指向概念核心內(nèi)容的高中生物學(xué)教學(xué)活動設(shè)計

楊善珍

［摘 要］文章簡要闡述了解構(gòu)概念對明確概念核心內(nèi)容的作用，以及解構(gòu)概念的成果對情境的創(chuàng)設(shè)、學(xué)習(xí)材料的選擇和教學(xué)活動的設(shè)計的影響；主要結(jié)合新課程理論，以生物學(xué)概念教學(xué)的幾個要素為出發(fā)點(diǎn)，對指向概念核心內(nèi)容的高中生物學(xué)教學(xué)活動設(shè)計進(jìn)行了探索。

［關(guān)鍵詞］概念核心內(nèi)容；教學(xué)活動設(shè)計；高中生物

［中圖分類號］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）23-0073-04

生物學(xué)不僅是一個結(jié)論豐富的知識體系，還是一個有機(jī)整合的概念體系?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂》（以下簡稱《課標(biāo)》）指出，教師在設(shè)計和組織教學(xué)活動時，應(yīng)依據(jù)重要概念精選恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)活動內(nèi)容和活動方式。那么，怎樣才能依據(jù)概念的核心內(nèi)容設(shè)計教學(xué)活動，有效開展教學(xué)呢？首先需要解構(gòu)概念，即從學(xué)科知識視角和育人價值視角對概念進(jìn)行分解和剖析；其次需要創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)出核心問題；最后需要進(jìn)行演繹推理、模型建構(gòu)等科學(xué)研究。這不僅是引導(dǎo)學(xué)生獲取學(xué)科知識的過程，而且是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究、發(fā)展核心素養(yǎng)的過程。本文基于概念的解構(gòu)、情境的創(chuàng)設(shè)、科學(xué)研究的基本思路與方法等生物學(xué)概念教學(xué)的要素，對指向概念核心內(nèi)容的高中生物學(xué)教學(xué)活動設(shè)計進(jìn)行探索。

一、解構(gòu)概念，明確核心內(nèi)容

《課標(biāo)》關(guān)于課程內(nèi)容的每個模塊均由“內(nèi)容要求”“教學(xué)提示”“學(xué)業(yè)要求”三個部分組成。由概念內(nèi)容表述組成的“內(nèi)容要求”是對生命活動規(guī)律、生命現(xiàn)象和生物學(xué)理論的理解和闡釋，展現(xiàn)了當(dāng)代生物科學(xué)的圖景，它們相互連接構(gòu)成生物學(xué)概念框架。解構(gòu)概念能讓教師很好地理解和把握概念，有效選擇教學(xué)材料和教學(xué)方法，設(shè)計合適的教學(xué)活動，幫助學(xué)生理解概念。部分教師囿于學(xué)科理解，不能科學(xué)合理地解構(gòu)概念，不是丟三落四，就是找不到概念的核心內(nèi)容，這必然會影響最終教學(xué)效果。

例如，“細(xì)胞都由質(zhì)膜包裹，質(zhì)膜將細(xì)胞與其生活環(huán)境分開，能控制物質(zhì)進(jìn)出，并參與細(xì)胞間的信息交流”這一次位概念可解構(gòu)為“質(zhì)膜是細(xì)胞的邊界”“質(zhì)膜控制細(xì)胞與周圍環(huán)境的聯(lián)系”“流動鑲嵌模型能很好地解釋生物膜的絕大多數(shù)生命活動”這三個基本概念。細(xì)胞與周圍環(huán)境的聯(lián)系除體現(xiàn)在物質(zhì)交換外，還體現(xiàn)在信息傳遞、細(xì)胞與鄰近細(xì)胞的連接、細(xì)胞與非細(xì)胞基質(zhì)的粘連等方面。部分教師創(chuàng)設(shè)的情境僅僅指向“質(zhì)膜的選擇透過性”這一個內(nèi)容，如雞蛋黃的觀察和注射染色、玉米種子的縱切和紅墨水染色等，這便導(dǎo)致學(xué)生沒能有效把握概念的核心內(nèi)容，在這種情況下，學(xué)生建構(gòu)的概念是不完整的。而圍繞人體的肌肉、內(nèi)分泌腺、消化道等功能細(xì)胞來創(chuàng)設(shè)情境，指向明確，可使有關(guān)“細(xì)胞與周圍環(huán)境的聯(lián)系”的探究學(xué)習(xí)活動得以順利開展，有助于學(xué)生建構(gòu)完整的概念。概念性知識與事實(shí)性知識不同，概念是可以運(yùn)用的，是可以用于解決問題的。但不完整的生物學(xué)概念在很多問題的解決中是派不上用場的。由此可見，概念解構(gòu)情況在很大程度上影響了教學(xué)目標(biāo)的制訂、教學(xué)內(nèi)容的選擇和教學(xué)活動的設(shè)計，并最終影響學(xué)生的概念建構(gòu)。

