有效学习活动的关键特征和设计策略——以“DNA双螺旋结构模型”为例*

张春雷 师 瑶

（华东师范大学教师教育学院 上海 200062）

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》将生物学学科核心素养凝练为生命观念、科学思维、科学探究、社会责任4 个方面[1]，为生物学学科课程发展指明了方向。生物学教师在教学工作中应以“核心素养为宗旨”，将发展核心素养这一课程目标落到实处。

1 教学设计是核心素养在课堂落地的重要依托

教学设计是教学实施的行动预案，是教师专业知识的重要表达方式，是教师落实核心素养目标的关键环节。有效的教学设计需要根据教育学、心理学、教育技术学等相关原理和教学原则系统地展开。此外，教案作为教学设计的实体呈现方式，也是教师进行专业知识交流的重要媒介。教师不仅可通过教学设计了解其他教师对特定学科主题的教学策略和方法，增长自己的教学案例知识和技能，还可表达自身的教学想法和实践做法。教学设计作为融合教学理论与实践的桥梁，不可或缺。但反观现实，教学设计还存在重教轻学、低水平重复现象严重、创新不足等问题[2-3]。

2 有效学习活动的关键特征

对于教学设计而言，朱正威就明确提出教学设计重在“学”的设计，教师除了教什么，怎么教，还要关注为什么学，学什么，怎样学[4]。一堂课的有效性归根结底是建立在学习活动有效性的基础上，而有效的学习活动应具备以下关键特征。

2.1 学习活动设计的目的性 每个学习活动都是为了达成特定的教学目标。学习活动和目标相匹配要促进学生核心素养的发展。由于核心素养发展具有长期性，因此,教师要将长期目标分解为适合当下主题可承载的短期目标。只有符合目的性的活动才可能是有效的学习活动。

2.2 学习活动内容的合理性 现代教育科学研究成果已为教学实践提供很多行之有效的教学原则。教师在设计学习活动时，应将这些科学原理和教学原则作出基本依据。例如，先前组织者、可视化原则、循序渐进原则等，都可转化到学习活动设计之中。此外，学习活动内容选择、难度设计则需要依据学生已有知识和经验，只有这样才能更好地符合学生的认知特点、提高学习成效。

2.3 学习活动任务的适应性 教师设计的学习活动并不是一成不变的，它需要能根据教学实际情况作出灵活的变化、调整和展开。教师设计学习活动时应考虑教学的不确定性，并且作出应对。例如，教师可通过设计任务梯度适应能力层次不一样的学生，此外，还可通过提供脚手架拓展学生的学习能力和最近发展区。

2.4 学习活动效果的可测性 教师要对教学活动内容和步调作出及时调整，就需要保证每个学习活动的效果都具有可测性。很多经验丰富的教师会通过学生的目光、言语判断学习效果。但对于重要的学习活动，教师还需要有意识地设计更为可靠的评价方式，例如，口头提问、举手表决、纸笔练习、观察学生操作等。为了提高评价的可靠性，教师可在活动过程中设计关键的检验点，进而基于反馈信息灵活调整教学活动。

2.5 学习活动之间的连贯性 高质量的课堂教学往往具有连贯的内容线索，国际测评项目TIMSS 的视频分析研究就充分证明了这一点[5]。一个单元、一节课的学习活动需要围绕一条连贯的教学主线展开，其实质就是基于学生的认知逻辑和学科逻辑设计连贯的学习活动序列。而对于整门课程而言，课程标准提出的大概念就是本文能贯穿课程始终的重要线索。通过连贯的内容主线串联学习活动有助于学生建立概念联系、形成良好的知识体系、构建学科大概念。

