“泡開”生物學核心的概念、原理和問題
——再論“兩次倒轉”教學機制的應用關鍵

吳開其 張 晉

(四川省瀘縣第二中學 瀘州 646100)

“第一次倒轉”是將人類認識的終點定為學生認識的起點，“第二次倒轉”是學生再認識的過程，將關鍵的、有意義的環節進行邏輯的、結構的、系統的、有目的展開，實現將人類的認識成果轉化成自身的力量[1]，包括建立生命觀念，學會問題解決，體驗科學探究。過程中新內容的學習就像茶葉一樣“泡開”的過程，自然實現生物學核心素養培養[2]。

1 “浸潤”： 處于有溫度的課堂中

當教學以核心的概念、原理和問題高位入手進行“第一次倒轉”后,需要一個有溫度的課堂，它能讓學生調整出最佳的身心狀態去接納新知識，開啟認識活動，實現與新知識溫和對接，由此才能更好地對核心的概念、原理和問題展開學習和討論。對于生物學科，課堂應具備以下一些特點：

1.1 有生物科學藝術之美的課堂 除了自然界形形色色的生命體之美，課堂中呈現的一張電鏡下拍攝的受精作用圖，一段靈動的減數分裂過程，一個規則的雙螺旋DNA模型，一個神奇的無性繁殖現象，一種精細的物質間信息交流方式，都是課堂上為學生展現科學藝術美的重要方式，課堂中需要將發現美的眼鏡向其聚焦。

1.2 有生物科學歷史韻味的課堂 例如在講果蠅的伴性遺傳時，給學生以講故事方式敘事摩爾根與果蠅的緣分，講述最開始科學家受拉馬克“用進廢退”思想影響，將果蠅于黑暗和有色光照下培養研究，講述摩爾根珍惜的那只突變白眼果蠅產生，到最后白眼雄蠅精神抖擻死去的過程。又如當一名教師聲情并茂地朗誦著“八年耕耘源于對科學的癡迷，一畦畦豌豆蘊藏的秘密……”時，由此開啟對150多年前豌豆植物雜交試驗足跡的追尋。

1.3 有生物科學情境再現的課堂 例如，研究胚芽鞘向光彎曲實驗，直接讓學生在教室培養玉米胚芽鞘，并觀察胚芽鞘生長，再現研究情景。又如，課堂上進行色盲測試，統計出班上32名男同學有2名患色盲，基本滿足理論概率0.7%，讓學生思考原因。

2 “舒展”： 核心的概念、原理和問題的生長

2.1 生物學科思想引領完成核心概念的延伸 平時，無機物、細胞器、蛋白質、核酸、內環境、激素、種群、生態系統這類概念的教學，通常讓學生構建概念框架常用的方法是逐個章節篩查、遴選的方法，概念關系構建比較機械。建議以生物學思想和方法引領概念關系構建，實現核心概念的生長。例如，將生命觀念的“物質—結構—功能—運行”觀念和生物信息論思想相結合，以蛋白質、DNA為核心概念，引導學生建立起的相應概念圖(圖1)。再如，二元對立思想在對概念關系構建的指引： 當談到蛋白質合成時，就應想到蛋白質分解；當談到同化，就應想到異化；談到生物因素，就應想到非生物環境因素。關于“水”，可配對地想到細胞中的水和細胞外的水，身體中的水和生態環境中的水、自由水和結合水，以此實現概念系統地延伸。

圖1 結構與功能適應觀、生物信息論思想指導的概念圖構建

2.2 中間比喻幫助核心原理的理解 在“轉錄翻譯”“減數分裂”“呼吸作用”“光合作用”“細胞免疫”等典型生命活動原理或機制的教學中，經常遇到專業術語陌生零碎和原理需完整性教學之間的矛盾。例如在“基因工程及其應用”的教學時，如果先講基因工程的工具，再講基因工程的操作流程，那么學生僅僅是在接觸各種孤立的工具，這樣顯得枯燥無邏輯。但如果先講基因工程操作步驟學生又聽不懂過程中出現的專業詞，這樣容易造成認知過載。同樣的情況也發生在“基因指導蛋白質的合成”教學中，教師對于先講“密碼子”“反密碼子”這些下位概念還是先講“轉錄翻譯”的過程機制感到為難。合理利用比喻可解決此矛盾，將核心原理學習伸展開來。