又如，“蛋白質(zhì)通常由20種氨基酸分子組成，它的功能取決于氨基酸序列及其形成的空間結(jié)構(gòu)，細(xì)胞的功能主要由蛋白質(zhì)完成”這一次位概念可解構(gòu)為“氨基酸是蛋白質(zhì)的基本單位，在結(jié)構(gòu)上既有共性又有個性”“蛋白質(zhì)具有功能多樣性，是生命活動的主要承擔(dān)者”“蛋白質(zhì)的功能取決于氨基酸序列及其形成的空間結(jié)構(gòu)”“不同物種生物體內(nèi)功能相同的蛋白質(zhì)是否有差異以及差異的程度，取決于物種之間在進(jìn)化上的親緣關(guān)系”這四個基本概念。這樣解構(gòu)概念，使概念的核心內(nèi)容得以明確，有助于教師基于概念的核心內(nèi)容設(shè)計教學(xué)活動。針對上述蛋白質(zhì)概念的核心內(nèi)容可創(chuàng)設(shè)以下情境：

揭示蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系是當(dāng)今蛋白質(zhì)研究工作的重要內(nèi)容?？茖W(xué)家在比對了來源于不同物種的細(xì)胞色素c的氨基酸序列后，發(fā)現(xiàn)其中的氨基酸在進(jìn)化中以幾乎相同的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)換。細(xì)胞色素c是由104個氨基酸分子組成的一條多肽鏈折疊而成的。表1數(shù)據(jù)顯示各物種與人的細(xì)胞色素c在氨基酸序列上的差異。

依據(jù)情境進(jìn)行教學(xué)活動設(shè)計：讓學(xué)生根據(jù)幾種氨基酸的分子結(jié)構(gòu)式，寫出氨基酸的生物通式；說明有些氨基酸為什么會具有酸堿性、親水性和親脂性；在建構(gòu)二肽、三肽、多肽鏈的物理模型的基礎(chǔ)上，說明所在小組建構(gòu)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)模型的依據(jù)；根據(jù)“蛋白質(zhì)具有多種多樣的功能”示意圖，舉例說明蛋白質(zhì)功能與氨基酸序列及其形成的空間結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系；各物種與人的細(xì)胞色素c都可作為生物氧化過程中重要的電子傳遞體，請解釋這一現(xiàn)象。學(xué)生通過建構(gòu)氨基酸、蛋白質(zhì)等的分子結(jié)構(gòu)模型，綜合運(yùn)用歸納與概括、模型與建模等思維方法，闡明氨基酸形成蛋白質(zhì)的過程以及蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與其功能的關(guān)系，討論生物進(jìn)化歷程中蛋白質(zhì)分子的演變，初步形成結(jié)構(gòu)與功能觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀。作為一個評價任務(wù)，關(guān)于細(xì)胞色素c演變的分析討論可以反映學(xué)生對蛋白質(zhì)概念的學(xué)科理解的四個水平：①不同物種的細(xì)胞色素c的空間結(jié)構(gòu)不同，但傳遞電子的功能相同。②不同物種的細(xì)胞色素c的空間結(jié)構(gòu)不同，但其中與傳遞電子有關(guān)的局部結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)域）基本相同。③不同物種的細(xì)胞色素c的氨基酸差異對空間結(jié)構(gòu)的影響很小。雖然它們的空間結(jié)構(gòu)不盡相同，但其中與傳遞電子有關(guān)的局部結(jié)構(gòu)基本相同。④不同物種的細(xì)胞色素c的氨基酸差異對空間結(jié)構(gòu)的影響很小。它們的空間結(jié)構(gòu)不盡相同，傳遞電子的能力也有所不同，可適應(yīng)對傳遞電子的不同需求。

