指向概念核心内容的高中生物学教学活动设计

杨善珍

［摘 要］文章简要阐述了解构概念对明确概念核心内容的作用，以及解构概念的成果对情境的创设、学习材料的选择和教学活动的设计的影响；主要结合新课程理论，以生物学概念教学的几个要素为出发点，对指向概念核心内容的高中生物学教学活动设计进行了探索。

［关键词］概念核心内容；教学活动设计；高中生物

［中图分类号］    G633.91        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）23-0073-04

生物学不仅是一个结论丰富的知识体系，还是一个有机整合的概念体系。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订》（以下简称《课标》）指出，教师在设计和组织教学活动时，应依据重要概念精选恰当的教学活动内容和活动方式。那么，怎样才能依据概念的核心内容设计教学活动，有效开展教学呢？首先需要解构概念，即从学科知识视角和育人价值视角对概念进行分解和剖析；其次需要创设情境，导出核心问题；最后需要进行演绎推理、模型建构等科学研究。这不仅是引导学生获取学科知识的过程，而且是引导学生进行科学探究、发展核心素养的过程。本文基于概念的解构、情境的创设、科学研究的基本思路与方法等生物学概念教学的要素，对指向概念核心内容的高中生物学教学活动设计进行探索。

一、解构概念，明确核心内容

《课标》关于课程内容的每个模块均由“内容要求”“教学提示”“学业要求”三个部分组成。由概念内容表述组成的“内容要求”是对生命活动规律、生命现象和生物学理论的理解和阐释，展现了当代生物科学的圖景，它们相互连接构成生物学概念框架。解构概念能让教师很好地理解和把握概念，有效选择教学材料和教学方法，设计合适的教学活动，帮助学生理解概念。部分教师囿于学科理解，不能科学合理地解构概念，不是丢三落四，就是找不到概念的核心内容，这必然会影响最终教学效果。

例如，“细胞都由质膜包裹，质膜将细胞与其生活环境分开，能控制物质进出，并参与细胞间的信息交流”这一次位概念可解构为“质膜是细胞的边界”“质膜控制细胞与周围环境的联系”“流动镶嵌模型能很好地解释生物膜的绝大多数生命活动”这三个基本概念。细胞与周围环境的联系除体现在物质交换外，还体现在信息传递、细胞与邻近细胞的连接、细胞与非细胞基质的粘连等方面。部分教师创设的情境仅仅指向“质膜的选择透过性”这一个内容，如鸡蛋黄的观察和注射染色、玉米种子的纵切和红墨水染色等，这便导致学生没能有效把握概念的核心内容，在这种情况下，学生建构的概念是不完整的。而围绕人体的肌肉、内分泌腺、消化道等功能细胞来创设情境，指向明确，可使有关“细胞与周围环境的联系”的探究学习活动得以顺利开展，有助于学生建构完整的概念。概念性知识与事实性知识不同，概念是可以运用的，是可以用于解决问题的。但不完整的生物学概念在很多问题的解决中是派不上用场的。由此可见，概念解构情况在很大程度上影响了教学目标的制订、教学内容的选择和教学活动的设计，并最终影响学生的概念建构。

又如，“蛋白质通常由20种氨基酸分子组成，它的功能取决于氨基酸序列及其形成的空间结构，细胞的功能主要由蛋白质完成”这一次位概念可解构为“氨基酸是蛋白质的基本单位，在结构上既有共性又有个性”“蛋白质具有功能多样性，是生命活动的主要承担者”“蛋白质的功能取决于氨基酸序列及其形成的空间结构”“不同物种生物体内功能相同的蛋白质是否有差异以及差异的程度，取决于物种之间在进化上的亲缘关系”这四个基本概念。这样解构概念，使概念的核心内容得以明确，有助于教师基于概念的核心内容设计教学活动。针对上述蛋白质概念的核心内容可创设以下情境：

揭示蛋白质结构与功能的关系是当今蛋白质研究工作的重要内容。科学家在比对了来源于不同物种的细胞色素c的氨基酸序列后，发现其中的氨基酸在进化中以几乎相同的速度进行转换。细胞色素c是由104个氨基酸分子组成的一条多肽链折叠而成的。表1数据显示各物种与人的细胞色素c在氨基酸序列上的差异。

