劉偉華 李 霞

（1 北京景山學(xué)校 北京 100006 2 北京市東城區(qū)教師研修中心 北京 100009）

科學(xué)教育的目標(biāo)是提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)［1］，中學(xué)生物學(xué)教學(xué)圍繞重要概念展開，生物學(xué)概念是生物學(xué)課程內(nèi)容的基本組成?！读x務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》［2］在內(nèi)容上突出生物學(xué)科的主題教育與重要概念的發(fā)展，內(nèi)容體系與高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容對應(yīng)性增強(qiáng)。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》［3］的課程理念之一為“課程內(nèi)容聚焦大概念”，生物學(xué)科核心素養(yǎng)包括“生命觀念”，并提出學(xué)生應(yīng)能在較好地理解生物學(xué)概念的基礎(chǔ)上形成生命觀念，強(qiáng)調(diào)了概念教學(xué)的重要作用。

對于初、高中生物學(xué)內(nèi)容來說，有許多同一主題下的重要概念，例如在初中學(xué)習(xí)中有關(guān)細(xì)胞結(jié)構(gòu)、代謝、分裂、分化等內(nèi)容，在高中生物學(xué)學(xué)習(xí)中，也會在相應(yīng)的模塊中，從細(xì)胞的組成、結(jié)構(gòu)、增殖、分化等角度對細(xì)胞內(nèi)容作相關(guān)闡述。在初、高中教材中也有相應(yīng)呈現(xiàn)，例如初中生物學(xué)中涉及的“細(xì)胞分裂”內(nèi)容，在高二必修1 第6 章“細(xì)胞的增殖、分化、衰老與癌變”中也是非常重要的組成部分。初、高中學(xué)生的知識儲備、生活認(rèn)知及思維能力等各有差異，如何基于核心素養(yǎng)幫助不同階段的學(xué)生構(gòu)建生物學(xué)重要概念是一個重要的問題。采取學(xué)習(xí)進(jìn)階的方式將有效幫助學(xué)生構(gòu)建重要概念。本文以“細(xì)胞分裂”內(nèi)容為例，探討在教學(xué)中如何圍繞概念教學(xué)的學(xué)習(xí)進(jìn)階促進(jìn)學(xué)生掌握概念。

1 關(guān)于學(xué)習(xí)進(jìn)階

“學(xué)習(xí)進(jìn)階”（learning progressions，LPs）這一名詞最早出現(xiàn)于美國國家研究委員會（NRC）的報告中。2005年，美國國家研究委員會在承擔(dān)“幼兒園至高中科學(xué)成就檢測的設(shè)計”項目時提出：基于標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)評估體系，必須考慮學(xué)生的理解是如何發(fā)展的，以及各學(xué)段學(xué)生應(yīng)分別獲取哪些科學(xué)知識、能力和理解，即“發(fā)展的連貫性（developmentally coherent）”［4］。為便于清晰地研究與呈現(xiàn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)發(fā)展的連貫性，該項目組首次提出并運用學(xué)習(xí)進(jìn)階這一概念：學(xué)習(xí)進(jìn)階是指學(xué)生在學(xué)習(xí)某一核心概念的過程中，所遵循的一系列逐漸復(fù)雜的思維路徑。隨后，眾多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者都相繼對學(xué)習(xí)進(jìn)階展開研究并作出界定，其中我國生物科學(xué)教育領(lǐng)域?qū)W者劉晟博士與劉恩山教授將學(xué)習(xí)進(jìn)階界定為：學(xué)習(xí)進(jìn)階是對學(xué)生在各學(xué)段學(xué)習(xí)統(tǒng)一主題的概念時所遵循的連貫的、典型的學(xué)習(xí)路徑的描述，一般呈現(xiàn)為圍繞核心概念展開的一系列由簡單到復(fù)雜、相互關(guān)聯(lián)的概念序列［5］。

