基于APOS理論建構(gòu)生物學(xué)概念的教學(xué)設(shè)計

［摘 要］文章以“DNA的結(jié)構(gòu)”教學(xué)為例，闡述了如何設(shè)計基于APOS理論的概念教學(xué)過程。在此過程中，學(xué)生通過活動或操作階段、過程階段、對象階段和圖式階段，實現(xiàn)對概念的理解與同化，最終將其納入已有的概念圖式中。

［關(guān)鍵詞］APOS理論；DNA的結(jié)構(gòu)；概念建構(gòu)

［中圖分類號］" " G633.91" " " " " " " " ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］" " A" " " " " " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2025）02-0086-04

概念建構(gòu)是一種建立和形成概念的過程，是將各種生命現(xiàn)象的本質(zhì)抽取出來形成認(rèn)識的過程，或是將各種生命活動規(guī)律進(jìn)行歸納概括的過程[1]。

杜賓斯基及其團(tuán)隊提出的APOS理論強(qiáng)調(diào)，應(yīng)盡量減少學(xué)生通過記憶孤立的事實來進(jìn)行概念學(xué)習(xí)。根據(jù)APOS理論，學(xué)生需要經(jīng)歷以下階段才能真正習(xí)得概念：活動或操作階段（Action），進(jìn)行概念的初步建構(gòu)；過程階段（Process），進(jìn)行概念的提煉；對象階段（Object），進(jìn)行概念的拓展或符號性表征；圖式階段（Schema），進(jìn)行概念網(wǎng)絡(luò)體系的建構(gòu)[2]。

本節(jié)課嘗試根據(jù)APOS理論，引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)“DNA的結(jié)構(gòu)”這一生物學(xué)次位概念，并自主整理和完善“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”這一生物學(xué)大概念體系。

一、教材分析與教學(xué)設(shè)計思路

“DNA的結(jié)構(gòu)”是人教版高中生物教材必修2第３章第２節(jié)的內(nèi)容，對應(yīng)重要的次位概念：DNA分子是由四種脫氧核苷酸構(gòu)成，通常由兩條堿基互補(bǔ)配對的反向平行長鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。“DNA的結(jié)構(gòu)”相關(guān)概念體系如圖1所示。

學(xué)生在高中生物必修1課程中已經(jīng)學(xué)習(xí)了核酸的相關(guān)知識，對DNA的結(jié)構(gòu)有一定的了解。從知識的角度來看，本節(jié)課似乎略有重復(fù)，因此難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但從概念習(xí)得與建構(gòu)的角度來看，本節(jié)課具有獨(dú)特的價值。學(xué)生可通過閱讀豐富且充滿曲折的科學(xué)史，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情并培養(yǎng)批判性思維；通過閱讀文獻(xiàn)和模擬實驗進(jìn)行科學(xué)論證，進(jìn)一步探究DNA的結(jié)構(gòu)；通過模型建構(gòu)直觀展示DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，并在小組討論中總結(jié)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的內(nèi)在關(guān)系；通過模型重構(gòu)，分析DNA的特點；通過科學(xué)猜想，分析DNA復(fù)制的方式以及生物變異的可能類型。本節(jié)課利用多維度的活動，使學(xué)生在親身參與的情境中主動建構(gòu)生物學(xué)次位概念，進(jìn)而將此概念融入相關(guān)概念體系中，促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。本節(jié)課涉及較多物理和化學(xué)知識。在文獻(xiàn)閱讀和模型建構(gòu)中，學(xué)生同時進(jìn)行多學(xué)科內(nèi)容的整合，有助于提升自身的綜合素養(yǎng)。

二、教學(xué)目標(biāo)

依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)并圍繞培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的要求，本節(jié)課制訂以下教學(xué)目標(biāo)。

①通過閱讀科學(xué)史并利用物理模型模擬DNA衍射實驗，觀察堿基結(jié)構(gòu)，分析堿基配對方式，結(jié)合多學(xué)科知識推導(dǎo)出DNA的結(jié)構(gòu)；認(rèn)同合作探究和多學(xué)科知識交叉的重要性，培養(yǎng)結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念、科學(xué)探究精神和批判性思維。

②通過動手建構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，培養(yǎng)分析與解決問題的能力和建模思維。

③通過觀察與比較DNA結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)識DNA作為遺傳物質(zhì)所具備的三個特征。

