例談基于APOS理論的生物學概念教學策略

張祥

摘 ? ?要：生物學概念是學生掌握生物學知識、形成生物學思想與方法以及發(fā)展生物學核心素養(yǎng)的重要載體。APOS理論四階段教學法是在建構(gòu)主義思想指導下的一種概念教學模式。為拓展教師對生物學概念教學的認知與方法，以DNA的結(jié)構(gòu)概念教學為例，具體闡述如何運用APOS理論四階段方法（活動階段、過程階段、對象階段、圖式階段），幫助教師從體驗感悟、抽象概括、實時辨析、變式建構(gòu)等方面引導學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，從而達到感知、理解、內(nèi)化新概念的目的。

關(guān)鍵詞：APOS理論;概念建構(gòu);生物教學

概念是反映事物本質(zhì)屬性的一種思維方式，是對事物進行逐步抽象，去除非本質(zhì)屬性，提煉本質(zhì)屬性的過程。生物學概念是生物學知識的基礎(chǔ)，是形成生物學思想與方法的載體，也是發(fā)展科學思維、培養(yǎng)生命觀念等學科核心素養(yǎng)的重要途徑。很多教師認為，概念就是一種規(guī)定，沒什么好講的，覺得多講概念還不如省出更多時間來進行解題訓練。這樣一種“一個概念，幾點強調(diào)”的概念教學在常態(tài)課中屢見不鮮。造成這種現(xiàn)象的原因主要是教師自身的本體性知識不足，尤其是對生物學核心概念形成的來龍去脈不甚了解，對概念的理解和認識不夠深刻;同時教師缺乏一定的概念教學技能，對概念學習的認知過程和思維路徑不很清楚，不知如何從學生的認知規(guī)律出發(fā)開展概念教學。近年來，相關(guān)學者進行研究，將APOS理論應用到概念教學中可以彌補我們目前概念教學方式的不足。

一、APOS理論簡介

APOS理論是美國數(shù)學教育家杜賓斯基基于建構(gòu)主義理論提出的學說，他認為：學生在概念學習過程中，只有結(jié)合自身的已有知識經(jīng)驗進行主動的有意義建構(gòu)，才能理解所學概念，并將其納入已有的認知圖式。[1]學生學習概念就是要建構(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（action）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)生物學概念相關(guān)聯(lián)的情境。在大量的活動、操作、參與中，學生對觀察到的客觀現(xiàn)象產(chǎn)生模糊的心理認知。此階段也稱為概念的初步建構(gòu)階段。

過程階段：讓學生對“操作活動”進行思考，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。通過對原有認知結(jié)構(gòu)的調(diào)整，使學生意識到可以將“過程”看成一個整體，并可以對這一整體在生物學情境中變形、轉(zhuǎn)換時，學生就會對概念認知過程進行簡約與提取，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階段。

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

二、基于APOS理論的生物概念教學實例

下面以人教版高中生物必修二第三章第二節(jié)“DNA分子的結(jié)構(gòu)”一節(jié)概念教學為例，來說明APOS理論在概念教學中的應用?！癉NA分子的結(jié)構(gòu)”一節(jié)內(nèi)容的學習，既是對減數(shù)分裂及孟德爾遺傳定律內(nèi)容的深化，也是學習整個遺傳與變異內(nèi)容的基礎(chǔ)。通過前一節(jié)內(nèi)容的學習，我們知道了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)定傳遞與表達的？根據(jù)結(jié)構(gòu)決定功能的原理，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)蘊含著生物學研究的重要方法——模型建構(gòu)，所以運用APOS理論設(shè)計教學過程既可以引導學生在概念形成過程中習得生物學方法，深化對概念的理解，也可以讓學生認識到概念所體現(xiàn)的生物學思想。

（一） 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，使學習者體驗概念形成的過程。生物學重要概念的形成應該建立在學生親身體驗、動手操作、深度思考的基礎(chǔ)上。

