基于学习进阶理论 建构生物学概念

邹宇堂

摘要依据课程标准，确定学习进阶的起点与终点，根据生物学事实逻辑联系设计合理的进阶梯度并搭配适合跨层级的教学方法，建构次位概念，为落实生物学核心素养教学做出尝试。

关键词 学习进阶 生物学概念 DNA的结构

中图分类号G633. 91文献标志码B

1问题提出

2004年，学习进阶首次出现在美国研究理事会的研究报告中，其代指学生在各学段学习同一类概念时所经历的连贯的、典型的学习路径，呈现为与某一核心概念相关的从简单到复杂的概念序列。美国于2011年颁布基于学习进阶理论的《K12-科学教育框架：核心概念、共同概念及實践》。我国近些年颁布的小学科学、初中生物学、高中生物学课程标准同样参照学习进阶成果，实现小学1年级到高中12年级生物学课程内容上的连贯性。

学习进阶大致包括进阶的起点和终点、进阶梯度及预期表现、测评工具等。构建学习进阶的途径方法之一是，基于教材和课程标准，通过实践总结归纳各阶段学生应掌握的知识程度。探究以学习进阶理论建构生物学概念，教师在教学设计初始，应考虑学生的学习起点，如以初中生物学课程标准相关要求或近期习得的学习水平作为学习起点，以高中生物学课程标准要求作为学习终点，进而研究课标次位概念下属的生物学事实的学习进阶梯度划分，尝试设计跨越不同层级的教学路径，选择适合学生认知发展规律的教学方法。下面以人教版高中生物《必修2·遗传与进化》中“DNA的结构”一节为例，尝试以学习进阶方式建构生物学概念，引导学生进入深层次学习。

2学习进阶梯度的构建

查阅我国最新颁布的小学科学、初中生物学、高中生物学课程标准，除小学科学课程标准未针对细胞分子层面的DNA知识做出要求，其余均有提及DNA相关知识。根据《义务教育初中生物学课程标准（2011年版）》（简称初中课标），将DNA相关概念、教学内容整理为表1。

根据《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（简称高中课标），将DNA相关概念整理为表2。

结合初中课标相关要求可知，初中学生对基因、DNA和染色体关系、DNA中蕴含遗传信息等知识有初步了解。初中课标及教材尚未对DNA的分子结构做出要求，对DNA功能有要求。相比之下，高中课标对DNA相关知识的要求从简单了解层面，上升到微观分子层面。学生需认识DNA结构并掌握与之相关的复杂功能，直到总结抽象规律并应用于多种条件计算，其间存在一定的难度跨越。

学生在必修1中已学过核酸，对DNA分子的基本单位有了解，但可能仍对某些知识存在错误概念。根据学生近期的认知水平和课标要求，教师可细化教学目标为：通过科学史分析和模型建构，认识DNA分子的立体双螺旋结构和构建原理;运用结构决定功能的生命观念，解释DNA携带遗传信息的内涵;通过推理分析总结数学公式，并应用解决多种情境计算，培养科学思维和信息获取能力。

对表2中次位概念进行拆解、分析，得到支撑概念的生物学事实。通过知识结构和以往教学经验分析，发现学生掌握生物学事实过程存在阶梯式递进关系。例如，DNA分子的基本组成单位为四种脱氧核苷酸，是本节学习DNA分子结构的基础，学生在必修1的学习中已经涉及，属于已有知识。学生可根据生物学事实和科学史做出相应推理得到“四种脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接而成长链”。关于“DNA分子由两条链组成，两链反向平行，构成双螺旋结构”“DNA双螺旋结构的构建原理”，学生需根据实验数据推理分析和深度思考。关于遗传信息的排列顺序和关于碱基对的计算，学生需总结遗传信息背后蕴含的抽象数学规律。由此可见，学习过程难度递增，似爬坡进阶，跨每阶需要的方法和力度均有不同。教师可以此划分次位概念的学习进阶梯度及描述，帮助学生建构次位概念，进而达成重要概念的学习。依据以上分析，制定本节学习进阶的学习起点和终点、进阶梯度和预期表现，如图1所示。

3学习进阶路径设计

3.1搭建物理模型，直观化解疑难

通过必修1的学习，学生对DNA分子的认知水平停留在基本组成单位——脱氧核苷酸层面，内容包括组成脱氧核苷酸的碱基、脱氧核糖、磷酸的种类及三者的相对连接位置。从0层次到1、2层次跨越教学中，学生对于单体中三种分子的相对位置、脱氧核糖与核糖的差异、磷酸二酯键所在的位置易存在错误概念。为解决可能存于学生头脑的错误概念，教师可通过搭建物理模型的方式，拼接核苷酸及搭建核苷酸长链，将微观事物直观化，帮助学生掌握正确概念。

0-1层次进阶：教师提供莱文等科学家对DNA基本单位的研究资料，让学生对科学家的研究有初步认识。在此阶段，教师采用图形演示法教学，选择贴近化学分子形状的碱基、脱氧核糖、磷酸样式，给学生辨认。学生动手搭建基本单位，将碱基、脱氧核糖、磷酸摆放在正确的相对位置上。在搭建模型基础上，教师引导学生总结DNA的基本单位为四种脱氧核苷酸。