3 有效学习活动的设计过程和学习任务示例

本文以一个具体案例展示有效学习活动的设计过程，并通过一系列学习任务加以说明。

3.1 有效学习活动设计的过程 首先，要充分借鉴已有的教学设计和研究成果，以同行的教学实践创新作为设计的起点。文献检索发现“DNA 分子结构”教学设计至少有15 篇，可见生物学教师对该知识点已进行了诸多探索。例如，利用微课多媒体等教学形式展现科学史[6]，或利用科学史资料引导学生的思维探究[7]，或通过DNA 分子模型的制作增加学生直观体验[8]，以及教师结合核心素养发展的要求，从生命观念、科学思维、科学探究、社会责任的角度对该内容的育人价值进行了挖掘和设计[9]，也有教师从科学史与模型构建相结合的角度进行探索[10-11]。综上，教师已认识到该主题的关键价值在于利用科学史材料发展学生科学思维和模型构建能力、形成结构与功能相适应的观点。但前期研究多关注在教师的教，对于学生的学习任务关注不够甚至完全省略，在学习任务的目的性、合理性、适应性、可测性和连贯性方面也需要提升，对学习任务的阶梯和脚手架也缺乏针对性设计。很少有教学设计关注科学家是如何基于DNA 的X 光衍射图谱推导出双螺旋结构的，而该过程无疑是DNA 双螺旋模型构建的重要环节，同时，也是发展学生科学思维和模型构建能力的良好材料，但需要教师合理设计任务阶梯，并为学生搭建合适的脚手架。

为了促进学生的理解，教学需要从指向核心概念的问题开始[12]，本主题聚焦的关键问题就是“DNA 作为遗传物质，其分子结构是怎样的”，通过对该问题的思考和模型建构帮助学生在分子层面建立“结构决定功能”这一核心概念。整个学习活动围绕着科学史和DNA 分子结构模型构建展开，通过一系列有逻辑的问题和阶梯性学习任务促进学生生物学学科核心素养的发展。

3.2 “DNA 双螺旋结构模型”学习任务示例

任务1：DNA 分子结构的揭示是20 世纪最重要的科学发现之一。在探究DNA 分子结构之前，思考：一种物质能作为遗传物质必须满足哪些要求？（学生思考遗传物质的功能：承载遗传信息、保持遗传信息、传递遗传信息，明确遗传分子应具备的特性）

任务2：DNA 分子是一种生物大分子，其基本单位是脱氧核糖核苷酸。脱氧核糖核苷酸结合形成DNA 单链的方式是怎样的？DNA 由几条链构成？链与链如何结合在一起而保持稳定？尝试列出所有可能的模型。（猜想、构建模型）

任务3：哪些模型可能并不合适？为什么？根据遗传物质的基本要求去除不合适的模型或修正模型。（检验、修正模型）

任务4：科学研究要大胆假设、小心求证。沃森和克里克也是通过模型构建的方式对DNA 的结构展开研究的。开始阶段他们也不知道DNA究竟是几条链、链与链又是如何结合的。与此同时，很多其他研究团队也在作同样的努力，例如，生物化学家鲍林提出了3 条链模型，其中，磷酸基团排列在内侧、碱基排列在外侧。对这个模型如何评判？其是否稳定？（进一步检验、修正模型）

任务5：沃森、克里克看到上述模型后，马上发现了该模型的致命缺陷（磷酸基团带负电，排列在内侧会使得DNA 分子不稳定）。而科学家富兰克林提供的DNA 分子的X 射线衍射图谱[13]，这为沃森、克里克最终解码DNA 分子结构发挥了关键性作用，如图1。

图1 DNA 分子的X 射线衍射图谱[13]

如何解读这张X 射线衍射图谱？首先,做一个简单的演示实验，用激光笔的光束照射在圆珠笔芯的弹簧上，这时也会发生衍射，可观察到一个X 状的衍射图（图2）[14]。

图2 衍射图谱原理演示实验示意图

从该演示实验结果，可推断出什么结论？（基于新的证据检验和修正模型）

任务6：克里克根据衍射图谱的形状推断出DNA 是螺旋的，又根据图谱的细节（缺少了2 条线）推测出DNA 是双链、螺旋的、直径几乎不变。

但是，4 种脱氧核糖核苷酸结合方式是怎样的？查哥夫（Erwin Chargaff）[15]对4 种生物来源的DNA 碱基含量展开研究，结果如表1。

表1 不同生物来源的DNA 碱基含量

从表1可得到什么规律？得出哪些推断？无论是哪一物种，A 似乎总和T 数量差不多，C 和G差不多，这意味着什么？科学家多诺发现碱基可通过氢键结合，如何根据这些新发现修正模型？

任务7：基于上述发现，沃森和克里克尝试将2 条DNA 链拼接，发现要想符合所有的要求，双螺旋、碱基互补配对、直径不变，只能将2 条链反向拼接，最终所有的条件都得到了满足。当他们将该模型展示给另外2 位科学家时，他们都惊讶于这个模型的巧妙和精美。如何看待DNA 双螺旋结构发现的历程？从中获得哪些启示？

