基于建模和論證思維整合的深度教學(xué)實踐

謝志華

(福建省三明市第二中學(xué) 三明 365000)

1 深度教學(xué)概念的提出

隨著《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》的正式頒布，教師提得最多的問題是：“什么樣的教學(xué)方式才是基于核心素養(yǎng)的教學(xué)？”要回答這個問題，首先要理解什么是核心素養(yǎng)？核心素養(yǎng)是學(xué)科知識教育價值的集中體現(xiàn)，教師不僅要關(guān)注學(xué)科知識，更要充分挖掘?qū)W科知識背后的教育價值，以此為目標(biāo)，來開展知識教學(xué)。不同的學(xué)科有不同的知識體系，具有不同的學(xué)科教育價值，學(xué)生學(xué)習(xí)，不僅要獲得不同的學(xué)科知識，更重要的是獲得相應(yīng)的學(xué)科思維和學(xué)科素養(yǎng)。也就是學(xué)生在學(xué)習(xí)該科目后應(yīng)具備的能力和品格，是學(xué)生與沒有學(xué)過相關(guān)學(xué)科知識的本質(zhì)區(qū)別。生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在生物學(xué)課程學(xué)習(xí)過程中，特別是主動學(xué)習(xí)過程中逐漸發(fā)展起來的，追求的是持久的學(xué)習(xí)成果和運(yùn)用能力。只有將學(xué)生引向“深度學(xué)習(xí)”的深度教學(xué)，才是基于核心素養(yǎng)的教學(xué)。

深度學(xué)習(xí)(deep learning)概念是美國學(xué)者 FerenceMarton和Roger Saljo于1976年首次提出，之后在認(rèn)知科學(xué)和信息技術(shù)領(lǐng)域得到研究者的關(guān)注。當(dāng)前學(xué)術(shù)界對深度學(xué)習(xí)的界定基本一致，即認(rèn)為，深度學(xué)習(xí)是對所學(xué)知識進(jìn)行批判性理解、整合性建構(gòu)以及創(chuàng)新性遷移的一種學(xué)習(xí)方式，是一種高階思維為主導(dǎo)的學(xué)習(xí)方式，有利于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的高階思維能力和批判創(chuàng)新能力[1]。

而深度教學(xué)起源于郭元祥教授自2007年以來開展的教學(xué)改革實驗研究項目，主要針對課堂教學(xué)中普遍存在的對知識的表層學(xué)習(xí)、表面學(xué)習(xí)的局限性，主張通過知識的深度處理，引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。深度教學(xué)并非要無限增加知識難度和知識量，而是基于知識的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，通過對知識的完整處理，引導(dǎo)學(xué)生從符號學(xué)習(xí)走向?qū)W科思想和意義系統(tǒng)的理解和掌握。它強(qiáng)調(diào)為理解而教，為思想而教，為意義而教，為發(fā)展而教，使教學(xué)過程由知識為中心轉(zhuǎn)向以學(xué)生發(fā)展為中心[2]。深度教學(xué)要切實體現(xiàn)教學(xué)的過程價值，豐富學(xué)生的課程履歷和學(xué)習(xí)過程。深度教學(xué)的典型特征包括自主性和思維性，即一定是引導(dǎo)學(xué)生主動建構(gòu)知識，同時特別注重學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)和訓(xùn)練。

2 模型、建模和論證方法

學(xué)習(xí)方式總是與知識類型和學(xué)習(xí)目標(biāo)相關(guān)聯(lián)。建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)習(xí)是學(xué)生自己建構(gòu)知識的過程。學(xué)生不是簡單被動地接受信息，而是主動地建構(gòu)知識的意義。因此，教學(xué)應(yīng)引導(dǎo)學(xué)習(xí)者從原有的知識經(jīng)驗中，主動建構(gòu)新的知識經(jīng)驗。模型方法是以研究模型來揭示原型的形態(tài)、特征和本質(zhì)的方法，在教學(xué)中通過模型建構(gòu)，可以較多地突破客觀世界對主體思維的限制，培養(yǎng)學(xué)生的想象力，從而使抽象思維和形象思維統(tǒng)一。

