例談建模過程對概念生成的作用

徐丁輝

【摘 要】本文以“DNA分子結(jié)構(gòu)”一節(jié)的教學(xué)為例，闡述構(gòu)建模型對于抽象概念的簡單化、形象化、具體化的作用，通過討論模型建構(gòu)歷程，引導(dǎo)學(xué)生借助物理模型展開探究，主動構(gòu)建核心知識。

【關(guān)鍵詞】模型建構(gòu)；DNA分子結(jié)構(gòu)；構(gòu)建歷程

模型作為一種認(rèn)識手段和思維方式，是科學(xué)認(rèn)識過程中抽象化與具體化的辯證統(tǒng)一。建立模型的過程，是一個思維與行為相統(tǒng)一的過程。在現(xiàn)代生物學(xué)研究中經(jīng)常使用模型方法，通過尋找變量之間的關(guān)系，構(gòu)建模型，然后依據(jù)模型進(jìn)行推導(dǎo)、計算，作出預(yù)測。借助模型開展教學(xué)，不僅可以將陌生的、非直觀的和不確定的事物及思想轉(zhuǎn)換為熟悉的、直觀的、確定的東西，從而形成科學(xué)概念。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)過程就是一個非常典型的例子。

筆者結(jié)合科學(xué)家構(gòu)建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的故事，沿著科學(xué)家的歷程，闡述采用建模方法進(jìn)行教學(xué)的設(shè)計思路和體會。

1.教材分析

“DNA分子結(jié)構(gòu)”位于人教版必修二第三章第2節(jié)。在構(gòu)建模型的探究活動中，教師要引導(dǎo)學(xué)生開展分組學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)，積極參加討論交流，不斷發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，讓學(xué)生在自我創(chuàng)造中獲取DNA分子結(jié)構(gòu)的特點和DNA分子的特性。為學(xué)生理解DNA分子的穩(wěn)定性，學(xué)習(xí)DNA復(fù)制、基因的表達(dá)、基因突變、基因工程等知識打下堅實的基礎(chǔ)，因此，本節(jié)內(nèi)容在高中生物知識體系中起著承上啟下的作用。

2.學(xué)情分析

根據(jù)皮亞杰的兒童認(rèn)知發(fā)展階段論，高中學(xué)生思維達(dá)到了一定的抽象邏輯推理水平，具備較好的認(rèn)知能力、觀察分析能力及自主學(xué)習(xí)能力。通過《生物膜流動鑲嵌模型》《酶本質(zhì)探索》《光合作用的探究歷程》等科學(xué)史的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)基本具備從材料中分析、獲取信息的能力；《嘗試制作真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型》《建立減數(shù)分裂中染色體變化的模型》等模型的構(gòu)建學(xué)習(xí)訓(xùn)練了學(xué)生的動手能力，拓展遷移的能力，因此，借助一些素材，搭建模型，對學(xué)生進(jìn)一步提高這些能力有莫大的幫助。

3.構(gòu)建活動的設(shè)計及意圖

為培養(yǎng)學(xué)生的理性思維，減輕其認(rèn)知負(fù)荷，幫助其理解得出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的抽象過程，有效建構(gòu)模型，體現(xiàn)“以學(xué)論教”的生本原則，本課的教學(xué)策略設(shè)計如下：①通過以DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的科學(xué)過程為主線，用分析資料、提問、講授并結(jié)合多媒體演示的方法，得出結(jié)論，根據(jù)得出的結(jié)論一步步構(gòu)建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的物理模型，在科學(xué)史實與抽象概念之間架設(shè)橋梁，有效突破生物核心概念的教學(xué)。②在搭建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型時，通過分組探究活動（4-5個人一組）對DNA的結(jié)構(gòu)分析，鍛煉團(tuán)隊協(xié)作探究的能力，從而改變教師的“一講到底”，學(xué)生積極參與，較好地提高了課堂教學(xué)的效率。

4.教學(xué)過程

4.1情景創(chuàng)設(shè)，開啟探究。展示“DNA鑒定究竟有多神奇”的視頻，了解DNA鑒定過程中人體哪些部位或代謝物能作為DNA鑒定的材料，不僅能引發(fā)學(xué)生的興趣，增加基礎(chǔ)生活常識，讓知識應(yīng)用于生活，亦能成功地引發(fā)前概念，為迅速思考問題做好準(zhǔn)備。設(shè)疑：DNA的功能是由什么決定的？引出本節(jié)課的主題：“DNA的結(jié)構(gòu)”。

4.2模型建構(gòu)一：展示資料1：20世紀(jì)30年代，科學(xué)家認(rèn)識到：組成DNA分子的基本單位是什么？學(xué)生閱讀并回答：1分子脫氧核糖核苷酸=1分子磷酸+1分子脫氧核糖+1分子含氮堿基。學(xué)生畫出一個脫氧核糖核苷酸的結(jié)構(gòu)圖。教師展示正確結(jié)構(gòu)圖，并對照材料說明，讓學(xué)生分組搭建單個脫氧核糖核苷酸，繼而搭建多個。結(jié)束后教師還可通過提問補(bǔ)充如5號碳等知識。

