逆向教学主线在生物学模型教学的应用

郑云桓+黄凤珍+丁奕然

摘 要 通过逆向主线教学法的应用，以“DNA分子的结构”为例，从结构与功能相适应的辩证观出发，并在教学中形成模型建构——深入理解——精神培育三个层级，来形成应用主线教学法进行生物学模型课教学的范式案例。

关键词 建构主义 问题链 合作学习 模型评价 科学史

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

课改以来，生物学科的教学模式不断推陈出新，更加凸显学生的主体地位。以生物学模型课为例，衍生出了游戏教学、直观教学、主线教学等多种教学方式。其中主线教学强调设计一条清晰、高效的教学主线，来串联起课堂中的主干知识与技能，并且互相联系、层次分明，形成一条完整的教学链，从而完整展示整个生物模型特点或科学史过程。通常教学主线都是按照学生的认知规律，切合他们最近发展区进行的教学设计，一般情况下教师会根据科学史足迹、因果关系、“现象—本质”逻辑原理等正向思维引导学生进行学习。

然而，有研究发现逆向思维的教学主线也可以应用于生物学模型的教学。有别于一般的教学主线设计，逆向教学主线的设计更具有建构主义的色彩，它是先根据学生的自主活动，再进行评价模型的教学过程。它也使评价过程变为一条教学主线，并生成知识的网络体系，以促进师生间的思维互动，并完成知识内化的过程。笔者据此进行了深入的应用研究，希望探究出一种教学模式以对应生物学模型的课堂教学。最终决定以“DNA分子的结构”一节为例，探索出了一条辩证观建立、模型建构——评价中校准、深入理解——科学史探究、培育精神这一逆向教学主线的生物学模型教学范例。

1 辩证观建立，模型建构

生物学模型课中的辩证观包括“结构与功能相适应”的观点，然而在实际的教学过程中一线教师往往会忽略这一点，过多注重生物学模型结构与功能的剖析，而没有将二者联系起来让学生理解。为了在教学中建立起“结构与功能相适应”的观念，并且能够与学生掌握的旧知识形成衔接，建立辩证观的教学点化就成了逆向教学主线设计中最基础的一步。没有辩证观为基础而进行的模型建构必然是千奇百怪，将会大大降低课堂教学的效率。对于DNA分子模型的构建，学生之前已经认知了DNA基本组成单位是脱氧核糖核苷酸，它包括脱氧核糖、磷酸基团和含氮碱基三部分，并且学生也已大致了解了三者间的连接情况。接下来学生就可以思考：作为遗传物质，应当具备哪些功能？

1.1 衔接已知——了解多样性与特异性

通过之前的学习已经知道生物的性状是由遗传物质所控制的。教学开始时，教师可以由自然界中生物所呈现出性状的多种多样入手，分析这必然要求遗传物质具备多样性，才能够控制如此丰富、复杂的性状，即DNA分子要具有多样性，而其本质就在于碱基排列顺序的千变万化。既然DNA分子是多种多样的，那么每个DNA分子便会有其特定的碱基排列顺序，即DNA分子具有特异性。而DNA作为主要的遗传物质，其特异性决定了每一种生物遗传信息的独一无二，而遗传信息又控制着生物的性状，故每一个生命都是绝无仅有的。

1.2 谚语点化——深入理解稳定性

“龙生龙，凤生凤，老鼠的儿子会打洞”。教师利用这一谚语提问：为什么遗传的性状相对稳定的？既然遗传的性状是相对稳定的，DNA又作为主要遗传物质承载遗传信息在世代中连续传递，那就必然要求DNA分子的结构具有稳定性。可是如何才能保证DNA分子结构的稳定性？学生已经知道脱氧核糖核苷酸是DNA的基本组成单位，知道它包括了含氮碱基、脱氧核糖和磷酸基团三个部分，于是可以推测脱氧核糖核苷酸之间的连接方式、模型构象等对DNA分子结构的稳定性具有至关重要的作用。

生物学模型辩证观的建立让学生自主的建模过程更有依据，所以当学生了解了DNA的功能特点时，接下来就可以通过合作学习进行模型建构了。在生物课堂中开展学生合作学习、自主建模的教学方式相对于传统教学更易于调动学生学习的积极性，学生以一个探究者的身份而不是旁观者的身份来参与到学习活动中去，可以充分培养思维探究能力。

2 评价中校准，深入理解

教学方式应当围绕学生的思维进行，并在互动中促进知识的内化吸收。虽然有了之前的辩证观建立，但实际情况中学生分组建构的模型仍是参差不齐的，故教师宜采取对模型进行评价来辅助学生准确认识生物模型。在逆向教學主线设计的课堂中，教师就可以根据学生分组所建构的生物模型，分层次找出其建构的分歧点，然后可以通过学生刚刚了解的功能特点进行讲解，以促进学生对该生物学模型的全面理解。将DNA的分子结构根据学生建模的分歧点进行分层：一条链上核苷酸间的连接→DNA是单链还是双链→碱基在内侧还是外侧→碱基之间的连接→DNA分子如何构成立体结构为线索进行评价，并依据DNA分子的稳定性对这些要点制定评价标准。具体设计如图1所示。

2.1 评价一条链上核苷酸的连接

对于一条链上的核苷酸，学生建构出来的模型可能是两个磷酸基团之间的连接，或者是两个相邻碱基之间的连接，也有可能是相邻的两个脱氧核苷酸之间的相连等等。但通过化学分析，可知是脱氧核苷酸的3号碳原子和相邻的脱氧核苷酸的磷酸基团之间通过磷酸二酯键将脱氧核苷酸连接成长链，使脱氧核糖核苷酸链保持稳定，以此作为评价标准。

