例談基于APOS理論的生物學(xué)概念教學(xué)策略

張祥

“一個概念，幾點(diǎn)強(qiáng)調(diào)”的概念教學(xué)在常態(tài)課中屢見不鮮。造成這種現(xiàn)象的主要原因是教師自身的本體性知識不足，尤其是對生物學(xué)核心概念形成的來龍去脈不甚了解，對概念的理解和認(rèn)識不夠深刻;同時，教師缺乏一定的概念教學(xué)技能，對概念學(xué)習(xí)的認(rèn)知過程和思維路徑不很清楚，不知如何從學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律出發(fā)開展概念教學(xué)。將APOS理論應(yīng)用到概念教學(xué)中可以彌補(bǔ)目前概念教學(xué)方式的不足。

1 APOS理論簡介

APOS理論是美國數(shù)學(xué)教育家杜賓斯基基于建構(gòu)主義理論提出的學(xué)說。他認(rèn)為：學(xué)生在概念學(xué)習(xí)過程中，只有結(jié)合自身的已有知識經(jīng)驗進(jìn)行主動的有意義建構(gòu)，才能理解所學(xué)概念，并將其納入已有的認(rèn)知圖式。學(xué)生學(xué)習(xí)概念就是要建構(gòu)心智結(jié)構(gòu)，這一建構(gòu)過程一般要經(jīng)歷四個階段：操作或活動（ ac-tion）階段、過程（process）階段、對象（object）階段、圖式（scheme）階段，簡稱APOS理論。

操作（活動）階段：讓學(xué)生大量參與到事先設(shè)計好的相關(guān)活動中，直接或間接地體驗與相關(guān)生物學(xué)概念相關(guān)聯(lián)的情境。在大量的活動、操作、參與中，學(xué)生對觀察到的客觀現(xiàn)象產(chǎn)生模糊的心理認(rèn)知。此階段也稱為概念的初步建構(gòu)階段。

過程階段：讓學(xué)生對“操作活動”進(jìn)行思考，通過觀察、分析、比較和整合，經(jīng)歷思維的內(nèi)化和壓縮過程，歸納提煉出活動中概念所特有的性質(zhì)，從而初步形成概念的一般定義的“過程”。此階段也稱為概念的提煉與形成階段。

對象階段：是對“活動”與“過程”的升華，通過對原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的調(diào)整，使學(xué)生意識到可以將“過程”看成一個整體。在對這一整體在生物學(xué)情境中變形、轉(zhuǎn)換時，學(xué)生就會對概念認(rèn)知過程進(jìn)行簡約與提取，賦予其形式化的含義，此時“過程”便凝聚成了“對象”。此階段也稱為概念的符號性表征。

圖式階段：通過對先前的操作過程和對象與學(xué)生頭腦中已有的圖式進(jìn)行相應(yīng)的整合，建構(gòu)更為復(fù)雜的概念體系，形成全新的圖式以應(yīng)對與這一概念相聯(lián)系的各種新的問題情境。此階段也稱為概念的網(wǎng)絡(luò)體系建構(gòu)。

2 基于APOS理論的生物概念教學(xué)實例

下面以人教版高中生物《必修2.遺傳與進(jìn)化》第三章第二節(jié)“DNA分子的結(jié)構(gòu)”一節(jié)概念教學(xué)為例來說明APOS理論在概念教學(xué)中的應(yīng)用?！癉NA分子的結(jié)構(gòu)”一節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)既是對減數(shù)分裂及孟德爾遺傳定律內(nèi)容的深化，也是學(xué)習(xí)整個遺傳與變異內(nèi)容的基礎(chǔ)。通過前一節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)知道了DNA是遺傳物質(zhì)。那么，DNA分子是如何儲存遺傳信息的？是如何保持遺傳信息的穩(wěn)定傳遞與表達(dá)的？根據(jù)結(jié)構(gòu)決定功能原理，首先要弄清DNA分子的結(jié)構(gòu)。

DNA分子結(jié)構(gòu)的研究與發(fā)現(xiàn)蘊(yùn)含著生物學(xué)研究的重要方法——模型建構(gòu)，所以運(yùn)用APOS理論設(shè)計教學(xué)過程既可以引導(dǎo)學(xué)生在概念形成過程中習(xí)得生物學(xué)方法，深化對概念的理解，也可以讓學(xué)生認(rèn)識到概念所體現(xiàn)的生物學(xué)思想。

