趙萍萍 劉恩山*

（1 河北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 河北石家莊 050024 2 北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100875）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課程標(biāo)準(zhǔn)”）明確提出生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任［1］。教師如何在新課程標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，促進(jìn)學(xué)生逐步發(fā)展、 完善并最終達(dá)成這4 個(gè)維度的核心素養(yǎng)， 成為當(dāng)下生物學(xué)教育研究者和一線教師亟待思考和解決的問(wèn)題。 建模教學(xué)策略作為近幾年全球科學(xué)教育領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一， 其讓學(xué)生通過(guò)建?；顒?dòng)深入理解知識(shí)形成過(guò)程的核心理念，成為當(dāng)前課堂上促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，尤其是科學(xué)思維能力提升的重要教學(xué)策略之一［2-3］。

本研究主要以人教版高中生物學(xué)《遺傳與進(jìn)化》模塊，及其第3 章第2 節(jié)“DNA 分子的結(jié)構(gòu)”內(nèi)容為例，結(jié)合實(shí)際教學(xué)，闡述如何恰當(dāng)?shù)厥褂媒＝虒W(xué)策略以發(fā)展學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 建模教學(xué)策略簡(jiǎn)介

研究認(rèn)為凡是涉及模型構(gòu)建、模型使用、模型評(píng)價(jià)和修正的教學(xué)都稱之為建模教學(xué)［4］。 建模教學(xué)和建模歷程密切相關(guān)。 由于建模歷程具有過(guò)程性、復(fù)雜性、多因素性等特點(diǎn)，以建模為核心教學(xué)活動(dòng)的建模教學(xué)也因此呈現(xiàn)較為復(fù)雜、 較難掌控等特點(diǎn)［5］。研究者認(rèn)為基于學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的規(guī)律，建模教學(xué)策略實(shí)施之初， 教師可采用示范如何建模為主的教學(xué)形式， 將建模的主要步驟潛移默化地滲透到教學(xué)中。 隨后待學(xué)生逐漸熟悉和理解這些步驟，教師就可采用以學(xué)生構(gòu)建模型為主、教師引導(dǎo)為輔的教學(xué)形式。

1.1 建模教學(xué)策略主要實(shí)施步驟 構(gòu)建模型遵循一定的步驟。 本研究以尤斯蒂（R. S. Justi）和吉爾伯特（J. K. Gilbert）于2002 年提出的建?？蚣茏鳛槔碚摶A(chǔ)［5］。 建模教學(xué)的步驟主要包括：①明確模型構(gòu)建目的；②選擇和使用合理的模型表征方式；③構(gòu)建模型；④檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)模型；⑤修正模型。

表1 建模教學(xué)策略適用范圍（以“遺傳與進(jìn)化”為例）

以上5 個(gè)步驟貫穿建模教學(xué)的每個(gè)建?；顒?dòng)，并呈現(xiàn)先后的邏輯順序。 首先，明確模型構(gòu)建目的。這要求建模者能全面理解模型的功能，從而確定構(gòu)建模型的作用和目的。 模型的功能主要包括描述、解釋和預(yù)測(cè)［6］。模型可用于描述難以直接觀測(cè)到的太大或太小及人工難以控制的事物或現(xiàn)象，可用于解釋事物發(fā)生的原因和機(jī)理，還可用于預(yù)測(cè)事物的發(fā)展趨勢(shì)［5］?；谝陨? 個(gè)功能，建模者就容易理解構(gòu)建模型并非是手工制作， 而是為了幫助人們描述、解釋或預(yù)測(cè)事物和現(xiàn)象，從而更有目的性、針對(duì)性地構(gòu)建模型。 第2，選擇和使用合理的模型表征方式。 在明確模型構(gòu)建目的后，需將模型用合理的方式呈現(xiàn)。 常見(jiàn)的表現(xiàn)形式有實(shí)物、視覺(jué)、符號(hào)、語(yǔ)言和行為手勢(shì)等，并可將不同的形式自由組合，從而更全面多樣化地表現(xiàn)模型［7-8］。 第3，構(gòu)建模型。 在此過(guò)程中，教師需聆聽(tīng)并可參與學(xué)生的討論， 及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生的疑問(wèn)和困惑，有助于后續(xù)建模教學(xué)的順利開(kāi)展。 第4，檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)模型。建模完成后，需基于一定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)審視該模型。 促使建模者反思模型和模型所表征事物之間的關(guān)系是否科學(xué)正確， 有助于建模者真正地理解和運(yùn)用知識(shí)，并表達(dá)自己的觀點(diǎn)。 第5，修正模型。基于模型評(píng)價(jià)產(chǎn)生的優(yōu)、缺點(diǎn)或改進(jìn)建議， 對(duì)模型進(jìn)行修改或更新從而最終達(dá)成建模目的。 教師將以上5 個(gè)步驟滲透和融入到建模教學(xué)設(shè)計(jì)中，在幫助學(xué)生完成建模的同時(shí)，也促使學(xué)生獲得知識(shí)和能力，提升科學(xué)素養(yǎng)。

