指向深度学习的生物科学史教学

魏 伟

(江苏省南京市第一中学 210001)

深度学习(deep learning)又称深层学习，是指让学习者在理解的基础上，对新知识和内容进行批判性学习，并将新旧认知融合，联系众多资料和思想，运用所学知识迁移到新情境中应用，从而做出决策以解决问题。

生物科学史是前人对生命世界探索的智慧积淀，对它的深度学习能够促使学生理解科学的本质，体验科学研究的方法，感悟科学探究的精神。近年来，科学史教学虽引起了教师们的重视，可课堂实践中往往还存在着“浅层学习”的现象：或将科学史当成“名人轶事”类的趣味谈资，或将科学史割裂成“讲完历史再讲结论”，或将科学史料“大材小用”成“阅读理解”，或将科学史粗放拓展得琐碎繁杂……没有了对科学史料的理性分析和知识的意义建构，没有了科学发现的探究过程和科学精神的有效渗透，这样的科学史教学是粗浅的、不完整的，是不能触及到学习本质的。现以“DNA的分子结构”一节的校本课程为例，试图依据深度学习理论，展现科学史教学过程，以供探讨。

1 前端分析，关注深度学习的起点

“教材解读”与“学情分析”是引导深度学习的基点。“教材解读”应关注课标的要求、教材的编排体系、教材中的重难点以及教材的学科思想方法和价值等。“学情分析”可包括学生已有的知识和经验、相关的技能储备、情感因素及身心特征等。前端分析还需弄清学生现实认知水平和潜在认知水平之间的“最近发展区”，前端分析的目的是以学定教，直接指向教学目标的确定、教学方法的选择和教学过程的设计。

“DNA的分子结构”是高中生物学必修模块2《遗传与进化》中的内容，本节内容从分子水平上进一步详尽地阐述DNA的分子结构，是学习“基因的表达”“基因突变及其他变异”以及“基因工程”等的基础。遗憾的是，人教版和苏教版教材都没有体现“建构模型”的过程：先回顾科学史，进行资料分析，再介绍DNA分子双螺旋结构的特点，最后是安排“制作模型”。学生在初中已学过“DNA是储存遗传信息的物质”，在高中必修1的“遗传信息的携带者——核酸”中已了解到DNA的基本组成，在多种媒体上接触过有关DNA的内容。必修1的学习中，学生已经尝试制作过“真核细胞的模型”等，初步具备了模型的想象和建构能力。学生可联系的知识和经验，使其具有进一步探究DNA分子结构的内源动机。因此，本节课的教学重点是DNA分子结构的主要特点，建构DNA分子双螺旋结构模型；教学难点是建构DNA分子双螺旋结构模型。

2 设计思路，明确深度学习的目标

教师在进行教学设计时，应充分利用学生对“未知世界”的好奇心，创设问题情境；通过难易适度的更高层次任务目标，驱动学习持续走向深处；采用丰富精炼的学习材料和科学合理的认知策略，帮助学生攻克难题、获得成功；给予及时有效的评价与激励，帮助学生提升自我效能感。

DNA分子结构较为抽象，需要研究者有一定的空间想像能力，科学家在DNA双螺旋结构的发现中采用的是模型方法。因此，构建模型是本课教学中必不可少的重要工具，也是对科学史实的最大尊重。教师在课堂教学中，不去先讲述DNA分子的结构特点，再组织“模型制作”；而是对教材进行二次开发，对科学史料进行适当补充和深度加工。考虑到学生的已有认知水平和最近发展区，教学以“基本单位→单链结构→平面结构→空间结构”的主线让学生拾阶而上、自主建构模型。这一过程中，教师应尽量创设“近于真实”的研究历程，逐步呈现DNA分子结构的相关史实和知识线索，调动物理、化学、数学等多学科知识背景，引导学生“像科学家一样”深度思考并坚持不懈，使学生在解决实际问题的过程中深度学习。

本节课的教学目标确立为：知识方面为概述DNA分子结构的主要特点；能力方面为建构DNA双螺旋结构模型，探究DNA多样性与特异性原因，体验DNA双螺旋结构模型的构建历程，领悟模型方法的应用；情感态度与价值观方面为认同合作在科学研究中的重要性，讨论技术进步在科学研究中的重要作用，认同人类对DNA结构的认识是不断深化完善的过程，初步形成DNA的结构与功能相统一、多样性与特异性相统一的观点。