2.1操作（活動）階段

教師 設(shè)計一系列使內(nèi)隱的概念外顯的活動，使學(xué)習(xí)者體現(xiàn)概念的形成。生物學(xué)重要概念的形成應(yīng)該建立在學(xué)生親身體驗、動手操作、深度思考的基礎(chǔ)上。

探究I了解科學(xué)家發(fā)現(xiàn)DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的科學(xué)史。

①閱讀教材P47-48中科學(xué)家建構(gòu)DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的故事。②補(bǔ)充其他科學(xué)家如查哥夫、鮑林、弗雷澤、薛定諤等科學(xué)家對DNA分子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)過程的重要作用。教師引導(dǎo)學(xué)生了解不同科學(xué)家的貢獻(xiàn)，總結(jié)出沃森和克里克為何最終能夠構(gòu)建出DNA分子結(jié)構(gòu)模型的原因，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神及團(tuán)隊合作意識。

活動I構(gòu)建DNA分子結(jié)構(gòu)的模型。

①教師播放以DNA結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)歷程為主線的微視頻。②教師要求學(xué)生在白紙上畫出DNA分子結(jié)構(gòu)的平面圖，并小組內(nèi)展示交流。③學(xué)生利用相關(guān)教具，以學(xué)習(xí)小組為單位，合作構(gòu)建DNA分子結(jié)構(gòu)模型。教師引導(dǎo)學(xué)生先制作DNA分子的基本組成單位——脫氧核苷酸，然后啟發(fā)學(xué)生思考核苷酸和DNA的連接方式。通過什么化學(xué)鍵連接？兩條鏈之間又是如何相互連接？小組完成后，教師指導(dǎo)學(xué)生雙手上下分別拿好模型，向右旋轉(zhuǎn)一定角度，構(gòu)成螺旋的空間結(jié)構(gòu)。教師指導(dǎo)學(xué)生觀察雙螺旋結(jié)構(gòu)的外側(cè)與內(nèi)側(cè)的組成，使學(xué)生形成對概念的直觀感知。

2.2 過程階段

學(xué)生通過觀察、分析和比較，歸納抽象出概念所具有的特有性質(zhì)。

探究Ⅱ觀察、討論不同DNA分子的結(jié)構(gòu)共性及特點(diǎn)：①學(xué)生通過閱讀科學(xué)史材料及自制的DNA分子結(jié)構(gòu)模型，討論、概括出DNA分子結(jié)構(gòu)的空間結(jié)構(gòu)及堿基排列、配對的特點(diǎn)。

②學(xué)生利用自制的DNA模型，分析DNA分子的特異性和多樣性。

③在小組交流基礎(chǔ)上，每組派代表全班交流DNA分子成為遺傳物質(zhì)的原因以及遺傳物質(zhì)必須具備的條件。

學(xué)生通過討論，明白DNA分子的特性決定了它能夠成為遺傳物質(zhì)。這種思考、交流、展示有助于學(xué)生對DNA分子結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)的進(jìn)一步內(nèi)化。

2.3 對象階段

學(xué)生通過前兩個階段的活動與內(nèi)化，對DNA分子的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)有了一定的認(rèn)識，賦予了其形式化的定義，使其能達(dá)到精確化，成為一個具體的對象，在后續(xù)學(xué)習(xí)中能以此對象進(jìn)行新的活動。

活動Ⅱ深度理解DNA分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：教師給出關(guān)于DNA分子上堿基數(shù)量的計算問題，要求學(xué)生回答。

通過前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生雖然了解了DNA分子中的堿基互補(bǔ)配對原則，但對于堿基數(shù)量之間的靈活計算，以及與DNA遺傳信息的傳遞、表達(dá)等知識整合到一起時，仍容易混淆。其根本原因是學(xué)生對DNA分子空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的理解不深刻。小組合作學(xué)習(xí)有助于學(xué)生理清堿基之間復(fù)雜的計算規(guī)則。

2.4 圖式階段

在此階段，學(xué)生要建立與其他概念、規(guī)則、圖形以及學(xué)生頭腦中已有認(rèn)知的聯(lián)系，形成綜合的心理圖式，構(gòu)建概念體系。

