基于建模和论证思维整合的深度教学实践

谢志华

(福建省三明市第二中学 三明 365000)

1 深度教学概念的提出

随着《普通高中生物学课程标准(2017年版)》的正式颁布，教师提得最多的问题是：“什么样的教学方式才是基于核心素养的教学？”要回答这个问题，首先要理解什么是核心素养？核心素养是学科知识教育价值的集中体现，教师不仅要关注学科知识，更要充分挖掘学科知识背后的教育价值，以此为目标，来开展知识教学。不同的学科有不同的知识体系，具有不同的学科教育价值，学生学习，不仅要获得不同的学科知识，更重要的是获得相应的学科思维和学科素养。也就是学生在学习该科目后应具备的能力和品格，是学生与没有学过相关学科知识的本质区别。生物学学科核心素养是学生在生物学课程学习过程中，特别是主动学习过程中逐渐发展起来的，追求的是持久的学习成果和运用能力。只有将学生引向“深度学习”的深度教学，才是基于核心素养的教学。

深度学习(deep learning)概念是美国学者 FerenceMarton和Roger Saljo于1976年首次提出，之后在认知科学和信息技术领域得到研究者的关注。当前学术界对深度学习的界定基本一致，即认为，深度学习是对所学知识进行批判性理解、整合性建构以及创新性迁移的一种学习方式，是一种高阶思维为主导的学习方式，有利于培养学习者的高阶思维能力和批判创新能力[1]。

而深度教学起源于郭元祥教授自2007年以来开展的教学改革实验研究项目，主要针对课堂教学中普遍存在的对知识的表层学习、表面学习的局限性，主张通过知识的深度处理，引导学生深度学习。深度教学并非要无限增加知识难度和知识量，而是基于知识的内在结构，通过对知识的完整处理，引导学生从符号学习走向学科思想和意义系统的理解和掌握。它强调为理解而教，为思想而教，为意义而教，为发展而教，使教学过程由知识为中心转向以学生发展为中心[2]。深度教学要切实体现教学的过程价值，丰富学生的课程履历和学习过程。深度教学的典型特征包括自主性和思维性，即一定是引导学生主动建构知识，同时特别注重学生科学思维的培养和训练。

2 模型、建模和论证方法

学习方式总是与知识类型和学习目标相关联。建构主义认为，学习是学生自己建构知识的过程。学生不是简单被动地接受信息，而是主动地建构知识的意义。因此，教学应引导学习者从原有的知识经验中，主动建构新的知识经验。模型方法是以研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法，在教学中通过模型建构，可以较多地突破客观世界对主体思维的限制，培养学生的想象力，从而使抽象思维和形象思维统一。

无论科学家发现知识或建立理论，还是工程师寻找解决问题的最佳答案，都有赖于论证技能。通过培养论证技能，可以让学生学会如何提出观点、运用证据支持自己的观点、评价以及修正观点，为研究问题构建合理的解释。论证的基本过程是： 资料或数据构成了主张，必要条件对数据提供支持，经过修正或限定条件使结论得以成立。在论证过程中，学生的思维能力得到提高。

3 建模与论证整合的深度教学实践

科学史的学习是培养学生的科学探究能力和科学思维品质的良好素材，以“DNA分子的结构”为例，DNA双螺旋结构的发现是科学界的重要事件，它标志着生命科学研究从宏观走向微观，进入了分子水平。沃森和克里克的合作研究也成为科学史上的美谈，几乎是开创了合作研究的先河。但是，不能将这一段科学史当作一个简单的历史事件来了解，而是要让学生当一次科学家，亲历科学家提出问题、做出假设、寻找证据、检验假设并得出结论的科学发现过程，亲自建构起DNA的双螺旋结构模型，这就是深度教学。在生物模型的建构过程，要始终以生命观念为统领，这是核心素养的体现，也是教学的终极目标。首先要引导学生思考： 科学家已经通过实验证明了DNA是生物的遗传物质，那么依据结构与功能观，DNA作为遗传物质应该具备什么特点才能满足它作为遗传物质的功能？(稳定性，多样性和特异性)模型的建构就围绕着这三个特点进行。

3.1 基于资料推理判断，形成主张 模型不是凭空想象出来的，是建立在已有科学资料的基础上的。而对众多的资料的选择，就体现了学生的判断能力和逻辑推理能力。首先，让学生画出脱氧核苷酸的模式图，并把它们之间的3，5磷酸二酯键的联结画出来，形成脱氧核苷酸长链，这一方面可以对学生原有知识进行检查和巩固，另一方面可以为构建DNA立体模型打下基础。从平面走向立体，这符合思维的进阶。

建构DNA的立体模型，重要的依据是英国物理化学家富兰克林和同事生物物理学家威尔金斯在1951年率先采用X射线衍射技术拍摄到的DNA晶体照片，富兰克林经过计算分析得出双股螺旋的结论。基于此，要引导学生思考的问题是： 两条脱氧核苷酸链是如何联系？应该从什么角度思考？(首先要考虑稳定性)基于此，进一步提出以下几个问题： ①磷酸排在内侧还是外侧？通过化学分析，应该排在外侧；②内侧碱基之间如何联系？一种假说认为是相同碱基之间配对，即A—A， G—G等，但是从化学角度分析不合理，因为难以形成稳定的氢键。科学家查科夫发现的新证据： DNA中碱基A的数目总和碱基T的数目相等，而碱基G的数目总是和碱基C的数目相等使问题豁然开朗，并提出了新的假说，即A—T， G—C，而按照这种配对方式分析，两种碱基对之间可以形成稳定的氢键联系，并且两种碱基对具有相同的形状和直径，这样组成的DNA分子具有稳定的直径，既能够解释A、 T、 G、 C的数量关系，也能解释DNA的复制。因此可以确定，这才是两条链之间实际的联结方式。

