缺。教育的根本目標(biāo)是培養(yǎng)人的品德和能力，尤其注重引發(fā)學(xué)生的情感共鳴，深化他們對社會責(zé)任的理解。核心素養(yǎng)的形成并非單純依賴?yán)碚摴噍敚切枰谡鎸?shí)情境中應(yīng)對挑戰(zhàn)，解決實(shí)際問題，實(shí)現(xiàn)自我成長。

在“基因突變”一課中，教師呈現(xiàn)如下數(shù)據(jù)：我國結(jié)腸癌2015年新發(fā)病例達(dá)38.76萬，為惡性腫瘤發(fā)病率排名前三位之一[4]。以此引起學(xué)生的關(guān)注后，提出探究問題：結(jié)腸癌發(fā)生的原因是什么？接著，呈現(xiàn)結(jié)腸癌發(fā)生的簡化模型，引導(dǎo)學(xué)生觀察圖片，描述癌細(xì)胞與正常細(xì)胞相比的顯著特點(diǎn)。設(shè)置任務(wù)：參考鐮狀細(xì)胞貧血的模型，嘗試畫出結(jié)腸癌發(fā)生的流程圖并解釋原因。讓學(xué)生思考以下問題：（1）健康人體內(nèi)是否都存在原癌基因和抑癌基因？（2）這些基因與癌基因的產(chǎn)生及癌細(xì)胞的形成有什么關(guān)系？（3）細(xì)胞癌變的實(shí)質(zhì)是什么？

設(shè)計意圖：以結(jié)腸癌高發(fā)的數(shù)據(jù)引發(fā)學(xué)生思考，并關(guān)注健康生活；引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)知識解決新情境問題，能夠充分展示學(xué)生對科學(xué)概念的理解、技能的掌握及方法的運(yùn)用情況，有效培養(yǎng)學(xué)生的知識遷移能力和解決實(shí)際問題的能力；引導(dǎo)學(xué)生采用生物學(xué)專業(yè)術(shù)語解釋新的類似情境或問題，可強(qiáng)化學(xué)生的邏輯推理和模型建構(gòu)的科學(xué)思維，并強(qiáng)化學(xué)生思維的嚴(yán)謹(jǐn)性和連貫性。

四、教學(xué)反思

在生物學(xué)課程中，筆者采取了建構(gòu)主義理論的創(chuàng)新方法來推動概念教學(xué)的進(jìn)階。基因突變的概念往往難以直觀理解，因此在本節(jié)課中，筆者巧妙地運(yùn)用“模型”作為橋梁。首先，將抽象的基因突變理論轉(zhuǎn)化為直觀的模型；接著，通過逐步解析這些具象的模型，引導(dǎo)學(xué)生逐步提煉出基因突變的核心概念。這樣做的目的不僅在于強(qiáng)化學(xué)生的科學(xué)邏輯思維，還在于培養(yǎng)他們的生命觀念。筆者建構(gòu)了以關(guān)鍵概念為中心的模型，并引導(dǎo)學(xué)生圍繞這些模型經(jīng)歷了一系列深入的學(xué)習(xí)體驗。教學(xué)過程從概念的建構(gòu)到概念的實(shí)踐應(yīng)用，逐步遞進(jìn)，促進(jìn)了學(xué)生對概念的精確理解，同時幫助他們掌握了運(yùn)用這些概念解決日常實(shí)際問題的技巧。這堂課既是對新課程改革的積極響應(yīng)，又是增強(qiáng)學(xué)生科學(xué)思維能力的一次成功的教學(xué)嘗試。

［" "參" "考" "文" "獻(xiàn)" "］

[1]" 吳成軍.生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)與評價[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，2020.

[2]" 劉恩山，曹保義.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)解讀叢書：普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2018.

[3]" 中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版2020年修訂[M].北京：人民教育出版社，2020.

[4]" 鄭榮壽，孫可欣，張思維，等. 2015年中國惡性腫瘤流行情況分析[J].中華腫瘤雜志，2019，41（1）：19-28.