建模的5 個(gè)步驟并非完全單向線性， 而是可循環(huán)往復(fù)的。 如若在第3 步構(gòu)建過(guò)程中發(fā)現(xiàn)模型的表征方式不合理，可返回第2 個(gè)步驟，重新思考選擇合理的模型表征方式。

1.2 建模教學(xué)策略適用范圍示例 值得注意的是，建模教學(xué)策略雖使學(xué)生受益，但并非所有高中生物學(xué)內(nèi)容都需或適合運(yùn)用建模教學(xué)。 研究者認(rèn)為應(yīng)從模型的功能視角衡量是否使用建模教學(xué)策略。 當(dāng)教學(xué)內(nèi)容運(yùn)用建模的方法有助于學(xué)生更好地描述、解釋和預(yù)測(cè)事物或現(xiàn)象時(shí)，教師可考慮使用該策略。研究者以人教版高中生物學(xué)《遺傳與進(jìn)化》為例，整理歸納該模塊適合建模教學(xué)的主要內(nèi)容，并給出詳細(xì)理由，以期為廣大生物學(xué)教師的教學(xué)提供有效參考（上頁(yè)表1）。

2 建模教學(xué)策略發(fā)展學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

建模教學(xué)策略通過(guò)鼓勵(lì)學(xué)生基于科學(xué)問(wèn)題動(dòng)手動(dòng)腦構(gòu)建模型， 在促進(jìn)其理解知識(shí)形成過(guò)程的基礎(chǔ)上，著重發(fā)展學(xué)生模型與建模等科學(xué)思維，提高了其運(yùn)用科學(xué)思維解決實(shí)際問(wèn)題的能力。 與此同時(shí)，基于不同教學(xué)內(nèi)容，建模教學(xué)策略也在不同程度上體現(xiàn)了生命觀念，結(jié)合科學(xué)探究，并為社會(huì)責(zé)任形成奠定基礎(chǔ)， 最終為促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成添磚加瓦（圖1）。本文以“DNA 分子的結(jié)構(gòu)”為例，闡述建模教學(xué)在發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的具體操作和價(jià)值。