④通過科學(xué)分析，推測DNA作為遺傳物質(zhì)的復(fù)制方式，建構(gòu)和完善概念體系。

三、教學(xué)過程

（一）活動或操作階段

概念具有高度的抽象性，學(xué)習(xí)者若要?dú)w納概括生命現(xiàn)象的本質(zhì)并形成概念，就必須親歷概念的形成過程，而活動或操作正是建構(gòu)概念的起點。為了引導(dǎo)學(xué)生正確理解和掌握概念，可以回溯科研歷程，讓學(xué)生親身體驗科學(xué)家探究與解決問題的過程，從而獲得正確的認(rèn)識，形成深刻的理解。

活動一：觀賞諾貝爾獎頒獎典禮，激發(fā)科學(xué)精神

教師展示1962年的諾貝爾獎頒獎典禮照片，并介紹威爾金斯、克里克和沃森因發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)獲得諾貝爾獎。特別指出，沃森發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)時年僅25歲，僅比高中生年長幾歲，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓他們意識到破解DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)似乎也沒有那么困難，作為高中生，他們同樣有能力探索DNA的結(jié)構(gòu)。同時，引導(dǎo)學(xué)生回顧高中生物教材，并強(qiáng)調(diào)從1866年孟德爾遺傳定律的發(fā)表到1953年DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，在這近百年的探索歷程中，許多科學(xué)家為此作出了巨大的貢獻(xiàn)。請學(xué)生閱讀教材和教師提供的科學(xué)文獻(xiàn)，回顧DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)史。

設(shè)計意圖：通過照片展示，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和好奇心，引導(dǎo)學(xué)生回歸教材知識，自主閱讀、學(xué)習(xí)科學(xué)史，感受科學(xué)家的探索精神，理解在科研中合作的重要性以及多學(xué)科交叉在重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)中的關(guān)鍵作用。

活動二：多學(xué)科融合，破解生物難題

教師首先展示DNA分子的X射線衍射照片，并請學(xué)生介紹衍射原理。根據(jù)物理學(xué)分析，學(xué)生一致認(rèn)可DNA呈螺旋結(jié)構(gòu)。隨后，教師引導(dǎo)學(xué)生利用身邊的工具（如激光筆、圓珠筆、彈簧等）進(jìn)行簡單的模擬實驗。學(xué)生通過實踐，果然得到與富蘭克林拍攝的DNA衍射圖譜相似的衍射圖片（如圖2）。這一直觀的實驗結(jié)果更加確定了DNA呈螺旋結(jié)構(gòu)。

接下來，教師展示嘌呤和嘧啶的分子結(jié)構(gòu)圖，并介紹了化學(xué)家查戈夫的重要發(fā)現(xiàn)：腺嘌呤與胸腺嘧啶的含量相等，鳥嘌呤與胞嘧啶的含量也相等，引導(dǎo)學(xué)生推出堿基互補(bǔ)配對原則，即嘌呤與嘧啶之間通過氫鍵配對，具體為A與T配對，G與C配對。回顧歷史，沃森和克里克在研究中嘗試用紙片及鐵絲制作雙螺旋模型，并通過不斷試錯和修正，僅用60天時間就發(fā)現(xiàn)了DNA結(jié)構(gòu)的秘密。

設(shè)計意圖：通過利用常見工具模擬衍射實驗，讓學(xué)生體驗實驗的樂趣，直觀感受實驗結(jié)果，進(jìn)而確定DNA的空間結(jié)構(gòu)；通過分子結(jié)構(gòu)分析，引導(dǎo)學(xué)生嘗試尋找能進(jìn)行互補(bǔ)配對的堿基，初步建構(gòu)堿基互補(bǔ)配對原則。通過此環(huán)節(jié)的活動，學(xué)生親自參與實驗論證過程，將理論與實踐相結(jié)合，鍛煉動手能力，發(fā)展科學(xué)思維，同時體會多學(xué)科交叉對生物學(xué)發(fā)展的重要意義。

活動三：重走科學(xué)探索之路，建構(gòu)DNA結(jié)構(gòu)模型

教師通過一系列問題引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)并回顧教材內(nèi)容：（1）DNA的基本單位是什么？（2）四種脫氧核苷酸是如何連接成多聚體的？（3）兩條脫氧核苷酸單鏈?zhǔn)侨绾瓮ㄟ^堿基互補(bǔ)配對形成一個平面并形成雙螺旋結(jié)構(gòu)的？

學(xué)生按照“點—線—面—體”的邏輯層次，建構(gòu)出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型（如圖3），將微觀結(jié)構(gòu)具體化。

設(shè)計意圖：通過復(fù)習(xí)核酸知識，結(jié)合本節(jié)課科學(xué)史的推導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生動手搭建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，形成直觀認(rèn)識。

活動四：展示DNA結(jié)構(gòu)模型，探討DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)