3 联系旧知，引出自主生成的问题

学生已有的生活学习经验以及与新学知识的联系会激发其兴趣，产生情感共鸣。创设一定的问题情境，将目标与内容问题化，会触及学生的思维深处。但要解决的问题最好不是教师抛出的学习任务，而是师生共同讨论生成的话题。

导入本课时，PPT课件可展示“青蛙要给蝌蚪进行亲子鉴定”的漫画，引出“DNA是遗传物质”，拉近与学生的距离，唤起学习的主动性。教师进而提出：结构与功能是统一的，DNA是遗传物质，其结构是怎样的呢？以此调动学生思维的积极性，明确学习目标。学生回顾DNA的组成元素和基本单位，并利用提供的学具构建若干个“脱氧核苷酸”模型，然后说出所构建的脱氧核苷酸具体名称。在教师指出“DNA分子是由许多核苷酸连接而成的长链”后，即让学生边讨论边尝试构建DNA的模型，在动手中学生会发现很多不能解决的疑问，争论纷纷、情绪热烈。这时，教师要及时组织学生将遇到的挫折大胆说出，并汇总学生生成的问题：磷酸基团与脱氧核糖的什么位置相连？DNA分子到底有几条链？这些链如何放置？DNA中什么排列在外侧？什么排列在内侧？碱基如何排布？

本环节承前启后，旨在刺激学生对先前学习的回忆，与本课新知识建立联系，提高学习的迁移速度，也为DNA完整模型的构建做必要的铺垫。教师有意让学生在动手中产生认知冲突、生成问题，旨在引发学习的注意，激发探究的欲望，培养提出问题的能力和批判性思维。这样，在教学一开始就创设热烈的学习氛围，使学习在和“科学家当时的现实情况”基本一致或相类似的情境中发生，使深度学习顺理成章地开始。

4 信息加工，组织面向解决的活动

面向需要解决的问题，教师应提供“基于事实但又不局限于事实”的先行组织的引导材料，让学生对这些事实进行深度加工，从中提炼出有用的信息和方法。同时，深度学习需要学生在活动中经历分析问题、解决问题的过程，以发展科学的思维品质和理性的交往能力。因此，教师需要组织高质有效的小组活动，让学生在新旧认知之间、生生之间、师生之间进行多重对质，不断使思维精制化、复杂化，使概念明晰化，将学习逐步推进并走向深入。

本节课中针对学生遇到的问题，教师适当嵌入情感态度及价值观的教育：沃森和克里克也曾遇到大家刚提出的这些问题，但他们没有放弃，而是不断学习、不断思考、不断尝试。随即，教师展现“两位科学家通过学习和请教得到的”史料，鼓励学生“像科学家一样思考”：①每个核苷酸的脱氧核糖与另一个核苷酸的磷酸基连接在一起, 形成“糖—磷酸基”骨架。②化学方法分析发现，核苷酸之间是通过磷酸二酯键相连的(可投影图示)。③二战后，电子显微镜测定出DNA分子直径约为2 nm。威尔金斯推算出，只有2条链或3条链的DNA直径才可能是2 nm。④富兰克林指出，按照3条链的DNA模型，推测出的含水量只是实际测得的1/10。学生在分析得出“核苷酸之间由磷酸二酯键连接及DNA有两条链”的结论后，再次以小组为单位动手制作模型。这时，他们将再次遭遇挫折：两条链有几种排列组合的方式？学生动手、思考、讨论后得出如图1所示的六种可能。

深度学习必须建立在对适量事实的理性认识基础之上。该环节中，教师在学生思维的关键点上适时将简明扼要的科学史材料呈现，让学生自主进行比较、分析后得出理性结论，从而发展、改进所制作的模型，建构起个人情境化的知识体系，将学习提升为深层意义的获得。而化学、物理、数学和生物等跨学科知识的深度融合，可帮助学生形成多学科知识相互渗透的观念，以知识的联系和迁移推进深度学习任务的完成。