二、創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)出核心問題

組織以探究為特點(diǎn)的主動學(xué)習(xí)是落實(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵，教師需要創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，以引導(dǎo)學(xué)生更好地進(jìn)行探究學(xué)習(xí)。通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，把內(nèi)容學(xué)習(xí)從生硬的知識掌握轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)、豐富、鮮活的認(rèn)識深化過程，使學(xué)習(xí)內(nèi)容成為可以進(jìn)行思維操作和加工的對象。不同的問題代表著不同的認(rèn)知水平。問題驅(qū)動的成效如何取決于問題的設(shè)計——既要有針對性，又要有發(fā)展性，讓學(xué)生通過一定的努力才能解決。只有針對概念核心內(nèi)容提出能引發(fā)學(xué)生思考與探究的較為復(fù)雜的問題，才能引導(dǎo)學(xué)生通過科學(xué)思維對生物學(xué)概念有更深層次的理解。

楊振寧教授認(rèn)為，要讓學(xué)生站在問題開始的地方，面對原始的問題。原始問題是指自然界及社會生產(chǎn)生活實(shí)踐中客觀存在的，能反映科學(xué)概念、規(guī)律本質(zhì)且未被加工的典型科學(xué)現(xiàn)象和事實(shí)。它著重從原始的材料出發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生思維的創(chuàng)造性。在很多情況下，生物學(xué)情境中展現(xiàn)的往往就是原始問題，因?yàn)樯飳W(xué)問題本就來自自然，來自人類的生產(chǎn)生活實(shí)踐。例如，“分離定律”的核心內(nèi)容是等位基因分離，其關(guān)涉的核心問題是“F2代3∶1性狀分離”。教師利用電視劇《功勛》中與袁隆平有關(guān)的內(nèi)容創(chuàng)設(shè)情境：青年袁隆平在學(xué)校的試驗(yàn)田里發(fā)現(xiàn)了一棵穗大粒大的水稻植株，把它叫作“鶴立雞群”。在第二年播種它的種子后，它的后代發(fā)生了性狀分離，即768高株、256矮株（數(shù)據(jù)來自電視劇）。這令袁隆平百思不得其解。在問題遲遲未能解決的重要關(guān)頭，一個學(xué)生提出“這‘鶴立雞群’的種子的成長沒有鶴立雞群，對于您來說是失敗的，但是對于它來講是成功的，因?yàn)樗澈蟮囊?guī)律非讓它長成這樣不可（劇中臺詞）”。這一席話“驚醒”了袁隆平，他一下子就想通了。該情境結(jié)合孟德爾的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能引出分離定律的核心問題“F2代3∶1性狀分離”。教師后續(xù)所設(shè)計的教學(xué)活動都是為了解決這一問題，能有效驅(qū)動學(xué)生進(jìn)行探究學(xué)習(xí)。電視劇中，袁隆平通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析推翻蘇聯(lián)李森科的偽科學(xué)，轉(zhuǎn)而接受孟德爾的遺傳學(xué)，這些事跡有助于學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)的本質(zhì)。

三、演繹推理，發(fā)展科學(xué)思維

歸納推理是從認(rèn)識研究個別事物到總結(jié)、概括一般性規(guī)律的推斷過程，是由個別到一般的推理。演繹推理則相反，它是由一般到特殊的推理，是必然性推理，即前提真，推理形式正確，結(jié)論必然真。在假說—演繹法中，假說是前提，只有假說得到證實(shí)，結(jié)論才是正確的?？梢哉f，科學(xué)發(fā)展的過程就是假說形成、假說檢驗(yàn)以及假說更替的過程，如細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)模型的演變發(fā)展、DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)求證、斯他林發(fā)現(xiàn)體液調(diào)節(jié)的思維過程等。