各個小組帶著自制的DNA結(jié)構(gòu)模型上講臺進(jìn)行展示，并講解模型中每個部件所代表的分子、化學(xué)鍵、兩條鏈的方向以及空間結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生通過語言描述將物理模型轉(zhuǎn)化為科學(xué)語言，從而加深對DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的理解；通過比較不同小組模型的差異和共同點，引發(fā)學(xué)生深入思考，為后續(xù)的學(xué)習(xí)埋下伏筆。

（二）過程階段

在過程階段，學(xué)生親歷活動階段的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的破解和建構(gòu)后，將對概念進(jìn)行提煉。此階段，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，通過分析、小組討論和組織表達(dá)等流程對活動階段的內(nèi)容進(jìn)行歸納概括。

學(xué)生主要從兩個方面進(jìn)行歸納概括：一方面，DNA作為生物大分子，它的結(jié)構(gòu)層次由“點”到“線”及“面”至“體”。其中，“點”指單體脫氧核苷酸，“線”指一條脫氧核苷酸鏈，“面”指兩條脫氧核苷酸鏈通過堿基互補(bǔ)配對原則形成的整體，“體”指雙螺旋形成的空間結(jié)構(gòu)。另一方面，DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)可以分為關(guān)系、方向、外側(cè)、內(nèi)側(cè)四個維度。其中，“關(guān)系”指兩條脫氧核苷酸鏈通過堿基互補(bǔ)配對原則進(jìn)行結(jié)合，“方向”指兩條脫氧核苷酸鏈反向平行，“外側(cè)”指由脫氧核糖和磷酸交替排列形成的骨架，而堿基對排列在DNA的“內(nèi)側(cè)”（如圖4）。通過歸納概括，學(xué)生逐漸形成了“DNA分子是由四種脫氧核苷酸構(gòu)成，通常由兩條堿基互補(bǔ)配對的反向平行長鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)”這一次位概念。

設(shè)計意圖：通過對活動階段相關(guān)內(nèi)容的概括總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生按照一定的邏輯順序，運(yùn)用科學(xué)的語言提煉概念，并通過小組討論形成概念的基本雛形。

（三）對象階段

對象階段是概念拓展或符號性表征的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。過程階段獲得的概念往往只是停留在概念的表層，而真正的概念形成過程是一個整體框架建構(gòu)的過程。在對象階段，學(xué)生通過思維活動對先前感知到的內(nèi)容進(jìn)行加工和處理，從而獲得對概念的進(jìn)一步認(rèn)知。

教師請各組組長帶著本小組模型到講臺上，并讓他們閉上眼睛。隨后，教師將模型混合起來，并讓組長們睜開眼睛，快速找到自己組的模型。接著，教師進(jìn)行提問：（1）為什么你會認(rèn)為這是你們組的模型，它體現(xiàn)了DNA的什么性質(zhì)？（2）講臺上的模型各不相同，它們哪里不同？（3）當(dāng)老師看到家長們的模樣時，很容易將他們與你們進(jìn)行一一對應(yīng)，這不僅體現(xiàn)了DNA的特異性，還體現(xiàn)了遺傳過程中DNA的哪種性質(zhì)？這種性質(zhì)與DNA的結(jié)構(gòu)有何關(guān)系？（4）紙質(zhì)版平面模型（教師展示）非常容易彎折，當(dāng)扭成雙螺旋后則變得挺立起來，這說明了什么？這些問題充分引發(fā)了學(xué)生對于DNA特征的思考，進(jìn)而總結(jié)出DNA具有特異性、多樣性和穩(wěn)定性。教師進(jìn)一步追問：從生物進(jìn)化的角度來看，DNA既要保持穩(wěn)定又會發(fā)生變異，那么DNA的改變最可能發(fā)生在細(xì)胞分裂的哪個時期？DNA又是如何發(fā)生改變的？作為遺傳物質(zhì)，DNA在細(xì)胞分裂的過程中需要復(fù)制，請?zhí)岢鯠NA復(fù)制方式的假說。

設(shè)計意圖：通過對不同組別模型的比較，讓學(xué)生自主總結(jié)DNA的特征，從而對DNA的結(jié)構(gòu)形成全面的認(rèn)知，使學(xué)生深刻體會到DNA作為遺傳物質(zhì)其結(jié)構(gòu)的獨(dú)特之處；讓學(xué)生猜想DNA復(fù)制的方式以及DNA如何發(fā)生變異，為后續(xù)的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，同時為大概念的建構(gòu)埋下伏筆。

