靳冬雪 劉恩山

（北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100875）

美國(guó)在《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（Next Generation Science Standards, NGSS）中強(qiáng)調(diào)的跨學(xué)科概念，是對(duì)理科知識(shí)共通性的高度歸納［1］，它打破了學(xué)科界限，將不同學(xué)科的知識(shí)相聯(lián)系，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)核心概念和科學(xué)及工程實(shí)踐的理解，促進(jìn)連貫科學(xué)世界觀的形成［2］。其中“尺度（scale）”概念從定量的角度描述、分析和解釋了結(jié)構(gòu)與現(xiàn)象，是理解自然界運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)理的出發(fā)點(diǎn)。尺度概念滲透在科學(xué)學(xué)習(xí)的各方面，但我國(guó)中小學(xué)理科學(xué)習(xí)階段并未對(duì)尺度進(jìn)行明確、集中的學(xué)習(xí)。研究也表明，在較小尺度上，學(xué)生對(duì)現(xiàn)象和科學(xué)概念的理解比較困難［3-4］。因此，筆者以尺度概念的含義與特征為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)“尺度”教學(xué)單元，并以校本課程的形式在北京某高中1年級(jí)學(xué)生中開展了2 輪教學(xué)實(shí)踐。依據(jù)實(shí)地教學(xué)在概念的結(jié)構(gòu)梳理及表述、課堂環(huán)節(jié)銜接、教學(xué)活動(dòng)的參與度、學(xué)生對(duì)尺度概念的理解情況等方面的反饋，逐步完善“尺度”教學(xué)單元的設(shè)計(jì)，并總結(jié)出結(jié)合“以指向核心概念的問題為起點(diǎn)”及“5E 教學(xué)模式”的教學(xué)設(shè)計(jì)思路，旨在促進(jìn)學(xué)生對(duì)尺度的理解和跨學(xué)科思維的形成。

1 尺度同時(shí)具有絕對(duì)和相對(duì)2 個(gè)方面的特征

尺度是人們看待世界的一種標(biāo)準(zhǔn)。在科學(xué)領(lǐng)域中，尺度指人為劃分的、研究某一物體、現(xiàn)象或過程時(shí)采用的空間、時(shí)間或能量單位，能幫助人們從定量的角度觀察和分析研究對(duì)象。

從絕對(duì)意義上講，自然界中的事物都有其存在或發(fā)生的尺度，可用數(shù)量級(jí)的方式進(jìn)行表示，例如原子是在10-10m 的水平上。因此，可將科學(xué)研究劃分為3 等尺度：人類肉眼可視的宏觀尺度、不能直接觀察的極小或極快尺度及不能直接觀察的極大或極慢尺度［5］。對(duì)于無法直接用肉眼觀察的尺度，可利用技術(shù)工具進(jìn)行間接研究［2］。而從相對(duì)意義上講，尺度將作為內(nèi)在變量影響被研究的事物。當(dāng)尺度變化時(shí)，自然界的不同方面，包括事物的性質(zhì)、事物間的關(guān)系、現(xiàn)象背后的機(jī)制等也在以不同速率發(fā)生變化［6］。將尺度作為變量，在一個(gè)尺度上得出的結(jié)論可能會(huì)比另一個(gè)尺度更為具體，但也有可能是無效的［7］。

科學(xué)現(xiàn)象往往比較復(fù)雜，人們常需在不同尺度間作轉(zhuǎn)換以理解其中的關(guān)聯(lián)［7］。同種尺度內(nèi)的關(guān)聯(lián)可幫助人們理解事物的本質(zhì)，或作出預(yù)測(cè)，例如化學(xué)反應(yīng)的宏觀變化與其微觀機(jī)制的聯(lián)系。此外，事物在不同種尺度間也存在著關(guān)聯(lián)。當(dāng)人們考察的空間尺度發(fā)生改變，其時(shí)間尺度也會(huì)隨之改變［5］。在小的空間或時(shí)間尺度上發(fā)生的改變，可能會(huì)造成大空間尺度上的長(zhǎng)期影響［5］。