图1 DNA分子两条链六种可能的排列情况

5 搭建支架，推动高阶思维的发展

教学应走在发展的前面，不能消极适应学生的已有发展水平；教学应分解复杂的任务，要提供给学习者逐步攀升的支架。因此，由问题转化而成的深度学习活动也应当是有序列的、由浅入深的。逻辑清晰、合乎认知规律的阶梯式情境，特定主题、符合学习目标的典型学习材料，值得借鉴、富有参考价值的已有学习成果，可引导学生层层递进地深入思考，连贯地把学习从一个水平提升到另一个新的高度，发展学习者的高阶思维。

面对六种可能的双链排布方式和碱基如何放置的问题，学生再次感受到学习的挫折，教师在肯定学生前期成果的同时，激励其应“像科学家一样”坚持不懈，并及时提供“沃森和克里克收集到的资料”：①富兰克林指出，碱基疏水，脱氧核糖和磷酸亲水，而DNA在细胞中是处于水环境的(联系迁移：参考细胞膜中的磷脂双分子层)；②佩鲁兹指出，DNA是单斜晶，具有C2对称性，这意味着两条链沿着相反的方向行进，是反向平行的；③戴维逊指出，4种碱基分子大小不同(投影化学结构式图)；④查戈夫指出，A的数量等于T的，C的量等于G的；约翰·格里菲斯计算出，A吸引T，C吸引G。学生在独立思考、自主学习后，开展小组合作与讨论；教师组织全班集思广益，引导学生分析、整理、归纳。通过对信息的整合和加工，对磷脂双分子层等知识的迁移应用，得出：脱氧核糖和磷酸应排列在外侧，碱基排列在内侧；DNA的两条链是反向平行的；碱基A与T配对，C与G配对(如图1中F所示)。在此基础上，学生将手中的模型拆开重建，教师不失时机地渗透：“沃森和克里克当时也是像这样建了拆，拆了又建，屡败屡建，最终获得成功！”

教师所搭建的各种做为学习援助的“脚手架”，应基于学习者可能存在的学习障碍，应适于学生对知识的同化和顺应，应助于对概念的内化和建构；而非课程内容要素的材料就不再要求学生记住，即拆除脚手架。遭遇挫折时，教师需要清晰把握学生的学习情绪及自我监控能力，有针对性地给予方法指导和鼓励性评价，让其体会科学探索的艰辛与快乐。活动中，教师应创设自主合作的学习情景和平等融洽的讨论环境，通过不同观点的交锋，逐步改善、发展和修正学生的前概念。教师的主导到位而又不越位，方能有助于高阶思维的培养，让深度学习“水到渠成”。

6 批判反思，促进元认知水平的提升

当问题近于解决时，教师至此方呈现科学结论，学生分析对比、再次修正、得出正确结论。这一过程是引导学生进行自我反思的良好契机，教师适时引导学生发现并修正学习中存在的问题和不足，审视自己思维的过程，分析使用的方法、遇到的困难、克服障碍的方式等，力求帮助学生发展元认知。学生或多或少会从解决问题的方法、规律、思维策略等方面进行归纳总结，达成对知识概念的理解、思维方法的领悟、科学精神的内化。

针对学生急于想证实自己再次建构的模型是否正确这一心理，教师及时投影教材中“DNA分子的平面结构和立体结构模式图”，学生认真观察、对比、分析，修正自制的模型，并关注到“DNA分子的每个螺旋都由10对碱基组成，相邻两对碱基间的距离相等”这样的细节。然后小组代表展示、汇报、交流，师生共同进行修正和完善，并反思整个建模的过程。接着，教师用模型做导学工具，让学生思考：每组制作的模型与其他组相同吗？各组所制作模型的差异在哪里？你认为DNA片段模型中，第一对碱基有几种可能？某DNA片段有n个碱基对，则该DNA片段可能的碱基排列顺序有多少种?学生通过自制模型的比对和数学方法的归纳，总结出DNA分子的多样性和特异性。教师还可指导学生观察DNA分子结构模型后，再依据碱基互补配对原则，推算DNA分子的碱基比例和数量之间的规律。

师生共同反思整个学习过程，促成元认识水平的发展。根据模型挖掘DNA分子结构中隐含的原理，既充分利用了模型，又让抽象的数理规律在直观模型中自然推出，并尝试了用数学语言描述生命现象。由此，科学史教学超越了浅层的符号学习，提升为深层意义的获得，深度学习“瓜熟蒂落”。