“泡开”生物学核心的概念、原理和问题——再论“两次倒转”教学机制的应用关键

吴开其 张 晋

(四川省泸县第二中学 泸州 646100)

“第一次倒转”是将人类认识的终点定为学生认识的起点，“第二次倒转”是学生再认识的过程，将关键的、有意义的环节进行逻辑的、结构的、系统的、有目的展开，实现将人类的认识成果转化成自身的力量[1]，包括建立生命观念，学会问题解决，体验科学探究。过程中新内容的学习就像茶叶一样“泡开”的过程，自然实现生物学核心素养培养[2]。

1 “浸润”： 处于有温度的课堂中

当教学以核心的概念、原理和问题高位入手进行“第一次倒转”后,需要一个有温度的课堂，它能让学生调整出最佳的身心状态去接纳新知识，开启认识活动，实现与新知识温和对接，由此才能更好地对核心的概念、原理和问题展开学习和讨论。对于生物学科，课堂应具备以下一些特点：

1.1 有生物科学艺术之美的课堂 除了自然界形形色色的生命体之美，课堂中呈现的一张电镜下拍摄的受精作用图，一段灵动的减数分裂过程，一个规则的双螺旋DNA模型，一个神奇的无性繁殖现象，一种精细的物质间信息交流方式，都是课堂上为学生展现科学艺术美的重要方式，课堂中需要将发现美的眼镜向其聚焦。

1.2 有生物科学历史韵味的课堂 例如在讲果蝇的伴性遗传时，给学生以讲故事方式叙事摩尔根与果蝇的缘分，讲述最开始科学家受拉马克“用进废退”思想影响，将果蝇于黑暗和有色光照下培养研究，讲述摩尔根珍惜的那只突变白眼果蝇产生，到最后白眼雄蝇精神抖擞死去的过程。又如当一名教师声情并茂地朗诵着“八年耕耘源于对科学的痴迷，一畦畦豌豆蕴藏的秘密……”时，由此开启对150多年前豌豆植物杂交试验足迹的追寻。

1.3 有生物科学情境再现的课堂 例如，研究胚芽鞘向光弯曲实验，直接让学生在教室培养玉米胚芽鞘，并观察胚芽鞘生长，再现研究情景。又如，课堂上进行色盲测试，统计出班上32名男同学有2名患色盲，基本满足理论概率0.7%，让学生思考原因。

2 “舒展”： 核心的概念、原理和问题的生长

2.1 生物学科思想引领完成核心概念的延伸 平时，无机物、细胞器、蛋白质、核酸、内环境、激素、种群、生态系统这类概念的教学，通常让学生构建概念框架常用的方法是逐个章节筛查、遴选的方法，概念关系构建比较机械。建议以生物学思想和方法引领概念关系构建，实现核心概念的生长。例如，将生命观念的“物质—结构—功能—运行”观念和生物信息论思想相结合，以蛋白质、DNA为核心概念，引导学生建立起的相应概念图(图1)。再如，二元对立思想在对概念关系构建的指引： 当谈到蛋白质合成时，就应想到蛋白质分解；当谈到同化，就应想到异化；谈到生物因素，就应想到非生物环境因素。关于“水”，可配对地想到细胞中的水和细胞外的水，身体中的水和生态环境中的水、自由水和结合水，以此实现概念系统地延伸。

图1 结构与功能适应观、生物信息论思想指导的概念图构建

2.2 中间比喻帮助核心原理的理解 在“转录翻译”“减数分裂”“呼吸作用”“光合作用”“细胞免疫”等典型生命活动原理或机制的教学中，经常遇到专业术语陌生零碎和原理需完整性教学之间的矛盾。例如在“基因工程及其应用”的教学时，如果先讲基因工程的工具，再讲基因工程的操作流程，那么学生仅仅是在接触各种孤立的工具，这样显得枯燥无逻辑。但如果先讲基因工程操作步骤学生又听不懂过程中出现的专业词，这样容易造成认知过载。同样的情况也发生在“基因指导蛋白质的合成”教学中，教师对于先讲“密码子”“反密码子”这些下位概念还是先讲“转录翻译”的过程机制感到为难。合理利用比喻可解决此矛盾，将核心原理学习伸展开来。

首先是高位入手，用通俗言语讲解生命活动原理或过程。例如，“基因指导蛋白质的合成”中“翻译”活动原理的教学来说，直接呈现“翻译”的过程原理，将涉及到的专业名词“tRNA”“密码子”“进入位点”暂时用“携带氨基酸的运输工具”“字母编号”“对号入座”形象词语代替。一些生命活动原理暂时用通俗的语句代替，如“用剪刀将运载体剪开，把目的基因放到运载体缺口，再用针线缝合”“两个氨基酸各自将手中的元素扔掉并手拉手的过程叫做脱水缩合”和“携带氨基酸的运输工具对应mRNA上的字母编号对号入座到场所的椅子上”这样的语句。

其次是自学专业术语。在熟悉基本原理基础上，教师出比喻词，学生有目的地结合教材自学专业术语。并且小组合作将之前原理叙述中通俗化的词语替换为专业术语，组内合作调整和组织语言呈现对原理的理解。例如，“翻译”原理解释的语句替换为“携带氨基酸的tRNA通过反密码子和密码子的配并对安置在核糖体的位点1”。

再次是展示交流，小组代表用专业术语，结合绘图、板书甚至模型展示重新讲解生命活动的原理或机制。同时需要小组利用专业术语、原理去重新解释生物学事实，例如，让小组用专业术语解释“密码子的简并性”和“多聚核糖体条件下的翻译结果”。