圖1 建模教學(xué)與生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)關(guān)系圖

2.1 建模教學(xué)著重發(fā)展科學(xué)思維 建模教學(xué)策略鼓勵(lì)學(xué)生在尊重生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用建模思維和方法， 探討和闡釋有關(guān)生命現(xiàn)象及規(guī)律。 本文主要闡述模型和建模思維在建模教學(xué)中的運(yùn)用和發(fā)展。由于DNA 分子結(jié)構(gòu)的空間復(fù)雜性和組成要素多樣性， 此模型的構(gòu)建遵循由淺入深，由易到難的漸進(jìn)原則。 脫氧核苷酸是DNA分子的基本組成單位， 眾多脫氧核苷酸這一基本單位構(gòu)成脫氧核苷酸單鏈， 之后2 條單鏈通過(guò)堿基配對(duì)等形成DNA 分子的平面結(jié)構(gòu)，最后通過(guò)旋轉(zhuǎn)形成雙螺旋的空間結(jié)構(gòu)。因此，建模時(shí)從構(gòu)建脫氧核苷酸模型入手， 依次分別構(gòu)建脫氧核苷酸長(zhǎng)鏈模型、DNA 分子平面結(jié)構(gòu)模型、DNA 分子立體結(jié)構(gòu)（雙螺旋結(jié)構(gòu)）模型。 前文所述建模的5 個(gè)步驟均在這些模型的構(gòu)建中體現(xiàn)。 本文以2 個(gè)模型為例進(jìn)行說(shuō)明。

首先，在構(gòu)建脫氧核苷酸基本單位模型時(shí)，教師第1 步應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生明確建模目的， 即構(gòu)建此模型是為了能準(zhǔn)確描述脫氧核苷酸的基本組成要素， 為后續(xù)建模打下基礎(chǔ)。 教師可引導(dǎo)學(xué)生回顧《分子與細(xì)胞》模塊所學(xué)的“遺傳信息的攜帶者——核酸”一節(jié)內(nèi)容，重溫組成DNA 分子的基本單位脫氧核苷酸，這是建模的依據(jù)和證據(jù)。 第2 步，需考慮選擇和使用何種模型表征方式。 為節(jié)約課堂時(shí)間，教師可將提前準(zhǔn)備好的材料發(fā)放給學(xué)生。 例如，用球形塑料片代表磷酸、五邊形塑料片代表脫氧核糖、4 種不同顏色的長(zhǎng)方形塑料片代表4 種堿基等。 同時(shí)向?qū)W生介紹如何在建模時(shí)選擇模型表征方式，即學(xué)生應(yīng)明白為何使用這些材料，以及用何種材料將它們連接才是合理的。 第3 步，學(xué)生分小組進(jìn)行建?；顒?dòng)。 在此過(guò)程中，教師需留意學(xué)生的活動(dòng)操作和討論內(nèi)容， 及時(shí)反饋和糾正學(xué)生出現(xiàn)的錯(cuò)誤理解和認(rèn)知。 第4 步，檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)模型。教師評(píng)價(jià)學(xué)生的模型，并鼓勵(lì)學(xué)生互評(píng)，檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)模型遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于此模型而言，著重關(guān)注脫氧核苷酸組成結(jié)構(gòu)的連接位置是否出現(xiàn)錯(cuò)誤。 對(duì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的模型提出修改意見(jiàn)，幫助學(xué)生形成對(duì)脫氧核苷酸的正確認(rèn)知。 第5 步，修正模型。教師通過(guò)控制管理課堂時(shí)間， 鼓勵(lì)學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)修正原有錯(cuò)誤模型， 形成科學(xué)合理的脫氧核苷酸模型。

其次， 在構(gòu)建脫氧核苷酸單鏈模型時(shí)， 第1步，教師先引導(dǎo)學(xué)生明確建模目的是為了準(zhǔn)確描述2 個(gè)脫氧核苷酸在什么部位，并以何種化學(xué)鍵的形式相互連接成長(zhǎng)鏈。 教師可展示科學(xué)家關(guān)于單鏈形成的研究資料，作為建模依據(jù)。 第2 步，基于建模材料，引導(dǎo)學(xué)生思考：①2 個(gè)脫氧核苷酸在什么部位相互連接成長(zhǎng)鏈? ②如何表現(xiàn)相互連接的部位和連接方式？ 引導(dǎo)學(xué)生選擇自己認(rèn)為合理的建模材料，即模型表現(xiàn)方式。 第3 步，依據(jù)選擇的材料，學(xué)生分小組合作制作一條DNA 單鏈。 在此過(guò)程中，對(duì)于可能出現(xiàn)的磷酸二酯鍵連接位置錯(cuò)誤等問(wèn)題，教師應(yīng)給予及時(shí)反饋。 在討論過(guò)程中，理論和實(shí)踐不斷碰撞，學(xué)生的科學(xué)思維得以發(fā)展。 第4 步，建模完成后，教師評(píng)價(jià)學(xué)生的模型，并引導(dǎo)不同小組間互評(píng)。 通過(guò)評(píng)價(jià)，學(xué)生可清楚地認(rèn)識(shí)到脫氧核苷酸間的連接位置及磷酸二酯鍵（上一個(gè)脫氧核苷酸的脫氧核糖3 號(hào)糖與下一個(gè)脫氧核苷酸的磷酸連接形成的化學(xué)鍵）。 模型不正確的學(xué)生可修正自己的模型， 加深理解，完成建模的第5 步。

