指向深度學(xué)習(xí)的生物科學(xué)史教學(xué)

魏 偉

(江蘇省南京市第一中學(xué) 210001)

深度學(xué)習(xí)(deep learning)又稱深層學(xué)習(xí)，是指讓學(xué)習(xí)者在理解的基礎(chǔ)上，對新知識和內(nèi)容進行批判性學(xué)習(xí)，并將新舊認(rèn)知融合，聯(lián)系眾多資料和思想，運用所學(xué)知識遷移到新情境中應(yīng)用，從而做出決策以解決問題。

生物科學(xué)史是前人對生命世界探索的智慧積淀，對它的深度學(xué)習(xí)能夠促使學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)，體驗科學(xué)研究的方法，感悟科學(xué)探究的精神。近年來，科學(xué)史教學(xué)雖引起了教師們的重視，可課堂實踐中往往還存在著“淺層學(xué)習(xí)”的現(xiàn)象：或?qū)⒖茖W(xué)史當(dāng)成“名人軼事”類的趣味談資，或?qū)⒖茖W(xué)史割裂成“講完歷史再講結(jié)論”，或?qū)⒖茖W(xué)史料“大材小用”成“閱讀理解”，或?qū)⒖茖W(xué)史粗放拓展得瑣碎繁雜……沒有了對科學(xué)史料的理性分析和知識的意義建構(gòu)，沒有了科學(xué)發(fā)現(xiàn)的探究過程和科學(xué)精神的有效滲透，這樣的科學(xué)史教學(xué)是粗淺的、不完整的，是不能觸及到學(xué)習(xí)本質(zhì)的?，F(xiàn)以“DNA的分子結(jié)構(gòu)”一節(jié)的校本課程為例，試圖依據(jù)深度學(xué)習(xí)理論，展現(xiàn)科學(xué)史教學(xué)過程，以供探討。

1 前端分析，關(guān)注深度學(xué)習(xí)的起點

“教材解讀”與“學(xué)情分析”是引導(dǎo)深度學(xué)習(xí)的基點。“教材解讀”應(yīng)關(guān)注課標(biāo)的要求、教材的編排體系、教材中的重難點以及教材的學(xué)科思想方法和價值等?！皩W(xué)情分析”可包括學(xué)生已有的知識和經(jīng)驗、相關(guān)的技能儲備、情感因素及身心特征等。前端分析還需弄清學(xué)生現(xiàn)實認(rèn)知水平和潛在認(rèn)知水平之間的“最近發(fā)展區(qū)”，前端分析的目的是以學(xué)定教，直接指向教學(xué)目標(biāo)的確定、教學(xué)方法的選擇和教學(xué)過程的設(shè)計。

“DNA的分子結(jié)構(gòu)”是高中生物學(xué)必修模塊2《遺傳與進化》中的內(nèi)容，本節(jié)內(nèi)容從分子水平上進一步詳盡地闡述DNA的分子結(jié)構(gòu)，是學(xué)習(xí)“基因的表達(dá)”“基因突變及其他變異”以及“基因工程”等的基礎(chǔ)。遺憾的是，人教版和蘇教版教材都沒有體現(xiàn)“建構(gòu)模型”的過程：先回顧科學(xué)史，進行資料分析，再介紹DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的特點，最后是安排“制作模型”。學(xué)生在初中已學(xué)過“DNA是儲存遺傳信息的物質(zhì)”，在高中必修1的“遺傳信息的攜帶者——核酸”中已了解到DNA的基本組成，在多種媒體上接觸過有關(guān)DNA的內(nèi)容。必修1的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)嘗試制作過“真核細(xì)胞的模型”等，初步具備了模型的想象和建構(gòu)能力。學(xué)生可聯(lián)系的知識和經(jīng)驗，使其具有進一步探究DNA分子結(jié)構(gòu)的內(nèi)源動機。因此，本節(jié)課的教學(xué)重點是DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點，建構(gòu)DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型；教學(xué)難點是建構(gòu)DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。

2 設(shè)計思路，明確深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)

教師在進行教學(xué)設(shè)計時，應(yīng)充分利用學(xué)生對“未知世界”的好奇心，創(chuàng)設(shè)問題情境；通過難易適度的更高層次任務(wù)目標(biāo)，驅(qū)動學(xué)習(xí)持續(xù)走向深處；采用豐富精煉的學(xué)習(xí)材料和科學(xué)合理的認(rèn)知策略，幫助學(xué)生攻克難題、獲得成功；給予及時有效的評價與激勵，幫助學(xué)生提升自我效能感。