無論科學(xué)家發(fā)現(xiàn)知識或建立理論，還是工程師尋找解決問題的最佳答案，都有賴于論證技能。通過培養(yǎng)論證技能，可以讓學(xué)生學(xué)會如何提出觀點(diǎn)、運(yùn)用證據(jù)支持自己的觀點(diǎn)、評價以及修正觀點(diǎn)，為研究問題構(gòu)建合理的解釋。論證的基本過程是： 資料或數(shù)據(jù)構(gòu)成了主張，必要條件對數(shù)據(jù)提供支持，經(jīng)過修正或限定條件使結(jié)論得以成立。在論證過程中，學(xué)生的思維能力得到提高。

3 建模與論證整合的深度教學(xué)實踐

科學(xué)史的學(xué)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)思維品質(zhì)的良好素材，以“DNA分子的結(jié)構(gòu)”為例，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)是科學(xué)界的重要事件，它標(biāo)志著生命科學(xué)研究從宏觀走向微觀，進(jìn)入了分子水平。沃森和克里克的合作研究也成為科學(xué)史上的美談，幾乎是開創(chuàng)了合作研究的先河。但是，不能將這一段科學(xué)史當(dāng)作一個簡單的歷史事件來了解，而是要讓學(xué)生當(dāng)一次科學(xué)家，親歷科學(xué)家提出問題、做出假設(shè)、尋找證據(jù)、檢驗假設(shè)并得出結(jié)論的科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程，親自建構(gòu)起DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，這就是深度教學(xué)。在生物模型的建構(gòu)過程，要始終以生命觀念為統(tǒng)領(lǐng)，這是核心素養(yǎng)的體現(xiàn)，也是教學(xué)的終極目標(biāo)。首先要引導(dǎo)學(xué)生思考： 科學(xué)家已經(jīng)通過實驗證明了DNA是生物的遺傳物質(zhì)，那么依據(jù)結(jié)構(gòu)與功能觀，DNA作為遺傳物質(zhì)應(yīng)該具備什么特點(diǎn)才能滿足它作為遺傳物質(zhì)的功能？(穩(wěn)定性，多樣性和特異性)模型的建構(gòu)就圍繞著這三個特點(diǎn)進(jìn)行。

3.1 基于資料推理判斷，形成主張 模型不是憑空想象出來的，是建立在已有科學(xué)資料的基礎(chǔ)上的。而對眾多的資料的選擇，就體現(xiàn)了學(xué)生的判斷能力和邏輯推理能力。首先，讓學(xué)生畫出脫氧核苷酸的模式圖，并把它們之間的3，5磷酸二酯鍵的聯(lián)結(jié)畫出來，形成脫氧核苷酸長鏈，這一方面可以對學(xué)生原有知識進(jìn)行檢查和鞏固，另一方面可以為構(gòu)建DNA立體模型打下基礎(chǔ)。從平面走向立體，這符合思維的進(jìn)階。

建構(gòu)DNA的立體模型，重要的依據(jù)是英國物理化學(xué)家富蘭克林和同事生物物理學(xué)家威爾金斯在1951年率先采用X射線衍射技術(shù)拍攝到的DNA晶體照片，富蘭克林經(jīng)過計算分析得出雙股螺旋的結(jié)論。基于此，要引導(dǎo)學(xué)生思考的問題是： 兩條脫氧核苷酸鏈?zhǔn)侨绾温?lián)系？應(yīng)該從什么角度思考？(首先要考慮穩(wěn)定性)基于此，進(jìn)一步提出以下幾個問題： ①磷酸排在內(nèi)側(cè)還是外側(cè)？通過化學(xué)分析，應(yīng)該排在外側(cè)；②內(nèi)側(cè)堿基之間如何聯(lián)系？一種假說認(rèn)為是相同堿基之間配對，即A—A， G—G等，但是從化學(xué)角度分析不合理，因為難以形成穩(wěn)定的氫鍵?？茖W(xué)家查科夫發(fā)現(xiàn)的新證據(jù)： DNA中堿基A的數(shù)目總和堿基T的數(shù)目相等，而堿基G的數(shù)目總是和堿基C的數(shù)目相等使問題豁然開朗，并提出了新的假說，即A—T， G—C，而按照這種配對方式分析，兩種堿基對之間可以形成穩(wěn)定的氫鍵聯(lián)系，并且兩種堿基對具有相同的形狀和直徑，這樣組成的DNA分子具有穩(wěn)定的直徑，既能夠解釋A、 T、 G、 C的數(shù)量關(guān)系，也能解釋DNA的復(fù)制。因此可以確定，這才是兩條鏈之間實際的聯(lián)結(jié)方式。

