基于概念模型构建的支架式教学研究——以“核酸是遗传信息的携带者”一课为例

广西南宁市第三中学（530021）颜婷婷

概念模型是指一种为了达到某一应用目的而用语言文字、符号、图形等简化、概括某种信息表述的模型，具有可视、形象、直观等特点。

支架式教学是指为学生的学习提供适当的线索或提示（支架），让学生通过这些支架一步一步地攀升，逐渐发现和解决学习中的问题，掌握所学知识的一种教学法。它以建构主义学习理论为理论基础，以学习者为中心，以培养学生的问题解决能力和自主学习能力为目标。

概念模型与支架式教学的结合有利于学生构建生物学知识体系。在进行教学之前，教师要了解学生的前概念（学习前对某一事物的观点、认知和想法），并且根据课程标准的要求，明确教学中需要传授哪些大概念与重要概念，如何通过一系列支架，即问题设计以及学生活动，让学生越过最近发展区，构建更高层次的知识体系。

要想开展基于概念模型构建的支架式教学，教师应注意以下几个方面：（1）问题设计要贴合概念本身含义，由浅入深、由现象至本质，促进学生思维能力的提升；（2）问题设计要具有探究性，能调动学生思维，提升课堂活跃度；（3）问题设计要注重联系生活实际，引入特定真实情景供学生分析，提升学生分析和解决问题的能力；（4）学生活动设计要注重合作学习，能引导学生通过同伴互助提高学习效率。

本文基于大概念教学的理论研究和最近发展区的核心理念，以“核酸是遗传信息的携带者”一课为例，重点阐述如何基于概念模型的构建，组织和实施支架式教学。

一、学情分析

在学习本节课之前，学生已经学习了组成细胞的元素和化合物（如糖类和蛋白质等），对“生物大分子是由许多基本组成单位连接而成的”有了初步的认识，但由于核苷酸的种类多样，且自身的化学知识储备不足，他们很容易产生知识上的混乱，故教师在引导时应告知学生不要纠结于化学基团的书写，而要以化学基团为单位，构建核酸结构的模式图。

二、教学目标

生命观念：总结细胞的物质组成，了解各物质在细胞生命活动中所起的作用；通过学习核酸的结构与功能、生物大分子以碳链为骨架等，认识到“结构决定功能”的生物学原理，从而形成结构与功能观。

科学思维：在前概念的基础上，采用概括、推理和建模的方法自主构建概念模型，概括核酸的结构与功能这一重点内容；通过评价概念模型，培养批判性思维。

科学探究：在科学探究和解决问题的过程中，通过与他人合作交流，培养严谨求实的科学态度和科学探究精神。

社会责任：通过学习“每个生命的特征体现都是其核酸携带相应遗传信息的结果”，认识到每个生命都是独一无二的，从而培养尊重生命、保护生命以及爱惜生命的社会责任感。

三、教学重难点与破解方法

重点：核酸的种类与结构组成。教师引导学生聚焦本节课的关键词（如核酸、核苷酸、五碳糖、磷酸、碱基等），并提出层级递进的支架式问题，让学生思考解决并构建相应的概念图。

难点：概念图的构建。教师首先根据教材内容给出部分完整的概念图，让学生了解概念图的基本形式；然后给出留白的概念图，让学生尝试完善概念图；最后给出关键词，鼓励学生自主构建概念图。

四、教学过程

（一）利用热点情境导入

教师展示核酸检测场景图与核酸检测报告（图略），并创设情境：“当前，我国疫情防控形势依然严峻，核酸检测是疫情防控的重要手段，也是抗击疫情中最为关键的环节，通过大规模的核酸筛查，可精准定位感染人群。现在我国通过混检等核酸检测技术，大大降低了检测成本。”

提出问题：（1）病毒主要由核酸和蛋白质构成，为什么要检测病毒的核酸？（2）核酸检测为什么能准确识别患者感染的是新冠病毒，甚至还能识别其感染的是哪种毒株？（3）新冠病毒的核酸是哪种类型？为什么其容易发生变异？

说明：以新冠病毒的事实情境导入课堂，让学生认识到核酸的普遍存在及独特性，并且知道身边的生活现象能用所学的生物学知识来解释，提高学生的生物学学科核心素养。

（二）借助概念模型，搭建教学支架

教师在了解学生前概念的基础上，先搭建第一个知识层级“核酸是一种普遍存在于生物体内、具有独特性的生物大分子”；接着展示资料，从中引出实验研究，证明生物体内的核酸包括脱氧核糖核酸和核糖核酸；然后通过图片展示核酸是由核苷酸连接而成的长链，搭建第二个知识层级“生物体内的核酸有DNA 和RNA，其基本单位是核苷酸”；最后在学生了解DNA和RNA的基本组成单位及其结构后，进一步引导学生了解DNA 和RNA中核苷酸排列的多样性，搭建第三个知识层级“核酸是细胞内携带遗传信息的物质，在生物体的遗传、变异和蛋白质的生物合成中具有极其重要的作用”。具体过程如下：