例如，應(yīng)用假說—演繹法這一經(jīng)典遺傳學(xué)研究方法是孟德爾獲得成功的原因之一。等位基因分離是孟德爾的假說的核心內(nèi)容，也是分離定律的實(shí)質(zhì)。對孟德爾的假說進(jìn)行實(shí)驗(yàn)求證，是學(xué)生發(fā)展演繹推理科學(xué)思維的重要途徑。教師可以讓學(xué)生進(jìn)行小組活動，設(shè)計一個新的雜交實(shí)驗(yàn)（測交實(shí)驗(yàn)），用孟德爾的假說預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果，再比對真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而對假說本身進(jìn)行求證。按照孟德爾的假說，F(xiàn)1（Aa）在產(chǎn)生配子時可形成兩種分別含有A、a的配子，其比例是1∶1?？梢姡灰?yàn)證這一點(diǎn)，即可證實(shí)等位基因分離的正確性。因?yàn)殡[性親本的配子不會遮蓋F1配子的基因，所以可以使F1配子含有的隱性基因在雜交后代中表現(xiàn)出來。有鑒于此，教師可適時提出問題作為支架，以幫助學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)。如：怎樣才能讓F1配子含有的隱性基因在雜交后代中表現(xiàn)出來？如此，學(xué)生便可跨越時空通過模擬體驗(yàn)孟德爾研究發(fā)現(xiàn)分離定律的過程，學(xué)會假說演繹的基本思路和方法，并且能夠在后面的學(xué)習(xí)活動中加以運(yùn)用。

F1（Aa）自交得到F2代，其出現(xiàn)3∶1的性狀分離比需滿足哪些條件？首先，教師提供事實(shí)材料，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行概括并形成概念：①金魚草的花色遺傳。②人類ABO血型的遺傳。③中年人禿頂是由一對基因等位控制的。禿頂基因的純合子（BB）無論男女都表現(xiàn)為禿頂，純合子（bb）無論男女均表現(xiàn)為正常；雜合子（Bb）如果是男性則表現(xiàn)為禿頂，如果是女性則表現(xiàn)為正常。由此可知，顯性性狀的表現(xiàn)既是等位基因相互作用的結(jié)果，又是基因與生物體內(nèi)外環(huán)境條件共同作用的結(jié)果。其次，學(xué)生依據(jù)所學(xué)概念，通過演繹推理和歸納總結(jié)得出結(jié)論：①完全顯性；②環(huán)境影響相同；③雌雄配子隨機(jī)結(jié)合；④A、a配子的存活率相同；⑤A、a配子的受精能力相同；⑥AA、Aa、aa不同基因型合子的個體發(fā)育能力相同。最后，教師呈現(xiàn)新問題情境：雙眼皮對單眼皮完全顯性。小李的父母都是單眼皮，她自己卻是雙眼皮，自從學(xué)習(xí)分離定律后，她感覺自己整個人都不好了。這作何解釋？多數(shù)學(xué)生認(rèn)為小李不是父母親生的，極少數(shù)學(xué)生判斷可能是環(huán)境對基因型表現(xiàn)的影響。在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，同樣是進(jìn)行演繹推理，學(xué)生有時卻會得出截然不同的結(jié)論。令人信服的解釋是，單眼皮、雙眼皮的形成與眼瞼中提上瞼肌纖維的發(fā)育有關(guān)，而提上瞼肌纖維的發(fā)育又受到個體發(fā)育條件的影響。如果不是基因突變，那么小李的父母中就至少有一個帶雙眼皮基因，雖然它沒有表現(xiàn)出來。