（四）圖式階段

在圖式階段，學(xué)生需進(jìn)行概念網(wǎng)絡(luò)體系的建構(gòu)，由此才能真正習(xí)得概念。此階段，學(xué)生將先前在過程階段中所建構(gòu)的概念與頭腦中已有的圖式進(jìn)行相應(yīng)的整合，從而建構(gòu)更為復(fù)雜的概念體系，以此展示一個階段的學(xué)習(xí)成果[3]。

教師引導(dǎo)學(xué)生小組討論，將本節(jié)課新建構(gòu)的概念與之前建構(gòu)的概念相結(jié)合，并形成概念網(wǎng)絡(luò)，以豐富重要概念和大概念體系（如圖5）。在建構(gòu)概念體系的過程中，學(xué)生將了解到生物學(xué)的學(xué)習(xí)是前后呼應(yīng)的。每一個次位概念既是對上一個次位概念的承接，也是學(xué)習(xí)下一個次位概念的基礎(chǔ)。因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中需要跳出單一概念的局限，站在更高的角度來學(xué)習(xí)生物學(xué)，抓住生物學(xué)的主脈絡(luò)。這樣的學(xué)習(xí)方式有助于學(xué)生更全面地理解生物學(xué)知識。

設(shè)計意圖：此階段是既基于之前的學(xué)習(xí)對大概念體系進(jìn)行建構(gòu)，也是對階段性學(xué)習(xí)的整合和回顧。每一個次位概念的建構(gòu)都能鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維，而整個概念體系的建構(gòu)則能讓學(xué)生從宏觀的角度認(rèn)知生物學(xué)。這一過程不僅能考查學(xué)生學(xué)習(xí)的深度和廣度，還能提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，并為后續(xù)的概念教學(xué)奠定堅實的基礎(chǔ)。

四、教學(xué)反思

本節(jié)課基于APOS理論，以活動為起點，以概念體系的建構(gòu)為終點，不僅形成了本節(jié)課的次位概念，還豐富了大概念體系。此外，由于教師設(shè)置了關(guān)于DNA復(fù)制方式、DNA變異的問題，所以本節(jié)課既是整個大概念學(xué)習(xí)的“中點”，也是下一個次位概念學(xué)習(xí)的“起點”。教師嘗試通過以終為始、網(wǎng)絡(luò)布局的教學(xué)方式，使學(xué)生對生物學(xué)有一個整體宏觀的認(rèn)識，最終習(xí)得概念、應(yīng)用概念，而非僅僅停留在記背概念的層面。

本節(jié)課還涉及多學(xué)科知識的綜合應(yīng)用。例如，在探討X射線衍射技術(shù)時，教師引入了物理學(xué)的方法，啟發(fā)學(xué)生利用彈簧、激光筆模擬衍射過程。通過觀察模擬實驗結(jié)果并結(jié)合物理學(xué)分析，學(xué)生得以理解DNA為何呈現(xiàn)雙螺旋結(jié)構(gòu)。此外，為了讓學(xué)生理解堿基之間的關(guān)系，教師還展示了堿基的分子結(jié)構(gòu)式，并引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)知識來解釋氫鍵的形成，從而總結(jié)出A與T配對、C與G配對的規(guī)律。教師在教學(xué)中滲透STEM教育理念，使學(xué)生認(rèn)識到多學(xué)科交叉對于科學(xué)研究的重要意義。

然而，本節(jié)課概念體系的建構(gòu)難度較大，學(xué)生單純通過活動很難科學(xué)地提煉出概念，并將其與之前學(xué)習(xí)的概念相結(jié)合。為此，教師需要設(shè)計一系列問題串來激發(fā)學(xué)生思考，鼓勵學(xué)生進(jìn)行充分的討論。同時，教師應(yīng)對學(xué)生建構(gòu)的概念體系給予積極的反饋，并及時進(jìn)行指導(dǎo)和補(bǔ)充。鑒于課堂時間有限，概念體系的建構(gòu)也可以作為課后作業(yè)，以便學(xué)生有充足的時間進(jìn)行深入的思考。

［" "參" "考" "文" "獻(xiàn)" "］

［1］" 吳成軍.試論在建構(gòu)概念中發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)[J].生物學(xué)教學(xué)，2021，46（9）：26-28.

［2］" 彭小妹.例談基于APOS理論的生物學(xué)核心概念教學(xué)策略：以“染色體結(jié)構(gòu)變異”為例[J].生物學(xué)教學(xué)，2022，47（8）：28-30.

［3］" 趙占良.生物學(xué)概念的特點及其教學(xué)啟示[J].中學(xué)生物教學(xué)，2021（22）：4-9.

（責(zé)任編輯" " 羅" " 艷）