逆向教學(xué)主線在生物學(xué)模型教學(xué)的應(yīng)用

鄭云桓+黃鳳珍+丁奕然

摘 要 通過(guò)逆向主線教學(xué)法的應(yīng)用，以“DNA分子的結(jié)構(gòu)”為例，從結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的辯證觀出發(fā)，并在教學(xué)中形成模型建構(gòu)——深入理解——精神培育三個(gè)層級(jí)，來(lái)形成應(yīng)用主線教學(xué)法進(jìn)行生物學(xué)模型課教學(xué)的范式案例。

關(guān)鍵詞 建構(gòu)主義 問(wèn)題鏈 合作學(xué)習(xí) 模型評(píng)價(jià) 科學(xué)史

中圖分類(lèi)號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

課改以來(lái)，生物學(xué)科的教學(xué)模式不斷推陳出新，更加凸顯學(xué)生的主體地位。以生物學(xué)模型課為例，衍生出了游戲教學(xué)、直觀教學(xué)、主線教學(xué)等多種教學(xué)方式。其中主線教學(xué)強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)一條清晰、高效的教學(xué)主線，來(lái)串聯(lián)起課堂中的主干知識(shí)與技能，并且互相聯(lián)系、層次分明，形成一條完整的教學(xué)鏈，從而完整展示整個(gè)生物模型特點(diǎn)或科學(xué)史過(guò)程。通常教學(xué)主線都是按照學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，切合他們最近發(fā)展區(qū)進(jìn)行的教學(xué)設(shè)計(jì)，一般情況下教師會(huì)根據(jù)科學(xué)史足跡、因果關(guān)系、“現(xiàn)象—本質(zhì)”邏輯原理等正向思維引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。

然而，有研究發(fā)現(xiàn)逆向思維的教學(xué)主線也可以應(yīng)用于生物學(xué)模型的教學(xué)。有別于一般的教學(xué)主線設(shè)計(jì)，逆向教學(xué)主線的設(shè)計(jì)更具有建構(gòu)主義的色彩，它是先根據(jù)學(xué)生的自主活動(dòng)，再進(jìn)行評(píng)價(jià)模型的教學(xué)過(guò)程。它也使評(píng)價(jià)過(guò)程變?yōu)橐粭l教學(xué)主線，并生成知識(shí)的網(wǎng)絡(luò)體系，以促進(jìn)師生間的思維互動(dòng)，并完成知識(shí)內(nèi)化的過(guò)程。筆者據(jù)此進(jìn)行了深入的應(yīng)用研究，希望探究出一種教學(xué)模式以對(duì)應(yīng)生物學(xué)模型的課堂教學(xué)。最終決定以“DNA分子的結(jié)構(gòu)”一節(jié)為例，探索出了一條辯證觀建立、模型建構(gòu)——評(píng)價(jià)中校準(zhǔn)、深入理解——科學(xué)史探究、培育精神這一逆向教學(xué)主線的生物學(xué)模型教學(xué)范例。

1 辯證觀建立，模型建構(gòu)

生物學(xué)模型課中的辯證觀包括“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的觀點(diǎn)，然而在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中一線教師往往會(huì)忽略這一點(diǎn)，過(guò)多注重生物學(xué)模型結(jié)構(gòu)與功能的剖析，而沒(méi)有將二者聯(lián)系起來(lái)讓學(xué)生理解。為了在教學(xué)中建立起“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的觀念，并且能夠與學(xué)生掌握的舊知識(shí)形成銜接，建立辯證觀的教學(xué)點(diǎn)化就成了逆向教學(xué)主線設(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)的一步。沒(méi)有辯證觀為基礎(chǔ)而進(jìn)行的模型建構(gòu)必然是千奇百怪，將會(huì)大大降低課堂教學(xué)的效率。對(duì)于DNA分子模型的構(gòu)建，學(xué)生之前已經(jīng)認(rèn)知了DNA基本組成單位是脫氧核糖核苷酸，它包括脫氧核糖、磷酸基團(tuán)和含氮堿基三部分，并且學(xué)生也已大致了解了三者間的連接情況。接下來(lái)學(xué)生就可以思考：作為遺傳物質(zhì)，應(yīng)當(dāng)具備哪些功能？