1-2层次进阶：教师展示亚历山大·托德猜想核苷酸通过磷酸二酯键连接成链的科学史，让学生动手构建DNA单体连接成长链的模型，并准确辨认磷酸二酯键存在的部位。教师引导学生形成对DNA平面结构及核苷酸连接方式的正确认识。

3.2挖掘科学史，进入深层次学习

DNA分子立体结构的发现历程反映了科学家对DNA概念的建构过程，是优质的教学素材。教师要在尊重史实的基础上，充分挖掘材料，设置问题，引导学生开展深层次的思考，搭建支架，帮助学生迈入3层次，使学生最终理解DNA双螺旋结构的构建原理，明白科学知识得来的过程。因此，教师需补充一些科学史用于教学：①富兰克林、克里克等对搭建分子模型用于科学研究的不同看法;②富兰克林发现的B型DNA衍射图;③鲍林构建的α-螺旋模型;④沃森和克里克初次搭建的三螺旋模型;⑤富兰克林关于糖-磷酸骨架位置的实验证据;⑥格兰德和乔丹关于碱基间氢键的研究;⑦克里克在比划分子模型的无意发现。

2-3层次进阶：结合教材和额外补充的科学史资料，教师设计系列问题，引导学生思考、梳理整个研究历程的几个关键问题：DNA分子结构由几条链组成？每条链间如何连接？碱基安置在DNA分子内部，还是外部？碱基对是同类配对或异类配对，原因是什么？DNA双螺旋的发现历程科学史材料呈现顺序与问题设置为：

①问题：DNA分子的形状是怎样的？DNA分子由几条链组成？科学史：富兰克林和威尔金斯提供A型、B型DNA分子X射线衍射图谱;科学家根据图谱对DNA链数、直径和含水量的测定。

②问题：每条链之间如何连接？碱基排列在内，还是在外？科学史：鲍林构建的α-螺旋模型;沃森、克里克初次搭建的三螺旋模型;富兰克林关于糖-磷酸骨架位置的证据。

③问题：两条链螺旋内部的碱基是如何排列的？如果相同的碱基配对，组成的双链直径有何特点？科学史：科学家对碱基配对方式的讨论;格兰德和乔丹关于碱基间氢键的研究;克里克在比划分子模型的无意发现;生物化学家查哥夫发现的规律

④问题：克里克、沃森发现DNA分子结构的原因及借鉴价值。

随着问题解决的推进，教师带领学生逐步构建平面双螺旋结构。接着，旋转呈现立体双螺旋结构，并让学生上台展示、描述DNA分子结构立体模型，加深学生的直观感受。在学生理解科学家想法的基础上，教师带领学生归纳DNA分子空间结构特点和模型构建原理。

3.3总结题型突破，训练科学思维

此阶段要求学生将DNA双螺旋结构中蕴含的遗传信息以数学形式表达，并掌握衍生公式的推导及应用，对其抽象拓展能力要求较高。教师可采用图像演示、题型总结等方法助力学生跨越这一层级。

3-4层次进阶：教师引导学生依据查戈夫定律，总结双链DNA分子中嘧啶與嘌呤数量的规律，并尝试推导互补碱基、非互补碱基之和的比例在单链DNA、双链DNA中的规律。教师在黑板进行DNA平面图像建模，帮助学生理清题中碱基数量关系，解决数学问题。

教师带领学生进行题型总结，归纳解题方法：

（1）理清题目所给条件和目标所求对象，归纳常见类型：①依据双链碱基含量计算双链碱基含量;②依据双链碱基含量计算单链碱基含量;③依据单链碱基含量计算双链碱基含量。

（2）根据题目条件建模。

（3）运用互补碱基、非互补碱基之和的比例规律等，找到已知条件与所求对象间的数量关系。

学生在熟练应用并掌握的情况下，归纳遗传信息蕴含碱基排列顺序之中的概念，总结碱基互补配对抽象概括的公式。课堂小结时，教师带领学生回顾本节课内容，点明其中的学习进阶层次，归纳升华总结“概述DNA分子是由四种脱氧核苷酸构成，通常由两条碱基互补配对的反向平行长链形成双螺旋结构，碱基的排列顺序编码了遗传信息”次位概念。

4课后评价

教师可采用选择题和非选择题组合的形式，考查涵盖表2中所有的生物学事实，测量学生在各个进阶梯度的完成度。教师借助规范的针对性评价测试，能诊断学生学后所属的学习进阶层次，从而进行教学反馈，高效辅助教学。

5教学反思

近年兴起围绕大概念的单元教学研究，其问题之一指向大概念如何具体落实到教学中。正如高中课标提及大概念、重要概念教学落地应以生物学事实作为支撑。教师通过对事实的抽象和概括，帮助学生建立生物学概念，建构合理的知识框架。学习进阶梯度的划分考虑了学科知识和学生认知发展水平，将范围较大、要求较高的概念划分成不同的等级，制定了进阶水平。教师将课程标准的要求细分为教师可操作、学生可实践的共同目标，为有条理、有计划落实概念教学做出了尝试。

本节教学实践借助科学史教学，让学生了解科学知识背后的科学原理和科学故事，培养学生的研究思维和社会责任素养。学生通过模型建构，培养科学思维和动手操作能力。