關(guān)注學(xué)習(xí)進(jìn)階，對于促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知及學(xué)習(xí)發(fā)展、培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)具有重要意義［6］。2011年7月美國國家研究委員會頒布了《K-12 科學(xué)教育框架》（A framework for K-12 science education），其中引入了學(xué)習(xí)進(jìn)階的設(shè)計理念。目前，國內(nèi)的眾多科學(xué)教育研究工作者，陸續(xù)開展了圍繞學(xué)習(xí)進(jìn)階展開的相關(guān)研究，進(jìn)階研究在描述學(xué)生認(rèn)知發(fā)展過程上取得了階段性的成果，并向著精細(xì)化發(fā)展。在學(xué)習(xí)進(jìn)階中融合知識學(xué)習(xí)與能力培養(yǎng)、學(xué)習(xí)進(jìn)階與教學(xué)實踐的交互影響等，將是后續(xù)研究的核心議題。當(dāng)前，怎樣基于學(xué)習(xí)進(jìn)階開展教學(xué)設(shè)計、改善教學(xué)實踐，是研究的核心議題［7］。

2 對“細(xì)胞分裂”內(nèi)容的分析及學(xué)習(xí)進(jìn)階的構(gòu)建

2.1 初、高中課程標(biāo)準(zhǔn)中“細(xì)胞分裂”相關(guān)內(nèi)容描述 “細(xì)胞分裂”在《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》［2］中對應(yīng)主題2“生物體的結(jié)構(gòu)層次”中“細(xì)胞分裂、分化形成組織”這部分內(nèi)容，課程標(biāo)準(zhǔn)要求教師幫助學(xué)生形成的重要概念為：“細(xì)胞能進(jìn)行分裂和分化，以生成更多的不同種類的細(xì)胞用于生物體的生長、發(fā)育和生殖?！本唧w內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》中“細(xì)胞分裂”具體內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)

“細(xì)胞分裂”在《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版》［3］中，對應(yīng)于必修課程模塊1“分子與細(xì)胞”中的概念2“細(xì)胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)，并通過分裂實現(xiàn)增殖”中的“2.3.1-描述細(xì)胞通過不同的方式進(jìn)行分裂，其中有絲分裂保證了遺傳信息在親代和子代細(xì)胞中的一致性。”這一重要概念，課程標(biāo)準(zhǔn)要求為幫助學(xué)生達(dá)成該概念，需開展的教學(xué)活動為：制作和觀察根尖有絲分裂簡易裝片，或觀察其永久裝片。

由此分析，初中教學(xué)主要講解細(xì)胞分裂的作用和結(jié)果，而高中不僅說明細(xì)胞分裂的作用和結(jié)果，還分析了細(xì)胞分裂的3 種方式，詳細(xì)講述了有絲分裂過程，明確在此過程中染色體的行為變化，遺傳物質(zhì)是如何實現(xiàn)平均分配的；引入細(xì)胞周期的概念，明確細(xì)胞分裂在細(xì)胞的增殖、生長、發(fā)育中更具體的作用，以及與細(xì)胞代謝的關(guān)系等。在初、高中教學(xué)中都需要構(gòu)建重要概念“通過細(xì)胞分裂過程將復(fù)制的遺傳物質(zhì)平均分配到2 個子細(xì)胞中，保證遺傳信息的穩(wěn)定傳遞”。因此，高中對于細(xì)胞分裂重要概念的理解更加深入，更能體現(xiàn)細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能、信息傳遞等生命觀念，且在形成生命觀念的過程中培養(yǎng)學(xué)生建模、歸納、推理、假說-實證等科學(xué)思維習(xí)慣。

2.2 “細(xì)胞分裂”內(nèi)容學(xué)習(xí)者分析 初中7年級的學(xué)生剛接觸生物學(xué)，具象思維占主導(dǎo)。學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，已學(xué)習(xí)了動、植物細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)及功能，初步建立了“細(xì)胞是生命活動的基本單位”這一重要概念，能說出細(xì)胞核是細(xì)胞的控制中心，細(xì)胞核中具有遺傳物質(zhì)DNA 等相關(guān)知識，但生物學(xué)概念積累較少，對抽象的概念理解能力有限，以具象思維為主，同時充滿好奇，喜歡動手實踐。本節(jié)課的知識內(nèi)容相對微觀、抽象，仍處于具象思維階段的初中學(xué)生對此理解有一定困難，需要通過直觀觀察和實例幫助其認(rèn)識分裂現(xiàn)象和本質(zhì)。