首先是高位入手，用通俗言語講解生命活動原理或過程。例如，“基因指導蛋白質的合成”中“翻譯”活動原理的教學來說，直接呈現“翻譯”的過程原理，將涉及到的專業名詞“tRNA”“密碼子”“進入位點”暫時用“攜帶氨基酸的運輸工具”“字母編號”“對號入座”形象詞語代替。一些生命活動原理暫時用通俗的語句代替，如“用剪刀將運載體剪開，把目的基因放到運載體缺口，再用針線縫合”“兩個氨基酸各自將手中的元素扔掉并手拉手的過程叫做脫水縮合”和“攜帶氨基酸的運輸工具對應mRNA上的字母編號對號入座到場所的椅子上”這樣的語句。

其次是自學專業術語。在熟悉基本原理基礎上，教師出比喻詞，學生有目的地結合教材自學專業術語。并且小組合作將之前原理敘述中通俗化的詞語替換為專業術語，組內合作調整和組織語言呈現對原理的理解。例如，“翻譯”原理解釋的語句替換為“攜帶氨基酸的tRNA通過反密碼子和密碼子的配并對安置在核糖體的位點1”。

再次是展示交流，小組代表用專業術語，結合繪圖、板書甚至模型展示重新講解生命活動的原理或機制。同時需要小組利用專業術語、原理去重新解釋生物學事實，例如，讓小組用專業術語解釋“密碼子的簡并性”和“多聚核糖體條件下的翻譯結果”。

2.3 自主探究著力核心問題的解決 一些涉及科學探究或假說推理的教學，一線課堂常采用所謂的“問題串”一步一步引導學生探究，問題隨著學習逐一呈現但造成“牽著”學生走。有的課堂將多個問題全部呈現，又造成學生認知恐慌，被問題“壓著”走。

例如，在證明“基因在染色體上”的教學中，教師設置了許多與核心問題之間具有邏輯關系的子問題，借助摩爾根實驗背景，提出問題串：“控制眼色的基因為顯性還是隱形？控制眼色的基因位于常染色體還是性染色體上？位于性染色體的X染色體還是Y染色體？位于X染色體的同源區段還是非同源區段？”這些問題看似非常具有邏輯關系并引導學生一步一步深入思考，但學生或是在欣賞問題邏輯，或是在被問題拖動學習。因此，類似探究性問題解決需注重兩個關鍵： ①多個問題精簡成一個核心問題。確立問題和問題表征，聯系原有相關的問題解決方式，確立問題解決所需的思維方式，接著呈現問題解決的材料，實現問題的表征。以上述“基因在染色體上”教學為例，本節課其實需要解決的核心問題就是仿照孟德爾采用的假說—演繹法，根據摩爾根實驗背景完成控制眼色基因遺傳機制的證明。②圍繞核心問題構建自主探究。一方面，在確定核心問題條件下，教師需為學生提供問題解決的材料或條件，例如關于上述的“基因在染色體上”一節教學，由于摩爾根的實驗不可能在課堂中真實再現，因此需要將其“蠅室”中完成的實驗以材料形式展現出來[3]，學生只需根據第一個實驗進行分析或憑借直覺的思維可作出假設，依據后三個“驗證實驗”進一步進行演繹推理即可(圖2)。從而學生自己根據假設和實驗證據形成內部心理對話：“若假設成立需要滿足實驗證據，如不滿足則需要更改假設”，這樣在“試誤”中不斷確信或修正自己的假說。另一方面，問題的自然生成，探究過程中引導學生自己提出來并主動解決問題。例如在探究“酵母菌呼吸方式”的實驗教學中，組織學生小組間相互質疑，學生會自然提出“怎樣保證瓶子中酵母菌只進行有氧呼吸？”“我采用不加酵母菌的培養液作為對照排除空氣中CO2的影響?！边@樣的問題或解決方案。

