基于APOS理論建構(gòu)生物學(xué)概念的教學(xué)設(shè)計

［摘 要］文章以“DNA的結(jié)構(gòu)”教學(xué)為例，闡述了如何設(shè)計基于APOS理論的概念教學(xué)過程。在此過程中，學(xué)生通過活動或操作階段、過程階段、對象階段和圖式階段，實現(xiàn)對概念的理解與同化，最終將其納入已有的概念圖式中。

［關(guān)鍵詞］APOS理論；DNA的結(jié)構(gòu)；概念建構(gòu)

［中圖分類號］" " G633.91" " " " " " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " " " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2025）02-0086-04

概念建構(gòu)是一種建立和形成概念的過程，是將各種生命現(xiàn)象的本質(zhì)抽取出來形成認識的過程，或是將各種生命活動規(guī)律進行歸納概括的過程[1]。

杜賓斯基及其團隊提出的APOS理論強調(diào)，應(yīng)盡量減少學(xué)生通過記憶孤立的事實來進行概念學(xué)習(xí)。根據(jù)APOS理論，學(xué)生需要經(jīng)歷以下階段才能真正習(xí)得概念：活動或操作階段（Action），進行概念的初步建構(gòu)；過程階段（Process），進行概念的提煉；對象階段（Object），進行概念的拓展或符號性表征；圖式階段（Schema），進行概念網(wǎng)絡(luò)體系的建構(gòu)[2]。

本節(jié)課嘗試根據(jù)APOS理論，引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)“DNA的結(jié)構(gòu)”這一生物學(xué)次位概念，并自主整理和完善“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”這一生物學(xué)大概念體系。

一、教材分析與教學(xué)設(shè)計思路

“DNA的結(jié)構(gòu)”是人教版高中生物教材必修2第３章第２節(jié)的內(nèi)容，對應(yīng)重要的次位概念：DNA分子是由四種脫氧核苷酸構(gòu)成，通常由兩條堿基互補配對的反向平行長鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)?！癉NA的結(jié)構(gòu)”相關(guān)概念體系如圖1所示。

學(xué)生在高中生物必修1課程中已經(jīng)學(xué)習(xí)了核酸的相關(guān)知識，對DNA的結(jié)構(gòu)有一定的了解。從知識的角度來看，本節(jié)課似乎略有重復(fù)，因此難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但從概念習(xí)得與建構(gòu)的角度來看，本節(jié)課具有獨特的價值。學(xué)生可通過閱讀豐富且充滿曲折的科學(xué)史，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情并培養(yǎng)批判性思維；通過閱讀文獻和模擬實驗進行科學(xué)論證，進一步探究DNA的結(jié)構(gòu)；通過模型建構(gòu)直觀展示DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，并在小組討論中總結(jié)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的內(nèi)在關(guān)系；通過模型重構(gòu)，分析DNA的特點；通過科學(xué)猜想，分析DNA復(fù)制的方式以及生物變異的可能類型。本節(jié)課利用多維度的活動，使學(xué)生在親身參與的情境中主動建構(gòu)生物學(xué)次位概念，進而將此概念融入相關(guān)概念體系中，促進學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。本節(jié)課涉及較多物理和化學(xué)知識。在文獻閱讀和模型建構(gòu)中，學(xué)生同時進行多學(xué)科內(nèi)容的整合，有助于提升自身的綜合素養(yǎng)。

二、教學(xué)目標

依據(jù)課程標準并圍繞培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的要求，本節(jié)課制訂以下教學(xué)目標。

①通過閱讀科學(xué)史并利用物理模型模擬DNA衍射實驗，觀察堿基結(jié)構(gòu)，分析堿基配對方式，結(jié)合多學(xué)科知識推導(dǎo)出DNA的結(jié)構(gòu)；認同合作探究和多學(xué)科知識交叉的重要性，培養(yǎng)結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念、科學(xué)探究精神和批判性思維。

②通過動手建構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，培養(yǎng)分析與解決問題的能力和建模思維。

③通過觀察與比較DNA結(jié)構(gòu)模型，認識DNA作為遺傳物質(zhì)所具備的三個特征。

④通過科學(xué)分析，推測DNA作為遺傳物質(zhì)的復(fù)制方式，建構(gòu)和完善概念體系。

三、教學(xué)過程

（一）活動或操作階段

概念具有高度的抽象性，學(xué)習(xí)者若要歸納概括生命現(xiàn)象的本質(zhì)并形成概念，就必須親歷概念的形成過程，而活動或操作正是建構(gòu)概念的起點。為了引導(dǎo)學(xué)生正確理解和掌握概念，可以回溯科研歷程，讓學(xué)生親身體驗科學(xué)家探究與解決問題的過程，從而獲得正確的認識，形成深刻的理解。