高一學(xué)生的抽象思維正在逐步形成，對抽象概念的認(rèn)識、邏輯分析與歸納能力有所提高，更關(guān)注對事物本質(zhì)的理解。學(xué)生在此之前，已明確了細(xì)胞作為最基本的生命系統(tǒng)，需要不斷與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量的交流，以維持系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能的穩(wěn)定。因此，其對細(xì)胞分裂內(nèi)容是在初中認(rèn)識的基礎(chǔ)上，通過對有絲分裂過程的探究，深刻理解細(xì)胞準(zhǔn)確分裂的重要意義。本節(jié)課涉及的染色體在細(xì)胞分裂過程中的形態(tài)及行為變化非常抽象，雖可制作臨時裝片觀察相關(guān)時期的圖像、觀看有絲分裂過程的動態(tài)視頻，但對于學(xué)生來說，從“結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)”的角度出發(fā)，闡明細(xì)胞分裂過程中染色體形態(tài)及行為變化仍有一定困難，教學(xué)中需要精心設(shè)計教學(xué)過程，例如利用根尖細(xì)胞有絲分裂裝片的制作進(jìn)行觀察推理，對染色體的行為變化規(guī)律進(jìn)行模型構(gòu)建與解釋，進(jìn)而說明結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的原理。

高三學(xué)生，從知識上已完成了高中各學(xué)段學(xué)習(xí)的內(nèi)容，從認(rèn)知角度及思維能力上比高一學(xué)生有一定程度的提高，能從生命的整體認(rèn)識細(xì)胞分裂，包括有絲分裂、減數(shù)分裂等，也能綜合分析問題、解決問題，不僅能理解細(xì)胞分裂中結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)，還能從不同角度認(rèn)識“細(xì)胞分裂”在生命延續(xù)和發(fā)展、生物遺傳和變異中的重要作用，有利于理解生命的本質(zhì)，以及遺傳信息在有性生殖中的傳遞規(guī)律。因此，這一階段學(xué)生對此部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)更多是應(yīng)用細(xì)胞分裂、遺傳變異等相關(guān)知識解決新情境下的實際問題。

2.3 “細(xì)胞分裂”內(nèi)容不同水平學(xué)習(xí)進(jìn)階表現(xiàn)分析 自19世紀(jì)細(xì)胞學(xué)說建立時，施萊登、施旺提出“細(xì)胞通過分裂產(chǎn)生新細(xì)胞”，人們開始逐漸關(guān)注細(xì)胞的增殖過程，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)研究工作者在顯微鏡下觀察到了細(xì)胞的分裂過程。1858年，魏爾肖總結(jié)得出“細(xì)胞通過分裂產(chǎn)生新細(xì)胞”。之后，德國細(xì)胞學(xué)家斯特拉斯伯格、弗萊明、拉布爾等，陸續(xù)對有絲分裂的過程進(jìn)行描述并逐漸修正［8］。目前，對有絲分裂的過程及其細(xì)胞周期調(diào)控機(jī)制的研究已相對深入，學(xué)生學(xué)習(xí)該部分內(nèi)容，對于認(rèn)識生命體的成長、構(gòu)建“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的重要概念、逐步培養(yǎng)科學(xué)思維、提升科學(xué)探究能力、養(yǎng)成健康的生活習(xí)慣，以及提升生物學(xué)核心素養(yǎng)具有重要意義。

“細(xì)胞分裂”這部分知識內(nèi)容均安排在初、高中的起始年級，對于學(xué)生認(rèn)識生命規(guī)律具有重要意義。本研究依據(jù)生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，參考NGSS［9］中對細(xì)胞分裂初、高中階段的教學(xué)目標(biāo)，參考莫漢（Mohan）等構(gòu)建的“生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)”這一主題的學(xué)習(xí)進(jìn)階［10］，結(jié)合不同年級學(xué)習(xí)者分析，描述與細(xì)胞分裂相關(guān)的學(xué)生表現(xiàn)。具體的學(xué)習(xí)進(jìn)階如表2所示。