探究Ⅰ 目的：讓學生了解科學家發(fā)現(xiàn)DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的科學史。

（1）閱讀教材P47～48科學家建構(gòu)DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的故事。

（2）補充其他科學家如和查哥夫、鮑林、弗雷澤、薛定諤等對DNA分子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)過程的重要作用。

教師引導學生了解不同科學家的貢獻，培養(yǎng)學生樹立科學探究精神及團隊合作意識，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。

活動Ⅰ ?目的：通過模型建構(gòu)讓學生深刻理解DNA分子結(jié)構(gòu)的模型。

（3）課堂播放教師課前準備的以DNA結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)歷程為主線的微視頻。

（4）教師要求學生在白紙上根據(jù)自己的認識和理解畫出DNA分子結(jié)構(gòu)的平面圖，并在小組內(nèi)展示交流。

（5）教師提示學生拿出課前分發(fā)的相關(guān)教具，以學習小組為單位，合作構(gòu)建DNA分子結(jié)構(gòu)模型。

教師引導學生先制作DNA分子的基本組成單位——脫氧核苷酸，然后啟發(fā)學生一條脫氧核苷酸鏈中脫氧核苷酸是如何連接的？通過什么化學鍵連接？兩條鏈之間又是如何相互連接？小組完成后，教師指導學生雙手上下分別拿好模型，向右旋轉(zhuǎn)一定角度，形成螺旋，構(gòu)成空間結(jié)構(gòu)。教師指導學生觀察雙螺旋結(jié)構(gòu)的外側(cè)與內(nèi)側(cè)的組成，形成對概念的直觀感知。

（二） 過程階段

過程階段的實質(zhì)是學生對“操作或活動”階段的思考。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 ? 目的：觀察、討論不同DNA分子的結(jié)構(gòu)共性及特點。

（1）各小組的同學通過閱讀科學史材料及自己小組制作的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。

（2）學生分析，當DNA分子中堿基成百上千時DNA分子中的堿基排列順序是千變?nèi)f化的，而每個DNA分子都有獨特的堿基排列順序，這些反映了DNA分子的什么特性？

（3）在小組交流基礎(chǔ)上，每組派代表全班交流DNA分子為什么能夠成為遺傳物質(zhì)？遺傳物質(zhì)必須具備哪些條件？

通過討論，學生明白了不是什么物質(zhì)都可以成為遺傳物質(zhì)的，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、展示有助于學生對DNA分子結(jié)構(gòu)及特點的進一步內(nèi)化。

（三）對象階段

學生通過前兩個階段的活動與內(nèi)化，對DNA分子的結(jié)構(gòu)及特點有了一定的認識，賦予其形式化的定義，使其能達到精確化，成為一個具體的對象，在后續(xù)學習中能以此對象進行新的活動。

活動Ⅱ ?目的：深度理解DNA分子的結(jié)構(gòu)特點。

（1）在DNA分子中，一條鏈上的（A+G）/（T+C）=m，則其互補鏈上（A+G）/（T+C）=？整個DNA分子中呢？

（2）一個DNA分子中，G+C占全部堿基的46%，另一條鏈上A+T占另一條鏈堿基的比是多少？

通過前面的學習，在DNA分子中，學生雖然都知道堿基A的數(shù)量等于堿基T的數(shù)量，堿基G的數(shù)量等于堿基C的數(shù)量，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、表達等知識整合到一起時，仍容易混淆出錯，根本原因是學生對DNA分子空間結(jié)構(gòu)特點的理解不深刻。通過小組合作學習、交流討論，有助于學生理清堿基之間復雜的計算規(guī)則。

（四）圖式階段

圖式是認知心理學的一個概念，作為對象的概念，不僅要反映概念的定義及符號，還要建立與其他概念、規(guī)則、圖形以及學生頭腦中已有認知的聯(lián)系，形成綜合的心理圖式，構(gòu)建概念體系。