在形成主張的過程中，化學(xué)知識的支持是必不可少的，學(xué)生深刻地領(lǐng)會到自然科學(xué)是和諧的，自然界事物的存在都必須符合自然規(guī)律。

3.2 基于主張模擬論證，批判修正 通過資料及科學(xué)分析，學(xué)生對DNA的結(jié)構(gòu)有了初步認(rèn)識，提出主張： DNA是由兩條脫氧核苷酸鏈構(gòu)成，兩條鏈按堿互補(bǔ)配對原則形成氫鍵相聯(lián)系。基于此，讓學(xué)生嘗試畫出DNA雙鏈配對的平面結(jié)構(gòu)圖。此時會發(fā)現(xiàn)，學(xué)生畫的圖幾乎都是對稱的兩條鏈(圖1)，如何讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)錯誤并且修正這個錯誤？老師直接糾正當(dāng)然是最簡單的方法，但是學(xué)生無法理解，只能是記憶。可以通過一個學(xué)生活動來實現(xiàn)對這個誤區(qū)的修正： 請10位學(xué)生模擬脫氧核苷： 左手曲肘舉起代表第5位C原子連著磷酸，右手平伸代表示第一位C原子連著含氮堿基，身體是脫氧核糖；5人一組，前后連接排成兩列，代表兩條脫氧核苷酸鏈，讓兩列的學(xué)生牽手形成堿基對。此時學(xué)生發(fā)現(xiàn)了他們畫的圖中的錯誤，認(rèn)識到兩列學(xué)生的方向必須相反，才能牽手。這樣，學(xué)生立刻理解了兩條鏈的反向平行關(guān)系： 因為每個脫氧核苷酸的空間結(jié)構(gòu)和連接方式是固定的，決定了兩條鏈只有反向平行，才可以形成配對關(guān)系。由此修正了錯誤，建構(gòu)起正確的模型。這里學(xué)生的活動，就相當(dāng)于是一個模擬論證的過程，在論證的過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)了問題，還要修正，并且為修正尋找科學(xué)的支持的理由，就是脫氧核苷酸的空間結(jié)構(gòu)和聯(lián)結(jié)方式，這從化學(xué)的角度更好理解。這樣，學(xué)生明白模型的建立是一個不斷建立—修正—再建立的過程，即便是今天我們認(rèn)為是正確的模型，也有可能在將來某一天，被發(fā)現(xiàn)有錯誤或不足，那么就要再進(jìn)行修正，科學(xué)本身就是一個不斷修正、不斷進(jìn)步的過程。

圖1 學(xué)生畫出的有錯誤的DNA平面結(jié)構(gòu)

3.3 驗證模型，歸納總結(jié)，形成結(jié)論 當(dāng)一個模型建立起來，它是不是真正的能揭示原型的形態(tài)、特征和本質(zhì)，是需要驗證的。沃森和克里克按照提出的模型特點(diǎn)，用金屬材料制作成模型與拍攝的X射線衍射照片比較，發(fā)現(xiàn)兩者完全相符，這也就驗證了他們所提出的DNA模型的正確性。1953年，他們共同提出了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并且為一個DNA分子如何復(fù)制成兩個結(jié)構(gòu)相同DNA分子以及DNA怎樣傳遞生物體的遺傳信息提供了合理的說明。這被認(rèn)為是生物科學(xué)史中具有革命性的發(fā)現(xiàn)，是20世紀(jì)最重要的科學(xué)成就之一，生命科學(xué)從此進(jìn)入到分子水平。而這么偉大的發(fā)現(xiàn)，學(xué)生也進(jìn)行了非常成功的嘗試，這極大地鼓舞了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。接著，請學(xué)生嘗試根據(jù)前面的探究過程，總結(jié)DNA結(jié)構(gòu)模型，這是一個培養(yǎng)歸納總結(jié)提升思維的絕好機(jī)會，是思維從感性上升到理性的重要環(huán)節(jié)。作為教師，要明確科學(xué)思維和科學(xué)探究互為倚重，科學(xué)思維是科學(xué)探究的重要內(nèi)涵，科學(xué)探究是科學(xué)思維的實證過程[3]。