圖2 “基因在染色體上”教學中核心問題的設計

3 “還原”： 回歸促進核心素養培養的教與學

筆者認為，核心概念的展開與延伸伴隨著“生命觀念”等生物學思想的逐漸形成；核心問題的解決需要歷經一次次“科學探究”過程；核心原理的理解還依靠“科學思維”對信息各種形式的加工。促進核心素養培養的本真課堂必定是有利于核心的概念、原理和問題“泡開”的課堂教學，學生在這樣的課堂教學中能獲得促進自身發展的機會和動力。

3.1 學生能積極參與和互動 問題解決的跟進、知識的生長、核心概念和原理的展開，最終學生需要在學習共同體(小組或班級)形成共同知識，并對公共知識持續改進[4]，核心的概念、原理和問題的“泡開”，伴隨著課堂由自主學習的“靜”到相互切磋的“動”： ①臺下到臺上的互學過渡。正如前面的例子“基因在染色體上”一節的教學，當學生對比自己的假設時，若發現不同，勢必會問對方是怎么假設的，怎樣驗證的。若相同，大家的探索過程會一樣嗎？好奇的學生會追問：“你怎樣排除白眼基因不在X染色體同源區段的？”“你是不是隨便猜測的？”②臺上展學時學生間智慧的碰撞。面對學生的爭辯或達成的錯誤共同知識，教師可以參入進來，以學習者的心態繼續對共識進行修正。學生之間進行相互探討，對提出的問題進行深化、質疑、評價。

3.2 逐漸形成創造未來歷史的品格和情懷 一方面，體會經典的科學史中人類認識過程的意義、方法。也就是在體會科學史發展的艱辛、原有偉大成就的價值、對人類發展的貢獻甚至是現有研究的遺憾中培養對國家、人類發展的“社會責任”核心素養。例如在學習“血糖平衡”時，對我國人工合成胰島素的歷史背景進行介紹，在學習微生物時對青霉素的發現背景作介紹，這些都有利于學生去感悟國內外科學家的努力和成就。另一方面，對生物學發展的未來歷史產生向往。也就是在積極關注、思考生物學發展的前沿、生物學領域正在攻克的歷史性難題的過程中培養對國家、人類發展帶有自豪、期許的“社會責任”核心素養。例如在講癌細胞時，介紹目前治療癌癥的新手段和正在攻克的方向，我國又是處于怎樣一個研究水平。在學習生態系統中分解者時，讓學生思考分解者在生態平衡中的作用，給處理城市垃圾帶來的啟示。

3.3 持續又一次“倒轉”的教與學 新的學習是為下一次學習服務的，新知識被同化或順應后應體現其價值，并開啟以新知識為舊知識的學習。例如，在以“物質—結構—功能”為線索進行核心概念學習后，應繼續在“功能”上探索“運行”機制，“運行”機制的探索可用建模的方式便于分析，這樣先后學習蛋白質結構、蛋白質功能、免疫蛋白的作用機制、構建免疫機制的模型圖；再如，結合新學習的原理或機制以應用的方式進行又一次“倒轉”學習，基因工程講完后，以該原理為舊知識還原艾弗里實驗，重新分析當時模糊且抽象的“轉化因子”，還可以將基因工程原理為材料延伸基因漂流，不讓學生在沒有背景材料去討論基因工程利與弊；又如，在解決核心問題“基因在染色體上”后，通過課堂改組，讓學生簡約、經典地歷經假說—演繹過程?？勺寣W生以批判的態度分析摩爾根不可能一口氣想到并做“后三個”驗證實驗，分析摩爾根與果蠅伴性遺傳發現究竟是怎樣一個一步一步進行的過程，促使學生對果蠅伴性遺傳的歷史進一步學習，體會科學研究的過程和方法。