又如，“細(xì)胞膜的流動鑲嵌模型”強(qiáng)調(diào)流動性和不對稱性，其核心內(nèi)容之一就是細(xì)胞膜的基本骨架是磷脂雙分子層。為幫助學(xué)生理解脂雙層是怎樣形成的，教師可設(shè)計活動引導(dǎo)學(xué)生基于磷脂分子的理化特性推測磷脂雙分子層在水環(huán)境中的穩(wěn)定性。活動的具體內(nèi)容如下：攪拌磷脂與水的混合物，靜置一段時間后，磷脂分子在水中怎樣排布？請畫出示意圖。人工脂質(zhì)體的理化特性接近天然生物膜，它為什么既可以作為親水性藥物的載體，又可以作為親脂性藥物的載體？用其作藥物載體為什么藥效會得到顯著提升？學(xué)生經(jīng)過演繹推理可知，磷脂分子是兩性分子，一頭親水，另一頭親脂，它們在水相中會彼此靠近，形成單分子層實(shí)心球和具有雙分子層結(jié)構(gòu)的封閉囊泡。親脂性藥物可以溶于雙分子層內(nèi)部，親水性藥物可以溶于囊泡內(nèi)水相。藥效提升則是得益于脂質(zhì)體與靶細(xì)胞質(zhì)膜的融合，幫助藥物進(jìn)入細(xì)胞。

四、建構(gòu)模型，深化學(xué)科理解

物理模型以實(shí)物或圖畫等形式直觀地展現(xiàn)認(rèn)識對象的特征。概念模型以文字和符號來抽象概括事物的本質(zhì)特征，把各類對象的關(guān)系用概念與概念之間的關(guān)系來表述。數(shù)學(xué)模型是用來描述現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)或者性質(zhì)的一個抽象的、簡化的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。建構(gòu)模型是科學(xué)研究常用的方法，是人們根據(jù)某一目的，抓住研究對象的本質(zhì)特征，對復(fù)雜的、微觀的現(xiàn)象或事物進(jìn)行抽象的、概括性的描述，是對研究對象簡潔的表述。

對于生物學(xué)概念的理解，不僅僅是理解概念中包含了什么生命現(xiàn)象，還要思考該生命現(xiàn)象可能怎樣發(fā)展以及產(chǎn)生這一生命現(xiàn)象說明了什么。例如，“種群數(shù)量的邏輯斯諦增長”概念的核心內(nèi)容是建立種群數(shù)量增長與環(huán)境資源之間的關(guān)系，并且這是一個量的關(guān)系，涉及如何解釋種群的數(shù)量變化。欲研究和描述這種量的關(guān)系，就不得不建構(gòu)數(shù)學(xué)模型。在教學(xué)中，教師可依據(jù)真實(shí)情境提出學(xué)科問題：獾在山林里生活，它是一種皮、毛、肉、藥兼具的經(jīng)濟(jì)動物。有人十年前承包了一片荒山，如今已蔚然成林。去年，這個人在山林中投放了500只獾（野生放養(yǎng)，不喂食），雌雄各半。一年來，新生350只，死亡150只。問：未來20年獾的種群數(shù)量會如何增長？請在坐標(biāo)系中畫出獾種群數(shù)量的變化趨勢。從哪一年開始捕獾售賣，才能有年年穩(wěn)定的最高產(chǎn)量？該情境中沒有關(guān)于K值（環(huán)境容納量）的信息，問題的解決須引入K值和邏輯斯諦系數(shù)“（K-N）/K”。只有對種群數(shù)量的指數(shù)增長數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正，才能得到邏輯斯諦增長模型。這讓學(xué)生對K值有了清晰的認(rèn)識，并留下了深刻的印象。在指數(shù)增長數(shù)學(xué)模型中，種群增長率不變，所以種群增長速率dN/dt=rN。在邏輯斯諦增長模型中，假設(shè)種群增長率按一定比例減小，則種群增長速率dN/dt=rN（K-N）/K ? dN/dt=-（r/K）N2+rN。學(xué)生根據(jù)此方程（邏輯斯諦方程）可以繪制增長速率曲線（見圖1），再依據(jù)圖1繪制邏輯斯諦增長曲線（見圖2）。

（責(zé)任編輯 黃春香）