表2 “細(xì)胞分裂”學(xué)習(xí)表現(xiàn)進(jìn)階表

2.4 “細(xì)胞分裂”內(nèi)容重要概念的概念進(jìn)階圖設(shè)計在構(gòu)建“細(xì)胞增殖”學(xué)習(xí)進(jìn)階的基礎(chǔ)上，依據(jù)《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》、《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》，并參考NGSS［9］中對細(xì)胞分裂初、高中階段的重要概念設(shè)置，對構(gòu)建初中和高中的概念進(jìn)階達(dá)成需要的下位概念及相關(guān)事實進(jìn)行初步思考，并設(shè)計概念進(jìn)階圖（圖1）。

圖1 細(xì)胞分裂概念進(jìn)階圖

3 “細(xì)胞分裂”重要概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階初、高中新授課教學(xué)策略分析

3.1 依據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階分析整體設(shè)計初、高中教學(xué)的思路 根據(jù)上述分析及學(xué)習(xí)進(jìn)階在初、高中階段學(xué)生應(yīng)達(dá)成的學(xué)習(xí)表現(xiàn)進(jìn)行設(shè)計思路的分析。

1）初中學(xué)段：教學(xué)設(shè)計力求從生活實際出發(fā)，學(xué)生結(jié)合親自種植蠶豆、精心呵護(hù)蠶豆苗成長的生活經(jīng)歷，探討蠶豆苗的生長歷程，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和求知欲。理解1 個細(xì)胞分裂后產(chǎn)生2 個細(xì)胞，并從遺傳物質(zhì)的角度理解新細(xì)胞與原細(xì)胞中遺傳物質(zhì)相同。通過實例觀察，讓學(xué)生認(rèn)識到分裂過程中染色體的行為變化。教師在課前嘗試以蠶豆、洋蔥、金邊吊蘭、綠蘿等學(xué)生常見的多種植物的根尖作為實驗材料，制作有絲分裂臨時裝片。課堂中，利用實驗顯微圖片、動態(tài)視頻、模型等多種演示方式，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小組討論交流，逐漸總結(jié)、歸納并正確認(rèn)識細(xì)胞分裂過程中染色體的變化。

2）高中學(xué)段：設(shè)置一系列逐步推進(jìn)的學(xué)生活動，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合已有知識，使用相關(guān)材料推測細(xì)胞分裂過程中染色體數(shù)目變化、形態(tài)變化、行為變化；模擬過程中，教師在階段性節(jié)點出示相關(guān)事實性證據(jù)，幫助學(xué)生完善模擬過程；最后通過真實的顯微照片、細(xì)胞分裂動態(tài)視頻等，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步總結(jié)歸納，構(gòu)建重要概念，從結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的角度闡明細(xì)胞分裂過程中染色體的形態(tài)及行為變化。

3.2 初、高中教學(xué)問題設(shè)計策略分析 在初中學(xué)段：基于學(xué)生學(xué)習(xí)特點和學(xué)習(xí)進(jìn)階分析，初中問題設(shè)計更多趨向于“是不是”或“是什么”的問題，而對于“為何”或“如何”等問題，從初中構(gòu)建的重要概念水平及初中學(xué)生思維水平涉及并不多，例如：細(xì)胞能無限長大嗎？細(xì)胞分裂結(jié)果如何？細(xì)胞分裂產(chǎn)生的2 個新細(xì)胞之間有什么關(guān)系？結(jié)合蠶豆、吊蘭等細(xì)胞分裂圖像，說出染色體變化的最關(guān)鍵特點是什么？從細(xì)胞層面考慮：蠶豆苗是如何長大的？

在高中學(xué)段：更重要的是從本質(zhì)出發(fā)，認(rèn)識有絲分裂過程，深入理解“有絲分裂能保證親子代細(xì)胞遺傳性狀的穩(wěn)定性”，因此，問題設(shè)置要在“是不是”或“是什么”的基礎(chǔ)上，更多偏向于“為何”或“如何”等問題，例如：親代和子代細(xì)胞之間為什么要保證染色體恒定？怎樣保證染色體恒定？染色體需移動到細(xì)胞中央，再分配，這樣做的意義是什么？是什么引導(dǎo)了染色體在細(xì)胞中有序地移動？為什么能夠引導(dǎo)？哪些結(jié)構(gòu)阻礙了染色體的變化？怎樣解決？