1.核酸的种类及其分布

教师展示资料：（1）1868 年，瑞士科学家米歇尔（F.Miescher）从脓细胞的细胞核中分离出一种含磷量很高的酸性物质，这就是核酸，后来人们发现，核酸有两种类型：脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）；（2）通过甲基绿和吡罗红染色可观察DNA 和RNA 在细胞中的分布，甲基绿把DNA染成绿色，把RNA 染成红色；（3）观察甲基绿和吡罗红染色后的图片，推测DNA 和RNA 在细胞中的分布；（4）1951 年，科学家千叶（Chiba Y.）发现叶绿体某些部位能通过甲基绿染成绿色，后来，人们又发现甲基绿也可以将线粒体中的某些物质染成绿色，这说明了什么？结合以上学习支架，学生进行思考探究，并在教师的帮助下构建出“核酸的种类及其分布”概念图（如图1）。

图1 “核酸的种类及其分布”概念图

2.核酸的结构

教师首先提出问题：核酸是一种生物大分子，它的基本单位是什么？它们是如何连接构成核酸的？然后引导学生阅读课本文字，提取关键信息，完成概念图（如图2）的填充。这个过程把构建概念图的主导权交给了学生。此概念图可视为通往第二个知识层级的支架。在构建概念图的过程中，学生不仅培养了精细阅读的能力，还培养了归纳、比较等科学思维能力。

图2 核酸的结构概念图

学生自主构建有关核酸的知识体系：核苷酸包括脱氧核苷酸和核糖核苷酸；脱氧核苷酸连接组成两条脱氧核苷酸链，进而构成DNA；核糖核苷酸连接组成一条核糖核苷酸链，进而构成RNA。

接着，教师结合教材图片，利用图3 让学生进行识图辨析。

图3 核糖核苷酸和脱氧核苷酸

学生通过讨论对比得出：（1）每分子核苷酸由一分子含氮碱基、一分子五碳糖和一分子磷酸组成；（2）脱氧核苷酸中的五碳糖为脱氧核糖，核糖核苷酸中的五碳糖为核糖；（3）碱基的种类总共有5种，核糖核苷酸中的碱基为A、G、C、U，脱氧核苷酸中的碱基为A、G、C、T。

然后，教师将复杂的分子结构式转化为核苷酸结构简图（如图4），并鼓励学生将之前讨论得出的结果填写到结构简图中，从而得到概念模型（如图5）。

图4 核糖核苷酸和脱氧核苷酸结构简图

图5 核糖核苷酸和脱氧核苷酸相关概念模型

最后，结合以上概念模型，教师针对教材中的图片（如图6）提出问题：核苷酸之间是如何连接在一起的？通过形成磷酸二酯键（如图7），让学生明白：核苷酸分子可以经过脱水，形成分子质量非常大的结构，由此将核苷酸与生物大分子联系起来。同时引导学生通过问题讨论与概念模型的构建，实现知识层级2的学习目标。

图6 核苷酸连接而成的长链

图7 核苷酸之间通过磷酸二酯键连接

3.核酸是细胞内携带遗传信息的物质

在这个环节中，教师给学生分发若干圆形、五角形与长方形的卡片，让学生小组合作构建由四个核苷酸连接的DNA 和RNA 核苷酸链模型，并用笔在不同的卡片上写出对应的基团名称。教师巡视指导，关注学生所构建的模型中的DNA 和RNA 对应的核苷酸是否准确，相应的碱基与五碳糖书写以及核苷酸之间连接的位置是否正确等。

在学生完成相应的活动后，教师利用多媒体课件展示不同小组的模型构建结果，再让学生之间相互点评、纠错。教师进行总结：大家组装出的虽然都是链状结构，但并不是一模一样的核苷酸链，原因是选用的核苷酸种类不同，排列的顺序也不相同。由此可知，生物体内的脱氧核苷酸（核糖核苷酸）虽然只有4 种，但是如果数量不限，在连接成长链时，排列顺序便极其多样，脱氧核苷酸的排列顺序储存着生物的遗传信息。核酸在生物体的遗传、变异和蛋白质的生物合成中具有极其重要的作用。

联系导入问题1：病毒主要由核酸和蛋白质构成，为什么要检测病毒的核酸？

核酸是携带遗传信息的物质，核酸与遗传、变异及控制蛋白质的生物合成息息相关，可决定生物体的性状。

联系导入问题2：核酸检测为什么能准确识别患者感染的是新冠病毒，甚至还能识别其感染的是哪种毒株？

不同生物的核酸携带着不同的遗传信息，核酸决定了生物的性状和生理功能，因此核酸具有独特性，检测核酸可鉴定其是否是新冠病毒的核酸。

联系导入问题3：新冠病毒的核酸是哪种类型？为什么其容易发生变异？

新冠病毒的核酸是DNA。新冠病毒的遗传信息储存在RNA中，RNA 的结构只有一条单链，更容易受到环境的影响而发生变异。

这样以概念模型以及问题设计作为支架，逐步搭建通往第三个知识层级的阶梯，可使教学有条不紊地进行。

五、教学反思

本节课基于大概念和重要概念搭建了知识层级支架，并通过指导学生精细阅读、相互讨论以及构建概念模型实现学生知识和能力的跃迁。在这个过程中，学生合作学习、自主知识建构，教师及时反馈、高效评价，并且注重学生之间的相互评价。这体现了学生主体、教师主导的教学理念。