1.1 銜接已知——了解多樣性與特異性

通過(guò)之前的學(xué)習(xí)已經(jīng)知道生物的性狀是由遺傳物質(zhì)所控制的。教學(xué)開(kāi)始時(shí)，教師可以由自然界中生物所呈現(xiàn)出性狀的多種多樣入手，分析這必然要求遺傳物質(zhì)具備多樣性，才能夠控制如此豐富、復(fù)雜的性狀，即DNA分子要具有多樣性，而其本質(zhì)就在于堿基排列順序的千變?nèi)f化。既然DNA分子是多種多樣的，那么每個(gè)DNA分子便會(huì)有其特定的堿基排列順序，即DNA分子具有特異性。而DNA作為主要的遺傳物質(zhì)，其特異性決定了每一種生物遺傳信息的獨(dú)一無(wú)二，而遺傳信息又控制著生物的性狀，故每一個(gè)生命都是絕無(wú)僅有的。

1.2 諺語(yǔ)點(diǎn)化——深入理解穩(wěn)定性

“龍生龍，鳳生鳳，老鼠的兒子會(huì)打洞”。教師利用這一諺語(yǔ)提問(wèn)：為什么遺傳的性狀相對(duì)穩(wěn)定的？既然遺傳的性狀是相對(duì)穩(wěn)定的，DNA又作為主要遺傳物質(zhì)承載遺傳信息在世代中連續(xù)傳遞，那就必然要求DNA分子的結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性?？墒侨绾尾拍鼙ＷCDNA分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性？學(xué)生已經(jīng)知道脫氧核糖核苷酸是DNA的基本組成單位，知道它包括了含氮堿基、脫氧核糖和磷酸基團(tuán)三個(gè)部分，于是可以推測(cè)脫氧核糖核苷酸之間的連接方式、模型構(gòu)象等對(duì)DNA分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用。

生物學(xué)模型辯證觀的建立讓學(xué)生自主的建模過(guò)程更有依據(jù)，所以當(dāng)學(xué)生了解了DNA的功能特點(diǎn)時(shí)，接下來(lái)就可以通過(guò)合作學(xué)習(xí)進(jìn)行模型建構(gòu)了。在生物課堂中開(kāi)展學(xué)生合作學(xué)習(xí)、自主建模的教學(xué)方式相對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)更易于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)生以一個(gè)探究者的身份而不是旁觀者的身份來(lái)參與到學(xué)習(xí)活動(dòng)中去，可以充分培養(yǎng)思維探究能力。

2 評(píng)價(jià)中校準(zhǔn)，深入理解

教學(xué)方式應(yīng)當(dāng)圍繞學(xué)生的思維進(jìn)行，并在互動(dòng)中促進(jìn)知識(shí)的內(nèi)化吸收。雖然有了之前的辯證觀建立，但實(shí)際情況中學(xué)生分組建構(gòu)的模型仍是參差不齊的，故教師宜采取對(duì)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)來(lái)輔助學(xué)生準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)生物模型。在逆向教學(xué)主線設(shè)計(jì)的課堂中，教師就可以根據(jù)學(xué)生分組所建構(gòu)的生物模型，分層次找出其建構(gòu)的分歧點(diǎn)，然后可以通過(guò)學(xué)生剛剛了解的功能特點(diǎn)進(jìn)行講解，以促進(jìn)學(xué)生對(duì)該生物學(xué)模型的全面理解。將DNA的分子結(jié)構(gòu)根據(jù)學(xué)生建模的分歧點(diǎn)進(jìn)行分層：一條鏈上核苷酸間的連接→DNA是單鏈還是雙鏈→堿基在內(nèi)側(cè)還是外側(cè)→堿基之間的連接→DNA分子如何構(gòu)成立體結(jié)構(gòu)為線索進(jìn)行評(píng)價(jià)，并依據(jù)DNA分子的穩(wěn)定性對(duì)這些要點(diǎn)制定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。具體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.1 評(píng)價(jià)一條鏈上核苷酸的連接

