“泡開(kāi)”生物學(xué)核心的概念、原理和問(wèn)題
——再論“兩次倒轉(zhuǎn)”教學(xué)機(jī)制的應(yīng)用關(guān)鍵

吳開(kāi)其 張 晉

(四川省瀘縣第二中學(xué) 瀘州 646100)

“第一次倒轉(zhuǎn)”是將人類認(rèn)識(shí)的終點(diǎn)定為學(xué)生認(rèn)識(shí)的起點(diǎn)，“第二次倒轉(zhuǎn)”是學(xué)生再認(rèn)識(shí)的過(guò)程，將關(guān)鍵的、有意義的環(huán)節(jié)進(jìn)行邏輯的、結(jié)構(gòu)的、系統(tǒng)的、有目的展開(kāi)，實(shí)現(xiàn)將人類的認(rèn)識(shí)成果轉(zhuǎn)化成自身的力量[1]，包括建立生命觀念，學(xué)會(huì)問(wèn)題解決，體驗(yàn)科學(xué)探究。過(guò)程中新內(nèi)容的學(xué)習(xí)就像茶葉一樣“泡開(kāi)”的過(guò)程，自然實(shí)現(xiàn)生物學(xué)核心素養(yǎng)培養(yǎng)[2]。

1 “浸潤(rùn)”： 處于有溫度的課堂中

當(dāng)教學(xué)以核心的概念、原理和問(wèn)題高位入手進(jìn)行“第一次倒轉(zhuǎn)”后,需要一個(gè)有溫度的課堂，它能讓學(xué)生調(diào)整出最佳的身心狀態(tài)去接納新知識(shí)，開(kāi)啟認(rèn)識(shí)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)與新知識(shí)溫和對(duì)接，由此才能更好地對(duì)核心的概念、原理和問(wèn)題展開(kāi)學(xué)習(xí)和討論。對(duì)于生物學(xué)科，課堂應(yīng)具備以下一些特點(diǎn)：

1.1 有生物科學(xué)藝術(shù)之美的課堂 除了自然界形形色色的生命體之美，課堂中呈現(xiàn)的一張電鏡下拍攝的受精作用圖，一段靈動(dòng)的減數(shù)分裂過(guò)程，一個(gè)規(guī)則的雙螺旋DNA模型，一個(gè)神奇的無(wú)性繁殖現(xiàn)象，一種精細(xì)的物質(zhì)間信息交流方式，都是課堂上為學(xué)生展現(xiàn)科學(xué)藝術(shù)美的重要方式，課堂中需要將發(fā)現(xiàn)美的眼鏡向其聚焦。

1.2 有生物科學(xué)歷史韻味的課堂 例如在講果蠅的伴性遺傳時(shí)，給學(xué)生以講故事方式敘事摩爾根與果蠅的緣分，講述最開(kāi)始科學(xué)家受拉馬克“用進(jìn)廢退”思想影響，將果蠅于黑暗和有色光照下培養(yǎng)研究，講述摩爾根珍惜的那只突變白眼果蠅產(chǎn)生，到最后白眼雄蠅精神抖擻死去的過(guò)程。又如當(dāng)一名教師聲情并茂地朗誦著“八年耕耘源于對(duì)科學(xué)的癡迷，一畦畦豌豆蘊(yùn)藏的秘密……”時(shí)，由此開(kāi)啟對(duì)150多年前豌豆植物雜交試驗(yàn)足跡的追尋。

1.3 有生物科學(xué)情境再現(xiàn)的課堂 例如，研究胚芽鞘向光彎曲實(shí)驗(yàn)，直接讓學(xué)生在教室培養(yǎng)玉米胚芽鞘，并觀察胚芽鞘生長(zhǎng)，再現(xiàn)研究情景。又如，課堂上進(jìn)行色盲測(cè)試，統(tǒng)計(jì)出班上32名男同學(xué)有2名患色盲，基本滿足理論概率0.7%，讓學(xué)生思考原因。

2 “舒展”： 核心的概念、原理和問(wèn)題的生長(zhǎng)