建模思維的5 個(gè)步驟同樣適用于構(gòu)建DNA分子平面結(jié)構(gòu)模型和立體結(jié)構(gòu)模型， 在此不加贅述。需要特別指出的是，模型的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不僅僅是正確或錯(cuò)誤如此簡(jiǎn)單，它是多維度的，并與教學(xué)內(nèi)容緊密相關(guān)。在DNA 分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建完成后，評(píng)價(jià)模型需考慮如下幾點(diǎn)（表2）。

表2 DNA 分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

以上8 條標(biāo)準(zhǔn)與建模的5 個(gè)步驟密切相關(guān)，且具有普適性， 適合評(píng)價(jià)高中及初中生物學(xué)教學(xué)中構(gòu)建的諸多模型，教師應(yīng)基于不同的教學(xué)內(nèi)容，修改和完善每條標(biāo)準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)的具體釋義。 只有以具體教學(xué)內(nèi)容為依托， 針對(duì)每條標(biāo)準(zhǔn)制定詳細(xì)的說(shuō)明，模型評(píng)價(jià)才具有針對(duì)性和實(shí)用性，而不是形式化。此外，教師在實(shí)際教學(xué)中還可對(duì)上述每條標(biāo)準(zhǔn)賦分，根據(jù)8 條標(biāo)準(zhǔn)的最后得分情況，判斷學(xué)生建模的質(zhì)量， 從而有助于改進(jìn)和提高建模教學(xué)的成效。

除了在建模的5 個(gè)步驟中逐步發(fā)展科學(xué)思維，建模教學(xué)應(yīng)充分尊重生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)，這是發(fā)展科學(xué)思維的重要保障。 建模不是按部就班將一個(gè)模型構(gòu)建完成即可， 而是重在構(gòu)建過(guò)程對(duì)證據(jù)等的思考和評(píng)估， 并基于新的證據(jù)修改完善模型。 DNA 分子結(jié)構(gòu)模型正是在科學(xué)不斷發(fā)展、新證據(jù)不斷產(chǎn)生的基礎(chǔ)上逐步構(gòu)建的。 與此相關(guān)的DNA 分子結(jié)構(gòu)建模教學(xué)，也正是通過(guò)教師出示多種證據(jù)資料，逐步引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建科學(xué)合理的模型。