對(duì)于一條鏈上的核苷酸，學(xué)生建構(gòu)出來(lái)的模型可能是兩個(gè)磷酸基團(tuán)之間的連接，或者是兩個(gè)相鄰堿基之間的連接，也有可能是相鄰的兩個(gè)脫氧核苷酸之間的相連等等。但通過(guò)化學(xué)分析，可知是脫氧核苷酸的3號(hào)碳原子和相鄰的脫氧核苷酸的磷酸基團(tuán)之間通過(guò)磷酸二酯鍵將脫氧核苷酸連接成長(zhǎng)鏈，使脫氧核糖核苷酸鏈保持穩(wěn)定，以此作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 評(píng)價(jià)DNA是單鏈還是雙鏈

關(guān)于DNA是由單鏈還是雙鏈構(gòu)成的，學(xué)生也會(huì)有不同的推測(cè)，建構(gòu)模型時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)三鏈的形式。但DNA作為生物的遺傳物質(zhì)要保持遺傳信息的穩(wěn)定性，就需要形成雙螺旋的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如果DNA是單鏈則容易發(fā)生變異，不利于遺傳信息的穩(wěn)定傳遞，即采用“遺傳信息的穩(wěn)定性”作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 評(píng)價(jià)堿基在內(nèi)側(cè)還是外側(cè)

已經(jīng)建構(gòu)完成的DNA是雙脫氧核苷酸鏈，接下來(lái)就要評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)堿基位置的構(gòu)建。學(xué)生可能將堿基放置在外側(cè)，可能都放置在內(nèi)側(cè)，也有可能一條鏈上的堿基在內(nèi)側(cè)，另一條鏈的堿基在外側(cè)。但DNA分子的特異性在于堿基特定的排列順序，它承載著生物極其重要的遺傳信息，而將堿基放在雙鏈的內(nèi)側(cè)則有利于保護(hù)遺傳信息的穩(wěn)定，這樣的建構(gòu)才是合理的。endprint

2.4 評(píng)價(jià)堿基之間的連接

對(duì)于堿基之間的連接方式，則需要從兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)：① 堿基之間互補(bǔ)配對(duì)的方式，腺嘌呤對(duì)應(yīng)的是胸腺嘧啶，鳥(niǎo)嘌呤對(duì)應(yīng)的是胞嘧啶。因?yàn)锳-T堿基對(duì)和G-C堿基對(duì)具有相同的形狀和直徑，這樣構(gòu)建的DNA分子才具有相等的直徑。② 配對(duì)的兩個(gè)堿基之間是通過(guò)氫鍵相互連接的，A=T，G≡C。這樣的連接方式在DNA分子的中間對(duì)雙鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加固，使其更加的穩(wěn)定。

2.5 評(píng)價(jià)DNA分子如何構(gòu)成立體結(jié)構(gòu)

之前的四個(gè)評(píng)價(jià)分歧點(diǎn)都是針對(duì)DNA分子平面結(jié)構(gòu)建構(gòu)的，接下來(lái)就要對(duì)學(xué)生建構(gòu)的DNA分子的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。大部分學(xué)生都能夠建構(gòu)出DNA分子螺旋化的結(jié)構(gòu)，但是會(huì)出現(xiàn)左螺旋和右螺旋的兩種情況。根據(jù)1953年沃森和克里克提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，他們構(gòu)造出一個(gè)右手性的雙螺旋結(jié)構(gòu)，即DNA的兩條鏈逆向平行伸展，圍繞同一中心軸盤(pán)繞呈右手雙螺旋。DNA分子通過(guò)右手性雙螺旋后形成了立體的空間結(jié)構(gòu)，使其更加牢固，遺傳信息的穩(wěn)定得以保證。