2.3 自主探究着力核心问题的解决 一些涉及科学探究或假说推理的教学，一线课堂常采用所谓的“问题串”一步一步引导学生探究，问题随着学习逐一呈现但造成“牵着”学生走。有的课堂将多个问题全部呈现，又造成学生认知恐慌，被问题“压着”走。

例如，在证明“基因在染色体上”的教学中，教师设置了许多与核心问题之间具有逻辑关系的子问题，借助摩尔根实验背景，提出问题串：“控制眼色的基因为显性还是隐形？控制眼色的基因位于常染色体还是性染色体上？位于性染色体的X染色体还是Y染色体？位于X染色体的同源区段还是非同源区段？”这些问题看似非常具有逻辑关系并引导学生一步一步深入思考，但学生或是在欣赏问题逻辑，或是在被问题拖动学习。因此，类似探究性问题解决需注重两个关键： ①多个问题精简成一个核心问题。确立问题和问题表征，联系原有相关的问题解决方式，确立问题解决所需的思维方式，接着呈现问题解决的材料，实现问题的表征。以上述“基因在染色体上”教学为例，本节课其实需要解决的核心问题就是仿照孟德尔采用的假说—演绎法，根据摩尔根实验背景完成控制眼色基因遗传机制的证明。②围绕核心问题构建自主探究。一方面，在确定核心问题条件下，教师需为学生提供问题解决的材料或条件，例如关于上述的“基因在染色体上”一节教学，由于摩尔根的实验不可能在课堂中真实再现，因此需要将其“蝇室”中完成的实验以材料形式展现出来[3]，学生只需根据第一个实验进行分析或凭借直觉的思维可作出假设，依据后三个“验证实验”进一步进行演绎推理即可(图2)。从而学生自己根据假设和实验证据形成内部心理对话：“若假设成立需要满足实验证据，如不满足则需要更改假设”，这样在“试误”中不断确信或修正自己的假说。另一方面，问题的自然生成，探究过程中引导学生自己提出来并主动解决问题。例如在探究“酵母菌呼吸方式”的实验教学中，组织学生小组间相互质疑，学生会自然提出“怎样保证瓶子中酵母菌只进行有氧呼吸？”“我采用不加酵母菌的培养液作为对照排除空气中CO2的影响。”这样的问题或解决方案。

图2 “基因在染色体上”教学中核心问题的设计

3 “还原”： 回归促进核心素养培养的教与学

笔者认为，核心概念的展开与延伸伴随着“生命观念”等生物学思想的逐渐形成；核心问题的解决需要历经一次次“科学探究”过程；核心原理的理解还依靠“科学思维”对信息各种形式的加工。促进核心素养培养的本真课堂必定是有利于核心的概念、原理和问题“泡开”的课堂教学，学生在这样的课堂教学中能获得促进自身发展的机会和动力。

3.1 学生能积极参与和互动 问题解决的跟进、知识的生长、核心概念和原理的展开，最终学生需要在学习共同体(小组或班级)形成共同知识，并对公共知识持续改进[4]，核心的概念、原理和问题的“泡开”，伴随着课堂由自主学习的“静”到相互切磋的“动”： ①台下到台上的互学过渡。正如前面的例子“基因在染色体上”一节的教学，当学生对比自己的假设时，若发现不同，势必会问对方是怎么假设的，怎样验证的。若相同，大家的探索过程会一样吗？好奇的学生会追问：“你怎样排除白眼基因不在X染色体同源区段的？”“你是不是随便猜测的？”②台上展学时学生间智慧的碰撞。面对学生的争辩或达成的错误共同知识，教师可以参入进来，以学习者的心态继续对共识进行修正。学生之间进行相互探讨，对提出的问题进行深化、质疑、评价。

3.2 逐渐形成创造未来历史的品格和情怀 一方面，体会经典的科学史中人类认识过程的意义、方法。也就是在体会科学史发展的艰辛、原有伟大成就的价值、对人类发展的贡献甚至是现有研究的遗憾中培养对国家、人类发展的“社会责任”核心素养。例如在学习“血糖平衡”时，对我国人工合成胰岛素的历史背景进行介绍，在学习微生物时对青霉素的发现背景作介绍，这些都有利于学生去感悟国内外科学家的努力和成就。另一方面，对生物学发展的未来历史产生向往。也就是在积极关注、思考生物学发展的前沿、生物学领域正在攻克的历史性难题的过程中培养对国家、人类发展带有自豪、期许的“社会责任”核心素养。例如在讲癌细胞时，介绍目前治疗癌症的新手段和正在攻克的方向，我国又是处于怎样一个研究水平。在学习生态系统中分解者时，让学生思考分解者在生态平衡中的作用，给处理城市垃圾带来的启示。

3.3 持续又一次“倒转”的教与学 新的学习是为下一次学习服务的，新知识被同化或顺应后应体现其价值，并开启以新知识为旧知识的学习。例如，在以“物质—结构—功能”为线索进行核心概念学习后，应继续在“功能”上探索“运行”机制，“运行”机制的探索可用建模的方式便于分析，这样先后学习蛋白质结构、蛋白质功能、免疫蛋白的作用机制、构建免疫机制的模型图；再如，结合新学习的原理或机制以应用的方式进行又一次“倒转”学习，基因工程讲完后，以该原理为旧知识还原艾弗里实验，重新分析当时模糊且抽象的“转化因子”，还可以将基因工程原理为材料延伸基因漂流，不让学生在没有背景材料去讨论基因工程利与弊；又如，在解决核心问题“基因在染色体上”后，通过课堂改组，让学生简约、经典地历经假说—演绎过程。可让学生以批判的态度分析摩尔根不可能一口气想到并做“后三个”验证实验，分析摩尔根与果蝇伴性遗传发现究竟是怎样一个一步一步进行的过程，促使学生对果蝇伴性遗传的历史进一步学习，体会科学研究的过程和方法。