生物学概念学习思维进阶的逻辑建构——以“DNA 分子的结构”为例

杨 严 贺 宇

(1.成都市铁路中学校 四川成都 610041)

(2.成都市七中育才学校 四川成都 610000)

思维进阶的实现要求教师依据学生思维发展规律,有针对性地通过多种方法培养学生思维能力,促进学生思维结构、思维技巧、思维品质和思维方式向高层次发展。 思维进阶描述了由简单到复杂的思维发展过程,包括进阶起点、进阶终点、思维水平、评价设计。 本文以人教版高中生物学《必修2·遗传与进化》中“DNA 分子的结构”为例,探索生物学概念学习思维进阶的逻辑建构。

1 厘清概念学习思维进阶的起点与终点

1.1 概念学习思维进阶的起点

概念学习思维进阶的起点是学生在进行课堂学习之前基于生活经验积累的前概念。 这些前概念有的是科学的,有的是片面或完全错误的。 在学习“DNA 分子的结构”前,学生在《必修1·分子与细胞》已经学习了核酸的知识,对DNA 分子的组成元素、基本单位和DNA 的单链结构有所了解。 学生不清楚DNA 分子储存遗传信息的机制,但已具备“DNA是主要遗传物质”的前概念,为“DNA 分子的结构”的学习提供了起点。

1.2 概念学习思维进阶的终点

概念学习思维进阶的终点是指通过思维进阶,学生应达成的知识理解程度及能完成的任务表现。 本节思维进阶的终点为:① 阐明DNA 分子所具有的结构特点,进一步树立“结构与功能相适应”的生命观念;② 运用DNA 分子特异性的特点解决实际问题,培养学生的社会责任意识。

2 确定概念学习进阶的思维水平

学生对某个概念的理解过程中会经历多个相关联的中间阶段,实现思维由低阶到高阶的转变。 首先教师分析教材,参照《普通高中生物学课程标准(2017 年版2020 年修订)》的要求,将“DNA 分子的结构”涉及到的基本概念和事实性知识用陈述句的形式进行表述,并对其进行思维水平的划分,从而构建出学生“DNA 分子的结构”概念学习思维进阶(表1)。

3 实现概念学习思维进阶的具体策略

传统的生物学教学未充分考虑学生思维能力的培养。 为实现学生思维能力的培养,根据概念学习进阶思维水平的划分,可以通过问题驱动、创设丰富多样的情境、构建模型等策略,引导学生主动参与,实现学生思维从低阶迈向高阶的发展。

3.1 创设概念学习思维进阶情境

教师首先创设生活情境,激发学生学习兴趣和好奇心。 教师在导入环节展示亲子鉴定的生活实例,提出问题:① 为什么采用DNA 比对来确认亲子关系? ② DNA 分子是怎样储存遗传信息的? 从生活情境出发,引导学生思考DNA 和亲子鉴定的联系。 学生分析提出,首先要清楚DNA 分子的结构,才能明确DNA 分子是怎样储存遗传信息的。 接着,教师播放DNA 结构发现的科学史,创设情境。 学生通过视频直观感受X 射线衍射法的原理,了解沃森和克里克不断修正DNA 模型的科学史,逐步认同DNA 双链结构。

3.2 搭建概念学习思维进阶脚手架

教学脚手架是联系已有知识和新知识的桥梁,是由思维进阶的起点达到终点的阶梯。 教师可以通过搭建脚手架将学生的思维从一个较低水平引导到另一个更高的水平。 对于DNA 的双螺旋结构构建过程,教师可通过问题驱动来搭建脚手架。 教师提出问题:① 沃森和克里克提出DNA 由几条链构成?② DNA 双链平行排列的方式可能有哪些? ③ 脱氧核糖和磷酸基团具有亲水性,而碱基具有疏水性,DNA 双链正确排列的方式是什么? ④ 富兰克林研究提出,DNA 分子水平旋转180°之后,仍和原来一样。 DNA 的两条单链如何排列? 在解决以上问题串的过程中,学生从知道DNA 基本单位是脱氧核苷酸(水平二)进阶到掌握DNA 分子的双螺旋结构(水平三)。

在学生明确DNA 双链中脱氧核糖和磷酸基团交替连接排列在外侧、碱基排列在内侧后,教师接着提问:DNA 两条链内侧碱基如何配对? 在学生推测碱基配对的情况后,教师通过模型构建来搭建脚手架。 教师着重展示学生课前制作的DNA 分子模型中碱基配对方式,小组互评碱基配对是否科学。 通过对比模型,学生发现如果碱基随意配对会导致DNA 分子直径不统一、结构不稳定。 结合学生得出的结论,教师追问:如何配对才是科学的? 并展示化学家查哥夫对多种生物DNA 碱基定量分析的实验数据。 学生讨论分析表内数据,归纳得出DNA 碱基配对的规律:A 和T 配对,C 和G 配对。

3.3 概念学习思维进阶评价设计

完整的教学活动离不开科学的评价。 在完成DNA 分子双链的构建后,学生进行模型评价与展示。教师通过评价检测学生对生物学概念的理解情况和思维进阶状况。 各小组参考评价标准表(表2),小组互评,按此标准给模型打分,并说明打分理由。 通过对DNA 分子模型的评价,学生从DNA 分子的结构归纳出DNA 分子的多样性、稳定性和特异性等特点,实现水平三到水平四的思维进阶。

4 教学反思

“DNA 分子的结构”一节的教学通过确定生物学概念学习思维进阶的起点,在每一个思维水平中选择合适的教学策略,引导学生达到潜在的发展水平,走向进阶终点,实现生物学概念学习思维进阶的逻辑建构。 教师利用思维进阶设计概念教学,立足教材创设情境,发展学生科学思维,可以帮助学生在有限的学习时间中,掌握生物学重要概念,提高学生生物学学科核心素养,为学生的全面发展打下坚实的基础。