活動一：觀賞諾貝爾獎頒獎典禮，激發(fā)科學(xué)精神

教師展示1962年的諾貝爾獎頒獎典禮照片，并介紹威爾金斯、克里克和沃森因發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)獲得諾貝爾獎。特別指出，沃森發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)時年僅25歲，僅比高中生年長幾歲，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓他們意識到破解DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)似乎也沒有那么困難，作為高中生，他們同樣有能力探索DNA的結(jié)構(gòu)。同時，引導(dǎo)學(xué)生回顧高中生物教材，并強調(diào)從1866年孟德爾遺傳定律的發(fā)表到1953年DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，在這近百年的探索歷程中，許多科學(xué)家為此作出了巨大的貢獻。請學(xué)生閱讀教材和教師提供的科學(xué)文獻，回顧DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)史。

設(shè)計意圖：通過照片展示，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和好奇心，引導(dǎo)學(xué)生回歸教材知識，自主閱讀、學(xué)習(xí)科學(xué)史，感受科學(xué)家的探索精神，理解在科研中合作的重要性以及多學(xué)科交叉在重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)中的關(guān)鍵作用。

活動二：多學(xué)科融合，破解生物難題

教師首先展示DNA分子的X射線衍射照片，并請學(xué)生介紹衍射原理。根據(jù)物理學(xué)分析，學(xué)生一致認可DNA呈螺旋結(jié)構(gòu)。隨后，教師引導(dǎo)學(xué)生利用身邊的工具（如激光筆、圓珠筆、彈簧等）進行簡單的模擬實驗。學(xué)生通過實踐，果然得到與富蘭克林拍攝的DNA衍射圖譜相似的衍射圖片（如圖2）。這一直觀的實驗結(jié)果更加確定了DNA呈螺旋結(jié)構(gòu)。

接下來，教師展示嘌呤和嘧啶的分子結(jié)構(gòu)圖，并介紹了化學(xué)家查戈夫的重要發(fā)現(xiàn)：腺嘌呤與胸腺嘧啶的含量相等，鳥嘌呤與胞嘧啶的含量也相等，引導(dǎo)學(xué)生推出堿基互補配對原則，即嘌呤與嘧啶之間通過氫鍵配對，具體為A與T配對，G與C配對?；仡櫄v史，沃森和克里克在研究中嘗試用紙片及鐵絲制作雙螺旋模型，并通過不斷試錯和修正，僅用60天時間就發(fā)現(xiàn)了DNA結(jié)構(gòu)的秘密。

設(shè)計意圖：通過利用常見工具模擬衍射實驗，讓學(xué)生體驗實驗的樂趣，直觀感受實驗結(jié)果，進而確定DNA的空間結(jié)構(gòu)；通過分子結(jié)構(gòu)分析，引導(dǎo)學(xué)生嘗試尋找能進行互補配對的堿基，初步建構(gòu)堿基互補配對原則。通過此環(huán)節(jié)的活動，學(xué)生親自參與實驗論證過程，將理論與實踐相結(jié)合，鍛煉動手能力，發(fā)展科學(xué)思維，同時體會多學(xué)科交叉對生物學(xué)發(fā)展的重要意義。

活動三：重走科學(xué)探索之路，建構(gòu)DNA結(jié)構(gòu)模型

教師通過一系列問題引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)并回顧教材內(nèi)容：（1）DNA的基本單位是什么？（2）四種脫氧核苷酸是如何連接成多聚體的？（3）兩條脫氧核苷酸單鏈是如何通過堿基互補配對形成一個平面并形成雙螺旋結(jié)構(gòu)的？

學(xué)生按照“點—線—面—體”的邏輯層次，建構(gòu)出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型（如圖3），將微觀結(jié)構(gòu)具體化。

設(shè)計意圖：通過復(fù)習(xí)核酸知識，結(jié)合本節(jié)課科學(xué)史的推導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生動手搭建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，形成直觀認識。

活動四：展示DNA結(jié)構(gòu)模型，探討DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)