DNA分子結(jié)構(gòu)較為抽象，需要研究者有一定的空間想像能力，科學(xué)家在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)中采用的是模型方法。因此，構(gòu)建模型是本課教學(xué)中必不可少的重要工具，也是對科學(xué)史實的最大尊重。教師在課堂教學(xué)中，不去先講述DNA分子的結(jié)構(gòu)特點，再組織“模型制作”；而是對教材進行二次開發(fā)，對科學(xué)史料進行適當(dāng)補充和深度加工?？紤]到學(xué)生的已有認(rèn)知水平和最近發(fā)展區(qū)，教學(xué)以“基本單位→單鏈結(jié)構(gòu)→平面結(jié)構(gòu)→空間結(jié)構(gòu)”的主線讓學(xué)生拾階而上、自主建構(gòu)模型。這一過程中，教師應(yīng)盡量創(chuàng)設(shè)“近于真實”的研究歷程，逐步呈現(xiàn)DNA分子結(jié)構(gòu)的相關(guān)史實和知識線索，調(diào)動物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識背景，引導(dǎo)學(xué)生“像科學(xué)家一樣”深度思考并堅持不懈，使學(xué)生在解決實際問題的過程中深度學(xué)習(xí)。

本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)確立為：知識方面為概述DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點；能力方面為建構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，探究DNA多樣性與特異性原因，體驗DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建歷程，領(lǐng)悟模型方法的應(yīng)用；情感態(tài)度與價值觀方面為認(rèn)同合作在科學(xué)研究中的重要性，討論技術(shù)進步在科學(xué)研究中的重要作用，認(rèn)同人類對DNA結(jié)構(gòu)的認(rèn)識是不斷深化完善的過程，初步形成DNA的結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一、多樣性與特異性相統(tǒng)一的觀點。

3 聯(lián)系舊知，引出自主生成的問題

學(xué)生已有的生活學(xué)習(xí)經(jīng)驗以及與新學(xué)知識的聯(lián)系會激發(fā)其興趣，產(chǎn)生情感共鳴。創(chuàng)設(shè)一定的問題情境，將目標(biāo)與內(nèi)容問題化，會觸及學(xué)生的思維深處。但要解決的問題最好不是教師拋出的學(xué)習(xí)任務(wù)，而是師生共同討論生成的話題。

導(dǎo)入本課時，PPT課件可展示“青蛙要給蝌蚪進行親子鑒定”的漫畫，引出“DNA是遺傳物質(zhì)”，拉近與學(xué)生的距離，喚起學(xué)習(xí)的主動性。教師進而提出：結(jié)構(gòu)與功能是統(tǒng)一的，DNA是遺傳物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)是怎樣的呢？以此調(diào)動學(xué)生思維的積極性，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)。學(xué)生回顧DNA的組成元素和基本單位，并利用提供的學(xué)具構(gòu)建若干個“脫氧核苷酸”模型，然后說出所構(gòu)建的脫氧核苷酸具體名稱。在教師指出“DNA分子是由許多核苷酸連接而成的長鏈”后，即讓學(xué)生邊討論邊嘗試構(gòu)建DNA的模型，在動手中學(xué)生會發(fā)現(xiàn)很多不能解決的疑問，爭論紛紛、情緒熱烈。這時，教師要及時組織學(xué)生將遇到的挫折大膽說出，并匯總學(xué)生生成的問題：磷酸基團與脫氧核糖的什么位置相連？DNA分子到底有幾條鏈？這些鏈如何放置？DNA中什么排列在外側(cè)？什么排列在內(nèi)側(cè)？堿基如何排布？

本環(huán)節(jié)承前啟后，旨在刺激學(xué)生對先前學(xué)習(xí)的回憶，與本課新知識建立聯(lián)系，提高學(xué)習(xí)的遷移速度，也為DNA完整模型的構(gòu)建做必要的鋪墊。教師有意讓學(xué)生在動手中產(chǎn)生認(rèn)知沖突、生成問題，旨在引發(fā)學(xué)習(xí)的注意，激發(fā)探究的欲望，培養(yǎng)提出問題的能力和批判性思維。這樣，在教學(xué)一開始就創(chuàng)設(shè)熱烈的學(xué)習(xí)氛圍，使學(xué)習(xí)在和“科學(xué)家當(dāng)時的現(xiàn)實情況”基本一致或相類似的情境中發(fā)生，使深度學(xué)習(xí)順理成章地開始。