3.4 體驗?zāi)Ｐ?，深度思考，分析?yīng)用 建構(gòu)模型，不僅僅為了明白是什么，更重要的是要明白為什么、怎么用？因此，當(dāng)學(xué)生從理論上建立起遺傳物質(zhì)DNA的結(jié)構(gòu)模型，就要引導(dǎo)學(xué)生去深度思考： 為什么這樣的結(jié)構(gòu)能作為遺傳物質(zhì)？能行使遺傳功能？自然界生物多種多樣，而每一種生物都有自己的特性，根本原因是遺傳物質(zhì)的多樣性和特異性，那么，DNA的結(jié)構(gòu)如何體現(xiàn)多樣性和特異性？

傳統(tǒng)的方法是老師分析，學(xué)生理解記憶，但感受不深，且思維平面化。只有讓學(xué)生真正參與真實情境的思維過程，才能深刻地理解知識，真正建構(gòu)起知識的寶塔。因此，創(chuàng)設(shè)一個探究活動情境，提供材料，讓每兩位學(xué)生參與建構(gòu)一個含10對堿基的DNA立體模型。在建模的過程中，要引導(dǎo)學(xué)生思考： 每接一對脫氧核苷酸，就涉及到堿基種類。這種引導(dǎo)使學(xué)生很容易體會到，每一個堿基位點(diǎn)，有四種選擇機(jī)會，因此，全班每個小組拼的DNA模型雖然都是規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu)，但是每個人拼的DNA的堿基順序都是獨(dú)特的，具有特異性；不同人拼的DNA在堿基排列順序上是不同的，這就是DNA的多樣性。在拼的過程中，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)當(dāng)一條鏈的堿基確定時，按照堿基互補(bǔ)配對原則，互補(bǔ)鏈的堿基也就確定了。因此，堿基的排列順序只需要考慮DNA中一條鏈的堿基數(shù)量，如果有10對，可能就有410種排列順序，而如果堿基對數(shù)目更多，則排序種類就更多，則推出排列順序可能有4n種。這樣的活動，不是簡單的動手游戲，而是培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和思維能力、在動手的過程中并學(xué)會從數(shù)學(xué)的角度分析模型的方法的過程。這樣的活動可以培養(yǎng)學(xué)生分析、推理、評估、解釋等認(rèn)知技能，真正理解遺傳物質(zhì)DNA的特點(diǎn)和功能。

4 反思

在教學(xué)中，要讓學(xué)生真正理解概念，就要讓學(xué)生走進(jìn)知識的形成過程，深度思考，深度學(xué)習(xí)，讓師生成為學(xué)習(xí)的共同體，共同建構(gòu)知識的意義。在教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生開展建?；顒?，是開展深度教學(xué)的有效實踐。在建模過程中，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用論證的思維，嘗試假說演繹、依據(jù)資料提出主張，尋找證據(jù)對主張開展論證，支持或推翻，不斷建立、修正，最終建構(gòu)出合理模型。通過建?；顒樱粌H培養(yǎng)學(xué)生的建模方法和建模思維，學(xué)會用模型解釋問題，同時還讓學(xué)生體驗了科學(xué)家的研究歷程，學(xué)習(xí)科學(xué)家善于捕獲和分析信息的能力、科學(xué)思維的方法、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S品質(zhì)及持之以恒的科研精神，理解合作、交流的重要性。