各個小組帶著自制的DNA結(jié)構(gòu)模型上講臺進行展示，并講解模型中每個部件所代表的分子、化學(xué)鍵、兩條鏈的方向以及空間結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生通過語言描述將物理模型轉(zhuǎn)化為科學(xué)語言，從而加深對DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的理解；通過比較不同小組模型的差異和共同點，引發(fā)學(xué)生深入思考，為后續(xù)的學(xué)習(xí)埋下伏筆。

（二）過程階段

在過程階段，學(xué)生親歷活動階段的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的破解和建構(gòu)后，將對概念進行提煉。此階段，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，通過分析、小組討論和組織表達等流程對活動階段的內(nèi)容進行歸納概括。

學(xué)生主要從兩個方面進行歸納概括：一方面，DNA作為生物大分子，它的結(jié)構(gòu)層次由“點”到“線”及“面”至“體”。其中，“點”指單體脫氧核苷酸，“線”指一條脫氧核苷酸鏈，“面”指兩條脫氧核苷酸鏈通過堿基互補配對原則形成的整體，“體”指雙螺旋形成的空間結(jié)構(gòu)。另一方面，DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)可以分為關(guān)系、方向、外側(cè)、內(nèi)側(cè)四個維度。其中，“關(guān)系”指兩條脫氧核苷酸鏈通過堿基互補配對原則進行結(jié)合，“方向”指兩條脫氧核苷酸鏈反向平行，“外側(cè)”指由脫氧核糖和磷酸交替排列形成的骨架，而堿基對排列在DNA的“內(nèi)側(cè)”（如圖4）。通過歸納概括，學(xué)生逐漸形成了“DNA分子是由四種脫氧核苷酸構(gòu)成，通常由兩條堿基互補配對的反向平行長鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)”這一次位概念。

設(shè)計意圖：通過對活動階段相關(guān)內(nèi)容的概括總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生按照一定的邏輯順序，運用科學(xué)的語言提煉概念，并通過小組討論形成概念的基本雛形。

（三）對象階段

對象階段是概念拓展或符號性表征的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。過程階段獲得的概念往往只是停留在概念的表層，而真正的概念形成過程是一個整體框架建構(gòu)的過程。在對象階段，學(xué)生通過思維活動對先前感知到的內(nèi)容進行加工和處理，從而獲得對概念的進一步認知。

教師請各組組長帶著本小組模型到講臺上，并讓他們閉上眼睛。隨后，教師將模型混合起來，并讓組長們睜開眼睛，快速找到自己組的模型。接著，教師進行提問：（1）為什么你會認為這是你們組的模型，它體現(xiàn)了DNA的什么性質(zhì)？（2）講臺上的模型各不相同，它們哪里不同？（3）當老師看到家長們的模樣時，很容易將他們與你們進行一一對應(yīng)，這不僅體現(xiàn)了DNA的特異性，還體現(xiàn)了遺傳過程中DNA的哪種性質(zhì)？這種性質(zhì)與DNA的結(jié)構(gòu)有何關(guān)系？（4）紙質(zhì)版平面模型（教師展示）非常容易彎折，當扭成雙螺旋后則變得挺立起來，這說明了什么？這些問題充分引發(fā)了學(xué)生對于DNA特征的思考，進而總結(jié)出DNA具有特異性、多樣性和穩(wěn)定性。教師進一步追問：從生物進化的角度來看，DNA既要保持穩(wěn)定又會發(fā)生變異，那么DNA的改變最可能發(fā)生在細胞分裂的哪個時期？DNA又是如何發(fā)生改變的？作為遺傳物質(zhì)，DNA在細胞分裂的過程中需要復(fù)制，請?zhí)岢鯠NA復(fù)制方式的假說。

設(shè)計意圖：通過對不同組別模型的比較，讓學(xué)生自主總結(jié)DNA的特征，從而對DNA的結(jié)構(gòu)形成全面的認知，使學(xué)生深刻體會到DNA作為遺傳物質(zhì)其結(jié)構(gòu)的獨特之處；讓學(xué)生猜想DNA復(fù)制的方式以及DNA如何發(fā)生變異，為后續(xù)的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，同時為大概念的建構(gòu)埋下伏筆。