4 信息加工，組織面向解決的活動

面向需要解決的問題，教師應(yīng)提供“基于事實但又不局限于事實”的先行組織的引導(dǎo)材料，讓學(xué)生對這些事實進行深度加工，從中提煉出有用的信息和方法。同時，深度學(xué)習(xí)需要學(xué)生在活動中經(jīng)歷分析問題、解決問題的過程，以發(fā)展科學(xué)的思維品質(zhì)和理性的交往能力。因此，教師需要組織高質(zhì)有效的小組活動，讓學(xué)生在新舊認(rèn)知之間、生生之間、師生之間進行多重對質(zhì)，不斷使思維精制化、復(fù)雜化，使概念明晰化，將學(xué)習(xí)逐步推進并走向深入。

本節(jié)課中針對學(xué)生遇到的問題，教師適當(dāng)嵌入情感態(tài)度及價值觀的教育：沃森和克里克也曾遇到大家剛提出的這些問題，但他們沒有放棄，而是不斷學(xué)習(xí)、不斷思考、不斷嘗試。隨即，教師展現(xiàn)“兩位科學(xué)家通過學(xué)習(xí)和請教得到的”史料，鼓勵學(xué)生“像科學(xué)家一樣思考”：①每個核苷酸的脫氧核糖與另一個核苷酸的磷酸基連接在一起, 形成“糖—磷酸基”骨架。②化學(xué)方法分析發(fā)現(xiàn)，核苷酸之間是通過磷酸二酯鍵相連的(可投影圖示)。③二戰(zhàn)后，電子顯微鏡測定出DNA分子直徑約為2 nm。威爾金斯推算出，只有2條鏈或3條鏈的DNA直徑才可能是2 nm。④富蘭克林指出，按照3條鏈的DNA模型，推測出的含水量只是實際測得的1/10。學(xué)生在分析得出“核苷酸之間由磷酸二酯鍵連接及DNA有兩條鏈”的結(jié)論后，再次以小組為單位動手制作模型。這時，他們將再次遭遇挫折：兩條鏈有幾種排列組合的方式？學(xué)生動手、思考、討論后得出如圖1所示的六種可能。

深度學(xué)習(xí)必須建立在對適量事實的理性認(rèn)識基礎(chǔ)之上。該環(huán)節(jié)中，教師在學(xué)生思維的關(guān)鍵點上適時將簡明扼要的科學(xué)史材料呈現(xiàn)，讓學(xué)生自主進行比較、分析后得出理性結(jié)論，從而發(fā)展、改進所制作的模型，建構(gòu)起個人情境化的知識體系，將學(xué)習(xí)提升為深層意義的獲得。而化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)和生物等跨學(xué)科知識的深度融合，可幫助學(xué)生形成多學(xué)科知識相互滲透的觀念，以知識的聯(lián)系和遷移推進深度學(xué)習(xí)任務(wù)的完成。

圖1 DNA分子兩條鏈六種可能的排列情況

5 搭建支架，推動高階思維的發(fā)展

教學(xué)應(yīng)走在發(fā)展的前面，不能消極適應(yīng)學(xué)生的已有發(fā)展水平；教學(xué)應(yīng)分解復(fù)雜的任務(wù)，要提供給學(xué)習(xí)者逐步攀升的支架。因此，由問題轉(zhuǎn)化而成的深度學(xué)習(xí)活動也應(yīng)當(dāng)是有序列的、由淺入深的。邏輯清晰、合乎認(rèn)知規(guī)律的階梯式情境，特定主題、符合學(xué)習(xí)目標(biāo)的典型學(xué)習(xí)材料，值得借鑒、富有參考價值的已有學(xué)習(xí)成果，可引導(dǎo)學(xué)生層層遞進地深入思考，連貫地把學(xué)習(xí)從一個水平提升到另一個新的高度，發(fā)展學(xué)習(xí)者的高階思維。