在该系列任务活动中，DNA 发现的历程是明线，学生建模、检验模型、修正模型的过程为暗线，整个学习活动围绕模型构建、模型检验、模型修正3 个环节进行。在此过程中，学生既可学到科学知识（DNA 双螺旋结构模型），又可学习和体会科学知识的产生（模型构建）和发展过程（检验和修正模型），进而对科学形成更完整的理解和更深刻的认识[16]。

4 有效学习活动的设计策略

如何提升学习活动的有效性？笔者认为可从课堂学习活动组成要素及教学过程主要矛盾2个方面入手。

4.1 有效学习活动设计应保障活动要素的一致性 课堂是多要素、多层次的系统结构，核心素养作为价值理念层面的顶层设计，它需要课堂其他要素与之相呼应和匹配[17]。体现在学习活动设计上，应考虑活动目标（要发展的关键概念和核心素养）、活动焦点（要解决的关键问题）、活动内容（学习任务）、活动基础（学生已有概念、经验）、活动评价（检测内容和方式）之间的匹配一致和相互呼应，如表2。

表2 DNA 双螺旋结构模型构建学习活动的各个要素解析

每个任务都需要从指向核心概念的问题入手，并设定观察点通过学生在活动中的表现反馈目标达成情况，通过设计和提供特定的脚手架辅助学生的学习，而学生核心素养的发展则体现在学生的DNA 分子模型构建、检验、修正、反思等学习活动中。学科核心素养并非只是一些抽象的维度或概念，而是凝结着学科具体知识的本质、特定的学科思想、问题解决的方法论，以及学习者在具体学科领域所应具备的能力表现与体验[18]。

4.2 有效学习活动设计应恰当解决教学过程的主要矛盾 学习活动设计除了需要兼顾活动各个要素之外，还应恰当处理好教学过程中的主要矛盾。

4.2.1 教师活动与学生活动之间的矛盾 教和学是一个统一体，教师的教本质上服务于学生的学。本节课将学习活动放在中心位置，通过设置系列学习任务为学生的主动学习创造机会，教师的提问、资料提供、问题提示成为学生DNA 分子模型构建的认知阶梯和脚手架。教师将猜想、推理、判断、模型构建的权利和责任归还给学生，进而克服教师单纯讲授而导致学生被动学习的弊端。

4.2.2 学生认知逻辑与学科逻辑的矛盾 学习活动设计需要考虑学生的认知逻辑和学科逻辑并对二者作出平衡。对于短期教学活动，教师可优先考虑学生的认知逻辑，这能提高学生学习兴趣、促进有意义的学习。本节课中，如果严格按照科学发展史，无论是查哥夫还是富兰克林的研究结果都先于鲍林提出了3 条链模型，但是鉴于认知难度及学生模型构建的需要，任务呈现的顺序是4➝5➝6，而不是6➝5➝4。对于长期教学活动，教师可优先考虑学科发展史顺序，从而帮助学生更好地从历史情境出发，认知学科发展规律和构建学科大概念，例如，学生先学习孟德尔遗传定律后学习减数分裂就是基于这一考虑。

4.2.3 学生活动预设与生成之间的矛盾 教师应充分考虑教学活动的不确定性，并维持学习活动预设与生成之间的张力。本节课的学习任务是基于核心素养发展目标达成的预设，但很多铺垫性资料和问题提示只有在学生需要时才提供，教学步调需要针对学生情境作出调整则是生成性的。预设不能成为学生开展主动学习的限制，教师反而应通过学生的主动探究传递大概念[19]。因此，教师设计学生活动时要考虑学生可能的认知走向，并作好相应的准备。有效的学习任务设计是师生共同追寻问题逻辑、寻宝探秘的认知地图。

学习活动是教学设计的关键，是发展学生核心素养的根本依托。教师应高度重视学习活动的有效设计，依据课程标准的要求，结合教材中教学主题及学生特点设定合适的学习活动。学习活动的设计应围绕核心概念和相应的关键问题展开，基于学生已有知识和生活经验进行设计，通过合适的评价方式和脚手架进行灵活调整和辅助。此外，教师还应处理好学习活动设计中的主要矛盾，恰当地设计和匹配学习活动的各个要素，从而有效摆脱教学目标与教学过程脱节、目标-活动-评价三者不一致的现状，真正促进教学目标的达成及学生核心素养的发展。