2.2 评价DNA是单链还是双链

关于DNA是由单链还是双链构成的，学生也会有不同的推测，建构模型时甚至会出现三链的形式。但DNA作为生物的遗传物质要保持遗传信息的稳定性，就需要形成双螺旋的稳定结构，如果DNA是单链则容易发生变异，不利于遗传信息的稳定传递，即采用“遗传信息的稳定性”作为评价标准。

2.3 评价碱基在内侧还是外侧

已经建构完成的DNA是双脱氧核苷酸链，接下来就要评价学生对碱基位置的构建。学生可能将碱基放置在外侧，可能都放置在内侧，也有可能一条链上的碱基在内侧，另一条链的碱基在外侧。但DNA分子的特异性在于碱基特定的排列顺序，它承载着生物极其重要的遗传信息，而将碱基放在双链的内侧则有利于保护遗传信息的稳定，这样的建构才是合理的。endprint

2.4 评价碱基之间的连接

对于碱基之间的连接方式，则需要从两个方面进行评价：① 碱基之间互补配对的方式，腺嘌呤对应的是胸腺嘧啶，鸟嘌呤对应的是胞嘧啶。因为A-T碱基对和G-C碱基对具有相同的形状和直径，这样构建的DNA分子才具有相等的直径。② 配对的两个碱基之间是通过氢键相互连接的，A=T，G≡C。这样的连接方式在DNA分子的中间对双链结构进行了加固，使其更加的稳定。

2.5 评价DNA分子如何构成立体结构

之前的四个评价分歧点都是针对DNA分子平面结构建构的，接下来就要对学生建构的DNA分子的空间结构进行评价。大部分学生都能够建构出DNA分子螺旋化的结构，但是会出现左螺旋和右螺旋的两种情况。根据1953年沃森和克里克提出的DNA双螺旋结构模型，他们构造出一个右手性的双螺旋结构，即DNA的两条链逆向平行伸展，围绕同一中心轴盘绕呈右手双螺旋。DNA分子通过右手性双螺旋后形成了立体的空间结构，使其更加牢固，遗传信息的稳定得以保证。

教师以“一个合理、完善的DNA分子模型应该具备怎样的特点”导入，并对每一组的模型进行打分，模型建构活动顺应了儿童好动与好奇的天性，让学生在表现欲与求胜欲的驱动下，始终保持着高涨的学习热情，展开对生物模型评价标准的深入思考和讨论。根据学生所制作的模型间的“矛盾冲突”，教师在问题链中引导学生对模型知识点的拆分与学习，并建立评价标准，再让小组成员进行模型校准，从而让学生建立完整而深刻的知识体系。经历模型评价与校准这一过程，可以使学生不间断地产生认知冲突，在疑问中反思、顿悟，以完善学生对生物模型的准确认识，最终培养其勤学善思、勇于质疑的科学态度，树立起牢固的唯物主义辩证观。

3 科学史探究，精神培育

教学主线的逆向在模型校准中得以体现，但是模型校准中一个个评价要点对应了的不仅仅是学生的思维分歧点，也曾经是科学家探究过程中争论不休的地方。任何一个生物模型的建立都是几代科学家用心血与智慧所铸就的，所以在进行生物模型课的课堂小结时，教师需要教给学生的不仅仅是记忆生物学模型的要点，更应该让学生结合生物学模型探究的科学史，了解科学探究的方法，铭记科学家们的历史贡献，并培育学生的科学探究精神。

例如在讲授DNA分子结构的发现时，教师在学生已经校准模型的基础上，以设置问题链的形式让学生去了解：模型建构的方法起源于哪里？磷酸二酯键的存在又是谁提出的？双螺旋、碱基在内侧决定的反向平行又是根据什么科学依据得出的？碱基互补配对并由氢键连接是谁发现的？借助物理的衍射图谱、化学的结构分析，这一系列问题的解决才形成了沃森与克里克的双螺旋结构模型。这一过程绘制出DNA分子结构发现的科学史，具体如图2所示。以这样的图告知学生，科研既是竞赛又是合作，更是多学科的交叉融合与几代人的智慧结晶，从而培育学生的科研精神。

教学反思与总结：生物学模型的讲解中，要么讲授其探究发现过程，要么侧重于功能与结构适应性。一线教师往往采用将科学史探究故事讲解置于前面，先让学生了解整个生物学模型的探究过程，再讲述生物学模型的特点让学生记忆。这样的教学方式采用了正向教学主线的一般策略，侧重于知识的记忆与科学探究方式的学习。而逆向教学主线与教学案例，则一反常态让学生先了解生物模型的辩证观，再通过逆向思维让学生建构模型，条分缕析评价模型。在学生对知识本身与知识背后的内涵有了一定了解后，再结合模型特点解读模型建构的科学史，以培育学生的科学精神。该教学方式充分体现了学生的主体地位，注重科学知识、科学探究能力、科学精神三方面的培养，可以在一线教学中推广应用，但需要教师对教学节奏与内容穿插上的合理安排。

参考文献：

[1] 金燕，按认知规律设计教学主线的原则与方法[J].中学生物教学，2014，（7）：37-38.

[2] 王芳，“生物膜的流動镶嵌模型”课堂教学主线设计浅析[J].生物学通报，2013，（2）：30-32.

[3] 丁奕然，许平.探寻“四位一体”的中学生物主线教学[J]. 教育理论与实践，2015，（14）：59-60.

[4] 郑云桓，丁奕然.试析多角度的生物科学史教学主线设计[J].中学生物学，2014，30（11）：16-17.endprint