教師以“一個(gè)合理、完善的DNA分子模型應(yīng)該具備怎樣的特點(diǎn)”導(dǎo)入，并對(duì)每一組的模型進(jìn)行打分，模型建構(gòu)活動(dòng)順應(yīng)了兒童好動(dòng)與好奇的天性，讓學(xué)生在表現(xiàn)欲與求勝欲的驅(qū)動(dòng)下，始終保持著高漲的學(xué)習(xí)熱情，展開(kāi)對(duì)生物模型評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的深入思考和討論。根據(jù)學(xué)生所制作的模型間的“矛盾沖突”，教師在問(wèn)題鏈中引導(dǎo)學(xué)生對(duì)模型知識(shí)點(diǎn)的拆分與學(xué)習(xí)，并建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，再讓小組成員進(jìn)行模型校準(zhǔn)，從而讓學(xué)生建立完整而深刻的知識(shí)體系。經(jīng)歷模型評(píng)價(jià)與校準(zhǔn)這一過(guò)程，可以使學(xué)生不間斷地產(chǎn)生認(rèn)知沖突，在疑問(wèn)中反思、頓悟，以完善學(xué)生對(duì)生物模型的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)，最終培養(yǎng)其勤學(xué)善思、勇于質(zhì)疑的科學(xué)態(tài)度，樹(shù)立起牢固的唯物主義辯證觀。

3 科學(xué)史探究，精神培育

教學(xué)主線的逆向在模型校準(zhǔn)中得以體現(xiàn)，但是模型校準(zhǔn)中一個(gè)個(gè)評(píng)價(jià)要點(diǎn)對(duì)應(yīng)了的不僅僅是學(xué)生的思維分歧點(diǎn)，也曾經(jīng)是科學(xué)家探究過(guò)程中爭(zhēng)論不休的地方。任何一個(gè)生物模型的建立都是幾代科學(xué)家用心血與智慧所鑄就的，所以在進(jìn)行生物模型課的課堂小結(jié)時(shí)，教師需要教給學(xué)生的不僅僅是記憶生物學(xué)模型的要點(diǎn)，更應(yīng)該讓學(xué)生結(jié)合生物學(xué)模型探究的科學(xué)史，了解科學(xué)探究的方法，銘記科學(xué)家們的歷史貢獻(xiàn)，并培育學(xué)生的科學(xué)探究精神。

例如在講授DNA分子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)時(shí)，教師在學(xué)生已經(jīng)校準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上，以設(shè)置問(wèn)題鏈的形式讓學(xué)生去了解：模型建構(gòu)的方法起源于哪里？磷酸二酯鍵的存在又是誰(shuí)提出的？雙螺旋、堿基在內(nèi)側(cè)決定的反向平行又是根據(jù)什么科學(xué)依據(jù)得出的？堿基互補(bǔ)配對(duì)并由氫鍵連接是誰(shuí)發(fā)現(xiàn)的？借助物理的衍射圖譜、化學(xué)的結(jié)構(gòu)分析，這一系列問(wèn)題的解決才形成了沃森與克里克的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。這一過(guò)程繪制出DNA分子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)的科學(xué)史，具體如圖2所示。以這樣的圖告知學(xué)生，科研既是競(jìng)賽又是合作，更是多學(xué)科的交叉融合與幾代人的智慧結(jié)晶，從而培育學(xué)生的科研精神。

教學(xué)反思與總結(jié)：生物學(xué)模型的講解中，要么講授其探究發(fā)現(xiàn)過(guò)程，要么側(cè)重于功能與結(jié)構(gòu)適應(yīng)性。一線教師往往采用將科學(xué)史探究故事講解置于前面，先讓學(xué)生了解整個(gè)生物學(xué)模型的探究過(guò)程，再講述生物學(xué)模型的特點(diǎn)讓學(xué)生記憶。這樣的教學(xué)方式采用了正向教學(xué)主線的一般策略，側(cè)重于知識(shí)的記憶與科學(xué)探究方式的學(xué)習(xí)。而逆向教學(xué)主線與教學(xué)案例，則一反常態(tài)讓學(xué)生先了解生物模型的辯證觀，再通過(guò)逆向思維讓學(xué)生建構(gòu)模型，條分縷析評(píng)價(jià)模型。在學(xué)生對(duì)知識(shí)本身與知識(shí)背后的內(nèi)涵有了一定了解后，再結(jié)合模型特點(diǎn)解讀模型建構(gòu)的科學(xué)史，以培育學(xué)生的科學(xué)精神。該教學(xué)方式充分體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位，注重科學(xué)知識(shí)、科學(xué)探究能力、科學(xué)精神三方面的培養(yǎng)，可以在一線教學(xué)中推廣應(yīng)用，但需要教師對(duì)教學(xué)節(jié)奏與內(nèi)容穿插上的合理安排。

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