（四）圖式階段

在圖式階段，學(xué)生需進行概念網(wǎng)絡(luò)體系的建構(gòu)，由此才能真正習(xí)得概念。此階段，學(xué)生將先前在過程階段中所建構(gòu)的概念與頭腦中已有的圖式進行相應(yīng)的整合，從而建構(gòu)更為復(fù)雜的概念體系，以此展示一個階段的學(xué)習(xí)成果[3]。

教師引導(dǎo)學(xué)生小組討論，將本節(jié)課新建構(gòu)的概念與之前建構(gòu)的概念相結(jié)合，并形成概念網(wǎng)絡(luò)，以豐富重要概念和大概念體系（如圖5）。在建構(gòu)概念體系的過程中，學(xué)生將了解到生物學(xué)的學(xué)習(xí)是前后呼應(yīng)的。每一個次位概念既是對上一個次位概念的承接，也是學(xué)習(xí)下一個次位概念的基礎(chǔ)。因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中需要跳出單一概念的局限，站在更高的角度來學(xué)習(xí)生物學(xué)，抓住生物學(xué)的主脈絡(luò)。這樣的學(xué)習(xí)方式有助于學(xué)生更全面地理解生物學(xué)知識。

設(shè)計意圖：此階段是既基于之前的學(xué)習(xí)對大概念體系進行建構(gòu)，也是對階段性學(xué)習(xí)的整合和回顧。每一個次位概念的建構(gòu)都能鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維，而整個概念體系的建構(gòu)則能讓學(xué)生從宏觀的角度認知生物學(xué)。這一過程不僅能考查學(xué)生學(xué)習(xí)的深度和廣度，還能提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，并為后續(xù)的概念教學(xué)奠定堅實的基礎(chǔ)。

四、教學(xué)反思

本節(jié)課基于APOS理論，以活動為起點，以概念體系的建構(gòu)為終點，不僅形成了本節(jié)課的次位概念，還豐富了大概念體系。此外，由于教師設(shè)置了關(guān)于DNA復(fù)制方式、DNA變異的問題，所以本節(jié)課既是整個大概念學(xué)習(xí)的“中點”，也是下一個次位概念學(xué)習(xí)的“起點”。教師嘗試通過以終為始、網(wǎng)絡(luò)布局的教學(xué)方式，使學(xué)生對生物學(xué)有一個整體宏觀的認識，最終習(xí)得概念、應(yīng)用概念，而非僅僅停留在記背概念的層面。

本節(jié)課還涉及多學(xué)科知識的綜合應(yīng)用。例如，在探討X射線衍射技術(shù)時，教師引入了物理學(xué)的方法，啟發(fā)學(xué)生利用彈簧、激光筆模擬衍射過程。通過觀察模擬實驗結(jié)果并結(jié)合物理學(xué)分析，學(xué)生得以理解DNA為何呈現(xiàn)雙螺旋結(jié)構(gòu)。此外，為了讓學(xué)生理解堿基之間的關(guān)系，教師還展示了堿基的分子結(jié)構(gòu)式，并引導(dǎo)學(xué)生運用化學(xué)知識來解釋氫鍵的形成，從而總結(jié)出A與T配對、C與G配對的規(guī)律。教師在教學(xué)中滲透STEM教育理念，使學(xué)生認識到多學(xué)科交叉對于科學(xué)研究的重要意義。

然而，本節(jié)課概念體系的建構(gòu)難度較大，學(xué)生單純通過活動很難科學(xué)地提煉出概念，并將其與之前學(xué)習(xí)的概念相結(jié)合。為此，教師需要設(shè)計一系列問題串來激發(fā)學(xué)生思考，鼓勵學(xué)生進行充分的討論。同時，教師應(yīng)對學(xué)生建構(gòu)的概念體系給予積極的反饋，并及時進行指導(dǎo)和補充。鑒于課堂時間有限，概念體系的建構(gòu)也可以作為課后作業(yè)，以便學(xué)生有充足的時間進行深入的思考。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

［1］" 吳成軍.試論在建構(gòu)概念中發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)[J].生物學(xué)教學(xué)，2021，46（9）：26-28.

［2］" 彭小妹.例談基于APOS理論的生物學(xué)核心概念教學(xué)策略：以“染色體結(jié)構(gòu)變異”為例[J].生物學(xué)教學(xué)，2022，47（8）：28-30.

［3］" 趙占良.生物學(xué)概念的特點及其教學(xué)啟示[J].中學(xué)生物教學(xué)，2021（22）：4-9.

（責(zé)任編輯" " 羅" " 艷）