2.2 建模教學(xué)促進(jìn)核心素養(yǎng)其他方面的發(fā)展 建模教學(xué)還促進(jìn)生命觀念、科學(xué)探究，以及社會(huì)責(zé)任這3 個(gè)方面科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展。首先，建模教學(xué)策略有助于學(xué)生生命觀念的形成。 “DNA 分子的結(jié)構(gòu)”一節(jié)內(nèi)容中DNA 分子的結(jié)構(gòu)與DNA 分子的功能（復(fù)制和表達(dá)）密切相關(guān)，并為學(xué)生理解和掌握基因工程等內(nèi)容打下良好的理論基礎(chǔ)， 因此主要體現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能觀。 教師在進(jìn)行建模教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)可在多處滲透和體現(xiàn)這種生命觀念。 第1，在課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)， 教師可引導(dǎo)學(xué)生思考：DNA 是主要的遺傳物質(zhì)， DNA 應(yīng)具備怎樣的結(jié)構(gòu)才能作為遺傳物質(zhì)行使遺傳功能。這樣的問(wèn)題引導(dǎo)看似簡(jiǎn)單，實(shí)則可幫助學(xué)生思考結(jié)構(gòu)和功能的相互關(guān)系。 第2，在構(gòu)建DNA 分子的平面結(jié)構(gòu)模型時(shí)，由于不同小組模型的堿基對(duì)排列順序不盡相同， 教師可引導(dǎo)學(xué)生思考和討論如下問(wèn)題：①DNA 分子中的遺傳信息蘊(yùn)藏在哪兒?②比較不同組的DNA 模型在此方面有何不同？通過(guò)這樣的教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生容易理解DNA 分子的遺傳信息蘊(yùn)藏在堿基對(duì)的排列順序中， 不同的堿基對(duì)排列順序傳遞不同的遺傳信息，即不同的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的功能。 第3，在構(gòu)建DNA 分子空間結(jié)構(gòu)模型時(shí)，教師可引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生嘗試構(gòu)建正向平行和反向平行的雙螺旋，通過(guò)試誤和對(duì)比，加深對(duì)反向平行結(jié)構(gòu)與DNA 分子復(fù)制相關(guān)聯(lián)的理解，進(jìn)一步體現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能觀。

其次，建模教學(xué)策略與科學(xué)探究相結(jié)合。 《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）解讀》提出在科學(xué)探究活動(dòng)中，人們提出自己的問(wèn)題、計(jì)劃、設(shè)計(jì)并開(kāi)展科學(xué)探究活動(dòng)回答其中的一些問(wèn)題［9］。關(guān)于DNA 分子是何種結(jié)構(gòu)這一問(wèn)題，教師在建模教學(xué)時(shí)引導(dǎo)學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)逐步探索構(gòu)建模型，從而得到DNA 分子結(jié)構(gòu)這個(gè)問(wèn)題的答案，即學(xué)生通過(guò)建?；顒?dòng)親身體驗(yàn)了科學(xué)家是如何探究DNA分子結(jié)構(gòu)的， 能較好地理解科學(xué)探究的過(guò)程。 此外，建模教學(xué)還可傳遞沃森和克里克分工合作、善于綜合多學(xué)科知識(shí)、鍥而不舍的科學(xué)探究精神。

最后， 建模教學(xué)策略為學(xué)生社會(huì)責(zé)任的形成奠定基礎(chǔ)。 社會(huì)責(zé)任主要是指教學(xué)能使學(xué)生將生物學(xué)的概念和原理作為觀察和思考社會(huì)性議題的視角和立場(chǎng)， 能用生物學(xué)的觀念和規(guī)律對(duì)問(wèn)題或議題進(jìn)行判斷等［9］。 近年一些熱門(mén)的社會(huì)性議題與DNA 有關(guān)，例如，轉(zhuǎn)基因技術(shù)。轉(zhuǎn)基因技術(shù)的主要步驟涉及DNA 復(fù)制及轉(zhuǎn)錄表達(dá)等基本概念和原理。 由于DNA 分子的復(fù)制涉及雙螺旋解開(kāi)、互補(bǔ)堿基間的氫鍵斷裂等過(guò)程， 只有科學(xué)準(zhǔn)確地理解DNA 分子雙螺旋結(jié)構(gòu)， 才可能很好地理解DNA 分子的復(fù)制。 同樣地，理解DNA 分子結(jié)構(gòu)也是理解DNA 轉(zhuǎn)錄的重要基礎(chǔ)。 可以說(shuō)，“DNA 分子的結(jié)構(gòu)”一節(jié)的建模教學(xué)設(shè)計(jì)若能為學(xué)生深入理解DNA 打下良好基礎(chǔ)，則有助于學(xué)生理解和解釋與DNA 有關(guān)的轉(zhuǎn)基因技術(shù)等社會(huì)性議題，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看則是為學(xué)生社會(huì)責(zé)任的形成奠基。