依据情境进行教学活动设计：让学生根据几种氨基酸的分子结构式，写出氨基酸的生物通式；说明有些氨基酸为什么会具有酸碱性、亲水性和亲脂性；在建构二肽、三肽、多肽链的物理模型的基础上，说明所在小组建构蛋白质分子结构模型的依据；根据“蛋白质具有多种多样的功能”示意图，举例说明蛋白质功能与氨基酸序列及其形成的空间结构之间的关系；各物种与人的细胞色素c都可作为生物氧化过程中重要的电子传递体，请解释这一现象。学生通过建构氨基酸、蛋白质等的分子结构模型，综合运用归纳与概括、模型与建模等思维方法，阐明氨基酸形成蛋白质的过程以及蛋白质空间结构与其功能的关系，讨论生物进化历程中蛋白质分子的演变，初步形成结构与功能观、进化与适应观。作为一个评价任务，关于细胞色素c演变的分析讨论可以反映学生对蛋白质概念的学科理解的四个水平：①不同物种的细胞色素c的空间结构不同，但传递电子的功能相同。②不同物种的细胞色素c的空间结构不同，但其中与传递电子有关的局部结构（结构域）基本相同。③不同物种的细胞色素c的氨基酸差异对空间结构的影响很小。虽然它们的空间结构不尽相同，但其中与传递电子有关的局部结构基本相同。④不同物种的细胞色素c的氨基酸差异对空间结构的影响很小。它们的空间结构不尽相同，传递电子的能力也有所不同，可适应对传递电子的不同需求。

二、创设情境，导出核心问题

组织以探究为特点的主动学习是落实生物学学科核心素养的关键，教师需要创设真实的问题情境，以引导学生更好地进行探究学习。通过创设真实的问题情境，把内容学习从生硬的知识掌握转变为动态、丰富、鲜活的认识深化过程，使学习内容成为可以进行思维操作和加工的对象。不同的问题代表着不同的认知水平。问题驱动的成效如何取决于问题的设计——既要有针对性，又要有发展性，让学生通过一定的努力才能解决。只有针对概念核心内容提出能引发学生思考与探究的较为复杂的问题，才能引导学生通过科学思维对生物学概念有更深层次的理解。

杨振宁教授认为，要让学生站在问题开始的地方，面对原始的问题。原始问题是指自然界及社会生产生活实践中客观存在的，能反映科学概念、规律本质且未被加工的典型科学现象和事实。它着重从原始的材料出发，培养学生思维的创造性。在很多情况下，生物学情境中展现的往往就是原始问题，因为生物学问题本就来自自然，来自人类的生产生活实践。例如，“分离定律”的核心内容是等位基因分离，其关涉的核心问题是“F2代3∶1性状分离”。教师利用电视剧《功勋》中与袁隆平有关的内容创设情境：青年袁隆平在学校的试验田里发现了一棵穗大粒大的水稻植株，把它叫作“鹤立鸡群”。在第二年播种它的种子后，它的后代发生了性状分离，即768高株、256矮株（数据来自电视剧）。这令袁隆平百思不得其解。在问题迟迟未能解决的重要关头，一个学生提出“这‘鹤立鸡群’的种子的成长没有鹤立鸡群，对于您来说是失败的，但是对于它来讲是成功的，因为它背后的规律非让它长成这样不可（剧中台词）”。这一席话“惊醒”了袁隆平，他一下子就想通了。该情境结合孟德尔的豌豆杂交实验结果，能引出分离定律的核心问题“F2代3∶1性状分离”。教师后续所设计的教学活动都是为了解决这一问题，能有效驱动学生进行探究学习。电视剧中，袁隆平通过实验和数据分析推翻苏联李森科的伪科学，转而接受孟德尔的遗传学，这些事迹有助于学生领悟科学的本质。

三、演绎推理，发展科学思维

归纳推理是从认识研究个别事物到总结、概括一般性规律的推断过程，是由个别到一般的推理。演绎推理则相反，它是由一般到特殊的推理，是必然性推理，即前提真，推理形式正确，结论必然真。在假说—演绎法中，假说是前提，只有假说得到证实，结论才是正确的。可以说，科学发展的过程就是假说形成、假说检验以及假说更替的过程，如细胞膜结构模型的演变发展、DNA半保留复制的实验求证、斯他林发现体液调节的思维过程等。

例如，应用假说—演绎法这一经典遗传学研究方法是孟德尔获得成功的原因之一。等位基因分离是孟德尔的假说的核心内容，也是分离定律的实质。对孟德尔的假说进行实验求证，是学生发展演绎推理科学思维的重要途径。教师可以让学生进行小组活动，设计一个新的杂交实验（测交实验），用孟德尔的假说预测实验结果，再比对真实的实验结果，从而对假说本身进行求证。按照孟德尔的假说，F1（Aa）在产生配子时可形成两种分别含有A、a的配子，其比例是1∶1。可见，只要验证这一点，即可证实等位基因分离的正确性。因为隐性亲本的配子不会遮盖F1配子的基因，所以可以使F1配子含有的隐性基因在杂交后代中表现出来。有鉴于此，教师可适时提出问题作为支架，以帮助学生完成学习任务。如：怎样才能让F1配子含有的隐性基因在杂交后代中表现出来？如此，学生便可跨越时空通过模拟体验孟德尔研究发现分离定律的过程，学会假说演绎的基本思路和方法，并且能够在后面的学习活动中加以运用。