3.3 具體教學(xué)方法

3.3.1 初中學(xué)段

1）采用項目學(xué)習(xí)教學(xué)法，充分注重學(xué)生主體地位。本節(jié)課是“陪伴蠶豆成長”項目的一部分，在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，學(xué)生已親自種植蠶豆，觀察了蠶豆的萌發(fā)及生長過程。上課時以蠶豆苗的生長作為切入點，通過大量的實驗結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生對實驗結(jié)果進(jìn)行討論交流，嘗試作出科學(xué)猜想，在活動中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，不斷構(gòu)建與細(xì)胞分裂相關(guān)的重要概念。

2）注重實驗探究過程中學(xué)生分析、推理能力的培養(yǎng)，充分體現(xiàn)新課標(biāo)核心素養(yǎng)中的科學(xué)思維。本節(jié)課，教師從學(xué)生的生活實際經(jīng)歷出發(fā)，以洋蔥、蠶豆、綠蘿和金邊吊蘭等植物的根尖為實驗材料，獲得了不同植物根尖有絲分裂圖像。課堂上，循序漸進(jìn)地向?qū)W生呈現(xiàn)實驗結(jié)果，逐步引導(dǎo)學(xué)生對實驗結(jié)果進(jìn)行分析、總結(jié)和歸納，進(jìn)而推導(dǎo)細(xì)胞分裂的過程，并通過動態(tài)植物細(xì)胞分裂視頻幫助學(xué)生加以論證。

3）通過體驗活動，幫助學(xué)生將抽象問題形象化，進(jìn)而突出重點、突破難點。在講授染色體形態(tài)的過程中，通過體驗活動，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合生活經(jīng)驗，猜想細(xì)胞分裂過程中染色體的形態(tài)變化。用毛線繩模擬染色體，讓學(xué)生體驗拆分2 根糾結(jié)在一起的毛線繩的過程，鼓勵學(xué)生主動探索解決方案，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生猜想細(xì)胞分裂過程中染色體的形態(tài)變化。

3.3.2 高中學(xué)段

1）引導(dǎo)學(xué)生小組合作，模擬細(xì)胞分裂過程中染色體的數(shù)量及行為變化。細(xì)胞分裂過程中染色體的數(shù)量及行為變化是學(xué)習(xí)的難點，因此，選用生活中常見的食品包裝金屬扎絲為模擬材料，引導(dǎo)學(xué)生通過小組討論和交流，設(shè)計模擬細(xì)胞分裂過程中染色體的數(shù)目及行為變化。

2）演示模擬，引導(dǎo)學(xué)生歸納細(xì)胞分裂過程中染色體的形態(tài)變化，深入理解實質(zhì)。在該環(huán)節(jié)中，依據(jù)細(xì)胞與染色體的真實比例，用透明容器模擬細(xì)胞，毛線繩模擬染色體，請2 位學(xué)生對復(fù)制好的“染色體”進(jìn)行拆分。拆分過程中凸顯矛盾，激發(fā)學(xué)生對細(xì)胞分裂過程中染色體的形態(tài)變化作出假設(shè)，并出示科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋。

3）模型、顯微圖像、真實視頻、模擬視頻等多種演示方式相結(jié)合，多個角度引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建概念。整節(jié)課對于重要概念的構(gòu)建，設(shè)計了模型推演，蠶豆、吊蘭、洋蔥等多種植物細(xì)胞分裂顯微實驗圖像、細(xì)胞分裂真實視頻、模擬視頻等多種演示方式相結(jié)合，突破不同難點。

本研究圍繞細(xì)胞分裂相關(guān)重要概念的構(gòu)建，探討核心素養(yǎng)下生物學(xué)重要概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階行動，設(shè)計與實施以一個重要概念為突破口，描述與細(xì)胞分裂相關(guān)的學(xué)習(xí)進(jìn)階表現(xiàn)，設(shè)計了概念進(jìn)階圖，并針對初、高中學(xué)生的實際特點開展行動研究。本研究是對學(xué)習(xí)進(jìn)階行動研究的一次嘗試，在后續(xù)研究過程中，上述模型還會不斷被修飾，同時將以本次研究為經(jīng)驗，不斷探索新的主題。