面對六種可能的雙鏈排布方式和堿基如何放置的問題，學(xué)生再次感受到學(xué)習(xí)的挫折，教師在肯定學(xué)生前期成果的同時，激勵其應(yīng)“像科學(xué)家一樣”堅持不懈，并及時提供“沃森和克里克收集到的資料”：①富蘭克林指出，堿基疏水，脫氧核糖和磷酸親水，而DNA在細(xì)胞中是處于水環(huán)境的(聯(lián)系遷移：參考細(xì)胞膜中的磷脂雙分子層)；②佩魯茲指出，DNA是單斜晶，具有C2對稱性，這意味著兩條鏈沿著相反的方向行進，是反向平行的；③戴維遜指出，4種堿基分子大小不同(投影化學(xué)結(jié)構(gòu)式圖)；④查戈夫指出，A的數(shù)量等于T的，C的量等于G的；約翰·格里菲斯計算出，A吸引T，C吸引G。學(xué)生在獨立思考、自主學(xué)習(xí)后，開展小組合作與討論；教師組織全班集思廣益，引導(dǎo)學(xué)生分析、整理、歸納。通過對信息的整合和加工，對磷脂雙分子層等知識的遷移應(yīng)用，得出：脫氧核糖和磷酸應(yīng)排列在外側(cè)，堿基排列在內(nèi)側(cè)；DNA的兩條鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械?；堿基A與T配對，C與G配對(如圖1中F所示)。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生將手中的模型拆開重建，教師不失時機地滲透：“沃森和克里克當(dāng)時也是像這樣建了拆，拆了又建，屢敗屢建，最終獲得成功！”

教師所搭建的各種做為學(xué)習(xí)援助的“腳手架”，應(yīng)基于學(xué)習(xí)者可能存在的學(xué)習(xí)障礙，應(yīng)適于學(xué)生對知識的同化和順應(yīng)，應(yīng)助于對概念的內(nèi)化和建構(gòu)；而非課程內(nèi)容要素的材料就不再要求學(xué)生記住，即拆除腳手架。遭遇挫折時，教師需要清晰把握學(xué)生的學(xué)習(xí)情緒及自我監(jiān)控能力，有針對性地給予方法指導(dǎo)和鼓勵性評價，讓其體會科學(xué)探索的艱辛與快樂?；顒又校處煈?yīng)創(chuàng)設(shè)自主合作的學(xué)習(xí)情景和平等融洽的討論環(huán)境，通過不同觀點的交鋒，逐步改善、發(fā)展和修正學(xué)生的前概念。教師的主導(dǎo)到位而又不越位，方能有助于高階思維的培養(yǎng)，讓深度學(xué)習(xí)“水到渠成”。

6 批判反思，促進元認(rèn)知水平的提升

當(dāng)問題近于解決時，教師至此方呈現(xiàn)科學(xué)結(jié)論，學(xué)生分析對比、再次修正、得出正確結(jié)論。這一過程是引導(dǎo)學(xué)生進行自我反思的良好契機，教師適時引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并修正學(xué)習(xí)中存在的問題和不足，審視自己思維的過程，分析使用的方法、遇到的困難、克服障礙的方式等，力求幫助學(xué)生發(fā)展元認(rèn)知。學(xué)生或多或少會從解決問題的方法、規(guī)律、思維策略等方面進行歸納總結(jié)，達(dá)成對知識概念的理解、思維方法的領(lǐng)悟、科學(xué)精神的內(nèi)化。

針對學(xué)生急于想證實自己再次建構(gòu)的模型是否正確這一心理，教師及時投影教材中“DNA分子的平面結(jié)構(gòu)和立體結(jié)構(gòu)模式圖”，學(xué)生認(rèn)真觀察、對比、分析，修正自制的模型，并關(guān)注到“DNA分子的每個螺旋都由10對堿基組成，相鄰兩對堿基間的距離相等”這樣的細(xì)節(jié)。然后小組代表展示、匯報、交流，師生共同進行修正和完善，并反思整個建模的過程。接著，教師用模型做導(dǎo)學(xué)工具，讓學(xué)生思考：每組制作的模型與其他組相同嗎？各組所制作模型的差異在哪里？你認(rèn)為DNA片段模型中，第一對堿基有幾種可能？某DNA片段有n個堿基對，則該DNA片段可能的堿基排列順序有多少種?學(xué)生通過自制模型的比對和數(shù)學(xué)方法的歸納，總結(jié)出DNA分子的多樣性和特異性。教師還可指導(dǎo)學(xué)生觀察DNA分子結(jié)構(gòu)模型后，再依據(jù)堿基互補配對原則，推算DNA分子的堿基比例和數(shù)量之間的規(guī)律。

師生共同反思整個學(xué)習(xí)過程，促成元認(rèn)識水平的發(fā)展。根據(jù)模型挖掘DNA分子結(jié)構(gòu)中隱含的原理，既充分利用了模型，又讓抽象的數(shù)理規(guī)律在直觀模型中自然推出，并嘗試了用數(shù)學(xué)語言描述生命現(xiàn)象。由此，科學(xué)史教學(xué)超越了淺層的符號學(xué)習(xí)，提升為深層意義的獲得，深度學(xué)習(xí)“瓜熟蒂落”。