設(shè)計意圖：通過讓學(xué)生回顧已學(xué)內(nèi)容“DNA分子的基本單位”，通過先畫簡圖，再利用材料搭建基本單位，在搭建過程中，不同組學(xué)生搭建可能會有錯誤，通過展示，認(rèn)識錯誤并修正。

4.3模型建構(gòu)二：展示資料：DNA是由許多個脫氧核糖核苷酸連接而成的長鏈。教師可繼續(xù)設(shè)置問題：剛才的這些脫氧核糖核苷酸如何連接成單鏈呢？同學(xué)們是否可以嘗試拼接DNA的一條單鏈？比一比哪組連得最快？等問題來激起學(xué)生興趣。

設(shè)計意圖：放手讓學(xué)生自行搭建，由于每一位學(xué)生都是一個獨立的理想體，這也就意味著學(xué)生構(gòu)建的DNA單鏈會有所不同，可先不點明，為后面DNA結(jié)構(gòu)的多樣性埋下伏筆。還有的組的學(xué)生已經(jīng)將兩條DNA鏈都搭建好了，教師也不必指出，進(jìn)一步構(gòu)建過程中學(xué)生自然會發(fā)現(xiàn)有的兩條鏈無法配對，允許犯錯，知識的記憶才會更深刻。

4.4模型建構(gòu)三：先展示資料：沃森和克里克以威爾金斯和其同事富蘭克林提供的DNA衍射圖譜有關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，推算出DNA分子呈螺旋結(jié)構(gòu)。

繼續(xù)設(shè)疑：哪種螺旋結(jié)構(gòu)呢？教師可接著展示DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的構(gòu)建過程預(yù)習(xí)單，讓學(xué)生自主閱讀書本，小組討論，完成預(yù)習(xí)單。然后讓學(xué)生分組討論得到的信息，去搭建完整模型。搭建完成后，由幾組上臺展示自己的成果，總結(jié)自己組構(gòu)建模型的想法，并嘗試結(jié)合模型描述DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要特點。

設(shè)計意圖：①雙螺旋結(jié)構(gòu)的構(gòu)建過程中，主要是想放手讓學(xué)生更多地參與活動，所以不必多講，讓學(xué)生在不斷的發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷修正模型的過程中形成正確的知識點，組合出DNA結(jié)構(gòu)的主要特點。②在整個教學(xué)過程，尤其是構(gòu)建空間結(jié)構(gòu)這個教學(xué)環(huán)節(jié)，有關(guān)DNA分子結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識都由小組討論得出，留給每個組更多空間，更多自我展示的時間，能夠夠充分體現(xiàn)學(xué)生的主體地位。在一組學(xué)生講，另一組學(xué)生的補(bǔ)充修正中，核心概念的印象會更深，且不容易遺忘。在充滿成就感、和諧的課堂氛圍中，在老師的鼓勵和同學(xué)的欣賞中找到自信，體驗了成功的樂趣，加強(qiáng)了學(xué)習(xí)生物的興趣。

5.教學(xué)反思

在整個教學(xué)中，筆者將DNA結(jié)構(gòu)模型的建構(gòu)過程分解，以科學(xué)家的探索歷程為主線，從“基本單位—單鏈—平面雙鏈—立體空間結(jié)構(gòu)”逐步探究深入，由簡單到復(fù)雜，符合學(xué)習(xí)的認(rèn)知規(guī)律，學(xué)生學(xué)起來有層次，有章法，有利于學(xué)生構(gòu)建脫氧核苷酸的結(jié)構(gòu)和DNA的結(jié)構(gòu)的核心概念。

在搭建模型過程中，學(xué)生就會自然的了解DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要特點，等模型建構(gòu)完后，由小組內(nèi)分析討論得出，將原來一節(jié)教師講授為主的課變?yōu)閷W(xué)生的自己發(fā)現(xiàn)，自己概括，學(xué)生既動手又動腦，印象深刻。

該套模型模型教具顏色豐富，可操作性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的趣味性，可較好地引起學(xué)生興趣，一改往常對生物學(xué)教具興趣缺乏的現(xiàn)象。該套教具的不足之處是，脫氧核糖的模型最好能制作出5號碳的位置，以便于學(xué)生理解識記。

通過以科學(xué)探究活動為支撐點的建模過程，是落實生物學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的一條有效途徑，可以幫助學(xué)生從感性知識上升到理論分析，構(gòu)建科學(xué)概念，并能對照模型闡述DNA結(jié)構(gòu)的特點。將這一本身較為抽象的知識，通過模型建構(gòu)的形式展示出來，學(xué)生在拼接模型的過程中，獲取屬于自己的直觀性經(jīng)驗，更容易讓學(xué)生記憶深刻，在體驗中獲得的知識才能融入自己的知識體系中去。

【參考文獻(xiàn)】

[1]邢紅軍.論科學(xué)教育中的模型方法教育.教育研究，1997年第7期1997：53～56

[2]陶睿.可拼接DNA教具的制作.生物學(xué)教學(xué)，2018（2）：35