F1（Aa）自交得到F2代，其出现3∶1的性状分离比需满足哪些条件？首先，教师提供事实材料，引导学生进行概括并形成概念：①金鱼草的花色遗传。②人类ABO血型的遗传。③中年人秃顶是由一对基因等位控制的。秃顶基因的纯合子（BB）无论男女都表现为秃顶，纯合子（bb）无论男女均表现为正常；雜合子（Bb）如果是男性则表现为秃顶，如果是女性则表现为正常。由此可知，显性性状的表现既是等位基因相互作用的结果，又是基因与生物体内外环境条件共同作用的结果。其次，学生依据所学概念，通过演绎推理和归纳总结得出结论：①完全显性；②环境影响相同；③雌雄配子随机结合；④A、a配子的存活率相同；⑤A、a配子的受精能力相同；⑥AA、Aa、aa不同基因型合子的个体发育能力相同。最后，教师呈现新问题情境：双眼皮对单眼皮完全显性。小李的父母都是单眼皮，她自己却是双眼皮，自从学习分离定律后，她感觉自己整个人都不好了。这作何解释？多数学生认为小李不是父母亲生的，极少数学生判断可能是环境对基因型表现的影响。在教学实践中发现，同样是进行演绎推理，学生有时却会得出截然不同的结论。令人信服的解释是，单眼皮、双眼皮的形成与眼睑中提上睑肌纤维的发育有关，而提上睑肌纤维的发育又受到个体发育条件的影响。如果不是基因突变，那么小李的父母中就至少有一个带双眼皮基因，虽然它没有表现出来。

又如，“细胞膜的流动镶嵌模型”强调流动性和不对称性，其核心内容之一就是细胞膜的基本骨架是磷脂双分子层。为帮助学生理解脂双层是怎样形成的，教师可设计活动引导学生基于磷脂分子的理化特性推测磷脂双分子层在水环境中的稳定性。活动的具体内容如下：搅拌磷脂与水的混合物，静置一段时间后，磷脂分子在水中怎样排布？请画出示意图。人工脂质体的理化特性接近天然生物膜，它为什么既可以作为亲水性药物的载体，又可以作为亲脂性药物的载体？用其作药物载体为什么药效会得到显著提升？学生经过演绎推理可知，磷脂分子是两性分子，一头亲水，另一头亲脂，它们在水相中会彼此靠近，形成单分子层实心球和具有双分子层结构的封闭囊泡。亲脂性药物可以溶于双分子层内部，亲水性药物可以溶于囊泡内水相。药效提升则是得益于脂质体与靶细胞质膜的融合，帮助药物进入细胞。

四、建构模型，深化学科理解

物理模型以实物或图画等形式直观地展现认识对象的特征。概念模型以文字和符号来抽象概括事物的本质特征，把各类对象的关系用概念与概念之间的关系来表述。数学模型是用来描述现实系统或者性质的一个抽象的、简化的数学结构。建构模型是科学研究常用的方法，是人们根据某一目的，抓住研究对象的本质特征，对复杂的、微观的现象或事物进行抽象的、概括性的描述，是对研究对象简洁的表述。

对于生物学概念的理解，不仅仅是理解概念中包含了什么生命现象，还要思考该生命现象可能怎样发展以及产生这一生命现象说明了什么。例如，“种群数量的逻辑斯谛增长”概念的核心内容是建立种群数量增长与环境资源之间的关系，并且这是一个量的关系，涉及如何解释种群的数量变化。欲研究和描述这种量的关系，就不得不建构数学模型。在教学中，教师可依据真实情境提出学科问题：獾在山林里生活，它是一种皮、毛、肉、药兼具的经济动物。有人十年前承包了一片荒山，如今已蔚然成林。去年，这个人在山林中投放了500只獾（野生放养，不喂食），雌雄各半。一年来，新生350只，死亡150只。问：未来20年獾的种群数量会如何增长？请在坐标系中画出獾种群数量的变化趋势。从哪一年开始捕獾售卖，才能有年年稳定的最高产量？该情境中没有关于K值（环境容纳量）的信息，问题的解决须引入K值和逻辑斯谛系数“（K-N）/K”。只有对种群数量的指数增长数学模型进行修正，才能得到逻辑斯谛增长模型。这让学生对K值有了清晰的认识，并留下了深刻的印象。在指数增长数学模型中，种群增长率不变，所以种群增长速率dN/dt=rN。在逻辑斯谛增长模型中，假设种群增长率按一定比例减小，则种群增长速率dN/dt=rN（K-N）/K ⇒ dN/dt=-（r/K）N2+rN。学生根据此方程（逻辑斯谛方程）可以绘制增长速率曲线（见图1），再依据图1绘制逻辑斯谛增长曲线（见图2）。

（责任编辑 黄春香）