活動Ⅲ理解DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)有助于保證遺傳信息的穩(wěn)定：①教師提供某一具體DNA與RNA所含有的堿基數(shù)，引導(dǎo)學(xué)生分析出，DNA -般是雙鏈結(jié)構(gòu)，RNA -般是單鏈結(jié)構(gòu)。②學(xué)生分析多種生物遺傳物質(zhì)種類，知道絕大多數(shù)生物的遺傳物質(zhì)是DNA。③學(xué)生分析HIV的資料，解釋HIV病毒易變異、RNA的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的原因。

探究Ⅲ通過鐮刀型細(xì)胞貧血癥發(fā)病機(jī)理的資料分析，學(xué)生通過探究交流了解性狀的改變是因為DNA中遺傳信息改變引起的。

概念教學(xué)的最后階段就是抽象提取概念的本質(zhì)，教師利用資料，引導(dǎo)學(xué)生比較將DNA分子與RNA分子的結(jié)構(gòu)，同時為遺傳信息的表達(dá)以及變異部分的進(jìn)一步學(xué)習(xí)做好鋪墊。這樣才能真正在學(xué)生頭腦中形成新的概念圖式。

3 APOS理論對生物核心概念建構(gòu)的教學(xué)啟示

3.1 注重創(chuàng)設(shè)情境讓學(xué)生參與教學(xué)

創(chuàng)設(shè)相應(yīng)情境讓學(xué)生參與活動是學(xué)生認(rèn)知概念、建構(gòu)概念的起點(diǎn)。在學(xué)習(xí)DNA結(jié)構(gòu)的概念之初，教師展示了北京中關(guān)村高科技園區(qū)的DNA雕塑圖形、雅典奧運(yùn)會上“DNA的燈光秀”等場景，激發(fā)學(xué)生達(dá)成共識：DNA分子是現(xiàn)代高科技的標(biāo)志與象征。學(xué)生通過相關(guān)科學(xué)史的學(xué)習(xí)，明白DNA結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)過程是很多科學(xué)家不懈努力、團(tuán)隊合作的結(jié)果，這一切都激發(fā)了學(xué)生的好奇心。在此基礎(chǔ)上，教師結(jié)合模型制作、交流討論等活動才能讓學(xué)生深度參與概念的建構(gòu)。

3.2 善用比較策略讓學(xué)生內(nèi)化概念本質(zhì)

教師提供多資料，通過不同資料提供的信息引導(dǎo)學(xué)生在比較分析中得出科學(xué)的推論，有助于培養(yǎng)學(xué)生求同、求異思維，有助于學(xué)生加深對生物學(xué)概念本質(zhì)的理解和把握。例如，學(xué)生比較不同種生物的遺傳物質(zhì)及不同DNA、RNA等堿基信息，進(jìn)行推理;通過對DNA結(jié)構(gòu)模型的建構(gòu)比較，對DNA的空間結(jié)構(gòu)有了清晰而全面的認(rèn)識和理解。教師利用APOS理論開展生物學(xué)概念教學(xué)時，善用比較策略，有助于學(xué)生在新舊知識、不同知識之間架構(gòu)聯(lián)系，從而在頭腦中形成新的概念圖式。

3.3 加強(qiáng)教師對概念本質(zhì)及內(nèi)涵的深刻理解是前提

APOS的4個階段不是截然分開的，每個階段的活動均有所側(cè)重：活動階段側(cè)重多元表征、體驗感悟;過程階段側(cè)重問題驅(qū)動、抽象概括;對象階段側(cè)重總結(jié)提煉、實時辨析;圖式階段側(cè)重變式建構(gòu)、多元聯(lián)系。能深刻準(zhǔn)確地進(jìn)行生物學(xué)概念教學(xué)的前提是教師必須對概念的本質(zhì)內(nèi)涵有深刻理解。教師要善于從多層次、多角度將相關(guān)的知識內(nèi)容通過課程資源的形式提供給學(xué)生，讓學(xué)生通過自主分析、小組討論、大組交流等構(gòu)建這些知識之間的關(guān)聯(lián)。教師只是在恰當(dāng)?shù)臅r候加以點(diǎn)撥，讓學(xué)生在已有知識概念的基礎(chǔ)上完成與新概念的交聯(lián)與互化。最終，在遺傳與變異學(xué)完后，教師可以以DNA為核心，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建一張完整的、復(fù)雜的概念圖式，學(xué)生對遺傳與變異的認(rèn)識更深刻、全面。

總之，將APOS理論應(yīng)用于生物學(xué)概念教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究等核心素養(yǎng)，也有助于教師在新課程理念下開展深度學(xué)習(xí)、提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識與能力。