2.1 生物學(xué)科思想引領(lǐng)完成核心概念的延伸 平時(shí)，無(wú)機(jī)物、細(xì)胞器、蛋白質(zhì)、核酸、內(nèi)環(huán)境、激素、種群、生態(tài)系統(tǒng)這類概念的教學(xué)，通常讓學(xué)生構(gòu)建概念框架常用的方法是逐個(gè)章節(jié)篩查、遴選的方法，概念關(guān)系構(gòu)建比較機(jī)械。建議以生物學(xué)思想和方法引領(lǐng)概念關(guān)系構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)核心概念的生長(zhǎng)。例如，將生命觀念的“物質(zhì)—結(jié)構(gòu)—功能—運(yùn)行”觀念和生物信息論思想相結(jié)合，以蛋白質(zhì)、DNA為核心概念，引導(dǎo)學(xué)生建立起的相應(yīng)概念圖(圖1)。再如，二元對(duì)立思想在對(duì)概念關(guān)系構(gòu)建的指引： 當(dāng)談到蛋白質(zhì)合成時(shí)，就應(yīng)想到蛋白質(zhì)分解；當(dāng)談到同化，就應(yīng)想到異化；談到生物因素，就應(yīng)想到非生物環(huán)境因素。關(guān)于“水”，可配對(duì)地想到細(xì)胞中的水和細(xì)胞外的水，身體中的水和生態(tài)環(huán)境中的水、自由水和結(jié)合水，以此實(shí)現(xiàn)概念系統(tǒng)地延伸。

圖1 結(jié)構(gòu)與功能適應(yīng)觀、生物信息論思想指導(dǎo)的概念圖構(gòu)建

2.2 中間比喻幫助核心原理的理解 在“轉(zhuǎn)錄翻譯”“減數(shù)分裂”“呼吸作用”“光合作用”“細(xì)胞免疫”等典型生命活動(dòng)原理或機(jī)制的教學(xué)中，經(jīng)常遇到專業(yè)術(shù)語(yǔ)陌生零碎和原理需完整性教學(xué)之間的矛盾。例如在“基因工程及其應(yīng)用”的教學(xué)時(shí)，如果先講基因工程的工具，再講基因工程的操作流程，那么學(xué)生僅僅是在接觸各種孤立的工具，這樣顯得枯燥無(wú)邏輯。但如果先講基因工程操作步驟學(xué)生又聽(tīng)不懂過(guò)程中出現(xiàn)的專業(yè)詞，這樣容易造成認(rèn)知過(guò)載。同樣的情況也發(fā)生在“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”教學(xué)中，教師對(duì)于先講“密碼子”“反密碼子”這些下位概念還是先講“轉(zhuǎn)錄翻譯”的過(guò)程機(jī)制感到為難。合理利用比喻可解決此矛盾，將核心原理學(xué)習(xí)伸展開(kāi)來(lái)。

首先是高位入手，用通俗言語(yǔ)講解生命活動(dòng)原理或過(guò)程。例如，“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”中“翻譯”活動(dòng)原理的教學(xué)來(lái)說(shuō)，直接呈現(xiàn)“翻譯”的過(guò)程原理，將涉及到的專業(yè)名詞“tRNA”“密碼子”“進(jìn)入位點(diǎn)”暫時(shí)用“攜帶氨基酸的運(yùn)輸工具”“字母編號(hào)”“對(duì)號(hào)入座”形象詞語(yǔ)代替。一些生命活動(dòng)原理暫時(shí)用通俗的語(yǔ)句代替，如“用剪刀將運(yùn)載體剪開(kāi)，把目的基因放到運(yùn)載體缺口，再用針線縫合”“兩個(gè)氨基酸各自將手中的元素扔掉并手拉手的過(guò)程叫做脫水縮合”和“攜帶氨基酸的運(yùn)輸工具對(duì)應(yīng)mRNA上的字母編號(hào)對(duì)號(hào)入座到場(chǎng)所的椅子上”這樣的語(yǔ)句。

其次是自學(xué)專業(yè)術(shù)語(yǔ)。在熟悉基本原理基礎(chǔ)上，教師出比喻詞，學(xué)生有目的地結(jié)合教材自學(xué)專業(yè)術(shù)語(yǔ)。并且小組合作將之前原理敘述中通俗化的詞語(yǔ)替換為專業(yè)術(shù)語(yǔ)，組內(nèi)合作調(diào)整和組織語(yǔ)言呈現(xiàn)對(duì)原理的理解。例如，“翻譯”原理解釋的語(yǔ)句替換為“攜帶氨基酸的tRNA通過(guò)反密碼子和密碼子的配并對(duì)安置在核糖體的位點(diǎn)1”。

再次是展示交流，小組代表用專業(yè)術(shù)語(yǔ)，結(jié)合繪圖、板書甚至模型展示重新講解生命活動(dòng)的原理或機(jī)制。同時(shí)需要小組利用專業(yè)術(shù)語(yǔ)、原理去重新解釋生物學(xué)事實(shí)，例如，讓小組用專業(yè)術(shù)語(yǔ)解釋“密碼子的簡(jiǎn)并性”和“多聚核糖體條件下的翻譯結(jié)果”。

2.3 自主探究著力核心問(wèn)題的解決 一些涉及科學(xué)探究或假說(shuō)推理的教學(xué)，一線課堂常采用所謂的“問(wèn)題串”一步一步引導(dǎo)學(xué)生探究，問(wèn)題隨著學(xué)習(xí)逐一呈現(xiàn)但造成“牽著”學(xué)生走。有的課堂將多個(gè)問(wèn)題全部呈現(xiàn)，又造成學(xué)生認(rèn)知恐慌，被問(wèn)題“壓著”走。