活動Ⅲ ? 目的：讓學生明白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）給予某一具體DNA與RNA所含有的堿基數(shù)的資料讓學生分析，知道DNA一般是雙鏈結(jié)構(gòu)，RNA一般是單鏈結(jié)構(gòu)。

（2）通過對多種生物遺傳物質(zhì)種類的分析，讓學生知道絕大多數(shù)生物的遺傳物質(zhì)是DNA。

（3）通過對HIV的資料分析，讓學生解釋為什么HIV病毒易變異？為什么RNA的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定？

探究Ⅲ ? 目的：通過對資料分析讓學生理解DNA分子中堿基的改變意味著遺傳信息的改變。

（4）通過對鐮刀型細胞貧血癥發(fā)病機理的資料分析，讓學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，不同DNA中堿基的排列順序就代表了遺傳信息。

概念教學的最后階段就是抽象提取概念的本質(zhì)，將DNA分子的結(jié)構(gòu)與RNA分子的結(jié)構(gòu)通過資料分析比較，讓學生掌握它們的異同，同時為遺傳信息的表達以及變異部分的進一步學習做好鋪墊，這樣才能真正在學生頭腦中形成新的概念圖式。

三、APOS理論對生物核心概念建構(gòu)的教學啟示

（一）注重創(chuàng)設(shè)情境讓學生參與教學

創(chuàng)設(shè)相應情境讓學生參與活動是學生認知概念、建構(gòu)概念的起點。在學習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、雅典奧運會上“DNA的燈光秀”等場景，激發(fā)學生達成共識：DNA分子是現(xiàn)代高科技的標志與象征。通過相關(guān)科學史的學習，讓學生明白DNA結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)過程是很多科學家不懈努力、團隊合作的結(jié)果，這一切都激發(fā)了學生迫切了解DNA空間結(jié)構(gòu)到底是怎樣的好奇心。在此基礎(chǔ)上結(jié)合模型制作、交流討論等活動讓學生深度參與概念的建構(gòu)，而不是局限于死記硬背。

（二）善用比較策略讓學生內(nèi)化概念本質(zhì)

黑格爾曾說過：“比較法是指能看出異中之同或同中之異的認識方法”。通過不同資料提供的信息讓學生在比較分析中得出科學的推論，有助于培養(yǎng)學生求同、求異思維，有助于學生加深對生物學概念本質(zhì)的理解和把握。如提供不同類生物的遺傳物質(zhì)及不同DNA、RNA等堿基信息讓學生在比較中推理;通過不同小組對DNA結(jié)構(gòu)模型的建構(gòu)比較等讓學生對DNA的空間結(jié)構(gòu)就逐步有了清晰而全面的認識和理解。所以在運用APOS理論學習生物概念時善用比較策略有助于學生在新舊知識、不同知識之間架構(gòu)聯(lián)系，從而讓學生在頭腦中形成新的概念圖式。

（三） 加強教師對概念本質(zhì)及內(nèi)涵的深刻理解是前提

杜賓斯基“概念教學四階段”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。能深刻準確地進行生物學概念教學的前提是教師必須對概念的本質(zhì)內(nèi)涵有深刻理解，沒有深厚的學科功底，教學技能無法真正發(fā)揮作用。教師在教學中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生，讓學生通過自主分析、小組討論、大組交流等形式構(gòu)建這些知識之間的關(guān)聯(lián)，教師只是在恰當?shù)臅r候加以點撥，讓學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。如DNA不僅可以與RNA進行相關(guān)的比較分析，還可以與蛋白質(zhì)進行比較分析，DNA不僅在遺傳中起決定性作用，同時也是變異的根源。最終在學完遺傳與變異后，可以以DNA為核心，建構(gòu)一張完整的、復雜的概念圖式，從個人、小組到全班參與完成，學生對遺傳與變異的認識一定會更深刻而全面。

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

參考文獻：

[1]陶忠華.例談APOS理論視角下的生物學核心概念的建構(gòu)[J].生物學教學，2017（8）：31.