在形成主张的过程中，化学知识的支持是必不可少的，学生深刻地领会到自然科学是和谐的，自然界事物的存在都必须符合自然规律。

3.2 基于主张模拟论证，批判修正 通过资料及科学分析，学生对DNA的结构有了初步认识，提出主张： DNA是由两条脱氧核苷酸链构成，两条链按碱互补配对原则形成氢键相联系。基于此，让学生尝试画出DNA双链配对的平面结构图。此时会发现，学生画的图几乎都是对称的两条链(图1)，如何让学生发现错误并且修正这个错误？老师直接纠正当然是最简单的方法，但是学生无法理解，只能是记忆。可以通过一个学生活动来实现对这个误区的修正： 请10位学生模拟脱氧核苷： 左手曲肘举起代表第5位C原子连着磷酸，右手平伸代表示第一位C原子连着含氮碱基，身体是脱氧核糖；5人一组，前后连接排成两列，代表两条脱氧核苷酸链，让两列的学生牵手形成碱基对。此时学生发现了他们画的图中的错误，认识到两列学生的方向必须相反，才能牵手。这样，学生立刻理解了两条链的反向平行关系： 因为每个脱氧核苷酸的空间结构和连接方式是固定的，决定了两条链只有反向平行，才可以形成配对关系。由此修正了错误，建构起正确的模型。这里学生的活动，就相当于是一个模拟论证的过程，在论证的过程中，学生发现了问题，还要修正，并且为修正寻找科学的支持的理由，就是脱氧核苷酸的空间结构和联结方式，这从化学的角度更好理解。这样，学生明白模型的建立是一个不断建立—修正—再建立的过程，即便是今天我们认为是正确的模型，也有可能在将来某一天，被发现有错误或不足，那么就要再进行修正，科学本身就是一个不断修正、不断进步的过程。

图1 学生画出的有错误的DNA平面结构

3.3 验证模型，归纳总结，形成结论 当一个模型建立起来，它是不是真正的能揭示原型的形态、特征和本质，是需要验证的。沃森和克里克按照提出的模型特点，用金属材料制作成模型与拍摄的X射线衍射照片比较，发现两者完全相符，这也就验证了他们所提出的DNA模型的正确性。1953年，他们共同提出了DNA分子的双螺旋结构模型，并且为一个DNA分子如何复制成两个结构相同DNA分子以及DNA怎样传递生物体的遗传信息提供了合理的说明。这被认为是生物科学史中具有革命性的发现，是20世纪最重要的科学成就之一，生命科学从此进入到分子水平。而这么伟大的发现，学生也进行了非常成功的尝试，这极大地鼓舞了学生学习的热情。接着，请学生尝试根据前面的探究过程，总结DNA结构模型，这是一个培养归纳总结提升思维的绝好机会，是思维从感性上升到理性的重要环节。作为教师，要明确科学思维和科学探究互为倚重，科学思维是科学探究的重要内涵，科学探究是科学思维的实证过程[3]。

3.4 体验模型，深度思考，分析应用 建构模型，不仅仅为了明白是什么，更重要的是要明白为什么、怎么用？因此，当学生从理论上建立起遗传物质DNA的结构模型，就要引导学生去深度思考： 为什么这样的结构能作为遗传物质？能行使遗传功能？自然界生物多种多样，而每一种生物都有自己的特性，根本原因是遗传物质的多样性和特异性，那么，DNA的结构如何体现多样性和特异性？

传统的方法是老师分析，学生理解记忆，但感受不深，且思维平面化。只有让学生真正参与真实情境的思维过程，才能深刻地理解知识，真正建构起知识的宝塔。因此，创设一个探究活动情境，提供材料，让每两位学生参与建构一个含10对碱基的DNA立体模型。在建模的过程中，要引导学生思考： 每接一对脱氧核苷酸，就涉及到碱基种类。这种引导使学生很容易体会到，每一个碱基位点，有四种选择机会，因此，全班每个小组拼的DNA模型虽然都是规则的双螺旋结构，但是每个人拼的DNA的碱基顺序都是独特的，具有特异性；不同人拼的DNA在碱基排列顺序上是不同的，这就是DNA的多样性。在拼的过程中，学生会发现当一条链的碱基确定时，按照碱基互补配对原则，互补链的碱基也就确定了。因此，碱基的排列顺序只需要考虑DNA中一条链的碱基数量，如果有10对，可能就有410种排列顺序，而如果碱基对数目更多，则排序种类就更多，则推出排列顺序可能有4n种。这样的活动，不是简单的动手游戏，而是培养学生自主学习和思维能力、在动手的过程中并学会从数学的角度分析模型的方法的过程。这样的活动可以培养学生分析、推理、评估、解释等认知技能，真正理解遗传物质DNA的特点和功能。

4 反思

在教学中，要让学生真正理解概念，就要让学生走进知识的形成过程，深度思考，深度学习，让师生成为学习的共同体，共同建构知识的意义。在教学中，引导学生开展建模活动，是开展深度教学的有效实践。在建模过程中，引导学生应用论证的思维，尝试假说演绎、依据资料提出主张，寻找证据对主张开展论证，支持或推翻，不断建立、修正，最终建构出合理模型。通过建模活动，不仅培养学生的建模方法和建模思维，学会用模型解释问题，同时还让学生体验了科学家的研究历程，学习科学家善于捕获和分析信息的能力、科学思维的方法、严谨的思维品质及持之以恒的科研精神，理解合作、交流的重要性。