例如，在證明“基因在染色體上”的教學(xué)中，教師設(shè)置了許多與核心問(wèn)題之間具有邏輯關(guān)系的子問(wèn)題，借助摩爾根實(shí)驗(yàn)背景，提出問(wèn)題串：“控制眼色的基因?yàn)轱@性還是隱形？控制眼色的基因位于常染色體還是性染色體上？位于性染色體的X染色體還是Y染色體？位于X染色體的同源區(qū)段還是非同源區(qū)段？”這些問(wèn)題看似非常具有邏輯關(guān)系并引導(dǎo)學(xué)生一步一步深入思考，但學(xué)生或是在欣賞問(wèn)題邏輯，或是在被問(wèn)題拖動(dòng)學(xué)習(xí)。因此，類似探究性問(wèn)題解決需注重兩個(gè)關(guān)鍵： ①多個(gè)問(wèn)題精簡(jiǎn)成一個(gè)核心問(wèn)題。確立問(wèn)題和問(wèn)題表征，聯(lián)系原有相關(guān)的問(wèn)題解決方式，確立問(wèn)題解決所需的思維方式，接著呈現(xiàn)問(wèn)題解決的材料，實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的表征。以上述“基因在染色體上”教學(xué)為例，本節(jié)課其實(shí)需要解決的核心問(wèn)題就是仿照孟德?tīng)柌捎玫募僬f(shuō)—演繹法，根據(jù)摩爾根實(shí)驗(yàn)背景完成控制眼色基因遺傳機(jī)制的證明。②圍繞核心問(wèn)題構(gòu)建自主探究。一方面，在確定核心問(wèn)題條件下，教師需為學(xué)生提供問(wèn)題解決的材料或條件，例如關(guān)于上述的“基因在染色體上”一節(jié)教學(xué)，由于摩爾根的實(shí)驗(yàn)不可能在課堂中真實(shí)再現(xiàn)，因此需要將其“蠅室”中完成的實(shí)驗(yàn)以材料形式展現(xiàn)出來(lái)[3]，學(xué)生只需根據(jù)第一個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析或憑借直覺(jué)的思維可作出假設(shè)，依據(jù)后三個(gè)“驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)”進(jìn)一步進(jìn)行演繹推理即可(圖2)。從而學(xué)生自己根據(jù)假設(shè)和實(shí)驗(yàn)證據(jù)形成內(nèi)部心理對(duì)話：“若假設(shè)成立需要滿足實(shí)驗(yàn)證據(jù)，如不滿足則需要更改假設(shè)”，這樣在“試誤”中不斷確信或修正自己的假說(shuō)。另一方面，問(wèn)題的自然生成，探究過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生自己提出來(lái)并主動(dòng)解決問(wèn)題。例如在探究“酵母菌呼吸方式”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，組織學(xué)生小組間相互質(zhì)疑，學(xué)生會(huì)自然提出“怎樣保證瓶子中酵母菌只進(jìn)行有氧呼吸？”“我采用不加酵母菌的培養(yǎng)液作為對(duì)照排除空氣中CO2的影響?！边@樣的問(wèn)題或解決方案。

圖2 “基因在染色體上”教學(xué)中核心問(wèn)題的設(shè)計(jì)

3 “還原”： 回歸促進(jìn)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的教與學(xué)

筆者認(rèn)為，核心概念的展開(kāi)與延伸伴隨著“生命觀念”等生物學(xué)思想的逐漸形成；核心問(wèn)題的解決需要?dú)v經(jīng)一次次“科學(xué)探究”過(guò)程；核心原理的理解還依靠“科學(xué)思維”對(duì)信息各種形式的加工。促進(jìn)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的本真課堂必定是有利于核心的概念、原理和問(wèn)題“泡開(kāi)”的課堂教學(xué)，學(xué)生在這樣的課堂教學(xué)中能獲得促進(jìn)自身發(fā)展的機(jī)會(huì)和動(dòng)力。

3.1 學(xué)生能積極參與和互動(dòng) 問(wèn)題解決的跟進(jìn)、知識(shí)的生長(zhǎng)、核心概念和原理的展開(kāi)，最終學(xué)生需要在學(xué)習(xí)共同體(小組或班級(jí))形成共同知識(shí)，并對(duì)公共知識(shí)持續(xù)改進(jìn)[4]，核心的概念、原理和問(wèn)題的“泡開(kāi)”，伴隨著課堂由自主學(xué)習(xí)的“靜”到相互切磋的“動(dòng)”： ①臺(tái)下到臺(tái)上的互學(xué)過(guò)渡。正如前面的例子“基因在染色體上”一節(jié)的教學(xué)，當(dāng)學(xué)生對(duì)比自己的假設(shè)時(shí)，若發(fā)現(xiàn)不同，勢(shì)必會(huì)問(wèn)對(duì)方是怎么假設(shè)的，怎樣驗(yàn)證的。若相同，大家的探索過(guò)程會(huì)一樣嗎？好奇的學(xué)生會(huì)追問(wèn)：“你怎樣排除白眼基因不在X染色體同源區(qū)段的？”“你是不是隨便猜測(cè)的？”②臺(tái)上展學(xué)時(shí)學(xué)生間智慧的碰撞。面對(duì)學(xué)生的爭(zhēng)辯或達(dá)成的錯(cuò)誤共同知識(shí)，教師可以參入進(jìn)來(lái)，以學(xué)習(xí)者的心態(tài)繼續(xù)對(duì)共識(shí)進(jìn)行修正。學(xué)生之間進(jìn)行相互探討，對(duì)提出的問(wèn)題進(jìn)行深化、質(zhì)疑、評(píng)價(jià)。

3.2 逐漸形成創(chuàng)造未來(lái)歷史的品格和情懷 一方面，體會(huì)經(jīng)典的科學(xué)史中人類認(rèn)識(shí)過(guò)程的意義、方法。也就是在體會(huì)科學(xué)史發(fā)展的艱辛、原有偉大成就的價(jià)值、對(duì)人類發(fā)展的貢獻(xiàn)甚至是現(xiàn)有研究的遺憾中培養(yǎng)對(duì)國(guó)家、人類發(fā)展的“社會(huì)責(zé)任”核心素養(yǎng)。例如在學(xué)習(xí)“血糖平衡”時(shí)，對(duì)我國(guó)人工合成胰島素的歷史背景進(jìn)行介紹，在學(xué)習(xí)微生物時(shí)對(duì)青霉素的發(fā)現(xiàn)背景作介紹，這些都有利于學(xué)生去感悟國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的努力和成就。另一方面，對(duì)生物學(xué)發(fā)展的未來(lái)歷史產(chǎn)生向往。也就是在積極關(guān)注、思考生物學(xué)發(fā)展的前沿、生物學(xué)領(lǐng)域正在攻克的歷史性難題的過(guò)程中培養(yǎng)對(duì)國(guó)家、人類發(fā)展帶有自豪、期許的“社會(huì)責(zé)任”核心素養(yǎng)。例如在講癌細(xì)胞時(shí)，介紹目前治療癌癥的新手段和正在攻克的方向，我國(guó)又是處于怎樣一個(gè)研究水平。在學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)中分解者時(shí)，讓學(xué)生思考分解者在生態(tài)平衡中的作用，給處理城市垃圾帶來(lái)的啟示。

3.3 持續(xù)又一次“倒轉(zhuǎn)”的教與學(xué) 新的學(xué)習(xí)是為下一次學(xué)習(xí)服務(wù)的，新知識(shí)被同化或順應(yīng)后應(yīng)體現(xiàn)其價(jià)值，并開(kāi)啟以新知識(shí)為舊知識(shí)的學(xué)習(xí)。例如，在以“物質(zhì)—結(jié)構(gòu)—功能”為線索進(jìn)行核心概念學(xué)習(xí)后，應(yīng)繼續(xù)在“功能”上探索“運(yùn)行”機(jī)制，“運(yùn)行”機(jī)制的探索可用建模的方式便于分析，這樣先后學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)功能、免疫蛋白的作用機(jī)制、構(gòu)建免疫機(jī)制的模型圖；再如，結(jié)合新學(xué)習(xí)的原理或機(jī)制以應(yīng)用的方式進(jìn)行又一次“倒轉(zhuǎn)”學(xué)習(xí)，基因工程講完后，以該原理為舊知識(shí)還原艾弗里實(shí)驗(yàn)，重新分析當(dāng)時(shí)模糊且抽象的“轉(zhuǎn)化因子”，還可以將基因工程原理為材料延伸基因漂流，不讓學(xué)生在沒(méi)有背景材料去討論基因工程利與弊；又如，在解決核心問(wèn)題“基因在染色體上”后，通過(guò)課堂改組，讓學(xué)生簡(jiǎn)約、經(jīng)典地歷經(jīng)假說(shuō)—演繹過(guò)程?？勺寣W(xué)生以批判的態(tài)度分析摩爾根不可能一口氣想到并做“后三個(gè)”驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，分析摩爾根與果蠅伴性遺傳發(fā)現(xiàn)究竟是怎樣一個(gè)一步一步進(jìn)行的過(guò)程，促使學(xué)生對(duì)果蠅伴性遺傳的歷史進(jìn)一步學(xué)習(xí)，體會(huì)科學(xué)研究的過(guò)程和方法。