2 以問題驅(qū)動(dòng)的方式設(shè)計(jì)尺度教學(xué)單元

為了實(shí)現(xiàn)指向概念理解的教學(xué)，幫助學(xué)生深入理解所學(xué)知識(shí)，教師可采用“以指向核心概念的問題為起點(diǎn)”［8］的教學(xué)設(shè)計(jì)思路組織教學(xué)內(nèi)容。該教學(xué)思路以問題驅(qū)動(dòng)的方式為主，將需要學(xué)習(xí)的核心概念拆分成若干下位概念，并按照邏輯組織起來，對(duì)所有概念都提出相應(yīng)的問題，以此作為指導(dǎo)教學(xué)資源收集、內(nèi)容安排的框架。筆者依據(jù)該思路，設(shè)計(jì)以尺度概念為主題的教學(xué)單元。

2.1 梳理概念結(jié)構(gòu) NGSS 在附錄中以學(xué)習(xí)進(jìn)階的方式指出了不同學(xué)段學(xué)生應(yīng)當(dāng)理解的“尺度”概念，并以陳述句表述。這些可作為主題單元教學(xué)內(nèi)容的主要來源。本次設(shè)計(jì)選擇9～12年級(jí)，可對(duì)應(yīng)我國(guó)高中學(xué)習(xí)階段，內(nèi)容如表1所示。

表1 NGSS 中對(duì)9～12年級(jí)學(xué)生應(yīng)當(dāng)理解的尺度概念的描述

這些需要學(xué)生理解的尺度概念，在NGSS 中是默認(rèn)建立在之前學(xué)段已經(jīng)掌握過部分尺度概念的基礎(chǔ)上，但我國(guó)高中生在之前的學(xué)段中并未明確學(xué)習(xí)過尺度，因此需要在本單元的概念結(jié)構(gòu)中加入尺度的定義，使其連貫、完整。此外，表1的4條尺度概念中，涉及到了3 個(gè)尺度以外的跨學(xué)科概念——系統(tǒng)、模型及模式。為避免理解困難，需要對(duì)這部分語言進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

最后，依據(jù)這些概念的含義進(jìn)行層級(jí)劃分，梳理成一個(gè)清晰的結(jié)構(gòu)，輔助后續(xù)教學(xué)活動(dòng)的選擇和組織（表2）。

表2 “尺度”主題教學(xué)單元的概念結(jié)構(gòu)

上表中，尺度概念被劃分為2 個(gè)部分，前半部分側(cè)重絕對(duì)尺度，這樣可在理解尺度與研究現(xiàn)象之間具有對(duì)應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)后半部分側(cè)重相對(duì)尺度的內(nèi)容，將尺度作為“變量”理解現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)與變化。

2.2 提出關(guān)鍵問題 表2中的概念是尺度主題單元的重點(diǎn)，但陳述句的形式缺乏激發(fā)思考的效果，因此將上位概念與下位概念均轉(zhuǎn)換成待解決的關(guān)鍵問題的形式。這些問題的答案會(huì)直接指向表2中的概念，以此驅(qū)動(dòng)教師的教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)程，再通過課堂教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生思考（表3）。

表3 “尺度”主題教學(xué)單元待解決的關(guān)鍵問題

按照表2概念結(jié)構(gòu)中“絕對(duì)尺度和相對(duì)尺度”的組織邏輯，可將此單元?jiǎng)澐譃? 課時(shí)，第1 課時(shí)解決問題1（包括1.1 和1.2），第2 課時(shí)解決問題2（包括2.1 和2.2）。并且，下位概念是理解上位概念的基礎(chǔ)，所以想要解決上位概念對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵問題，需要先解決其下位概念對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵問題，這是安排課堂活動(dòng)時(shí)遵循的基本順序。此外，“以指向核心概念的問題為起點(diǎn)”的思路雖然有助于設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，并有效指向概念學(xué)習(xí)，但對(duì)于一節(jié)完整的課來說，還需要緊湊的環(huán)節(jié)將教學(xué)活動(dòng)銜接起來，使其節(jié)奏適當(dāng)、重點(diǎn)突出。因此，在該設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)上，參考美國(guó)生物科學(xué)課程研究（Biological Sciences Curriculum Study）提出的“5E 教學(xué)模式”［9］，按照“引入、探究、解釋、精致、評(píng)價(jià)”5 個(gè)環(huán)節(jié)規(guī)劃課堂。

2.3 設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng) 根據(jù)表3的關(guān)鍵問題及“5E教學(xué)模式”，尋找素材，設(shè)計(jì)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生通過回答這些關(guān)鍵問題理解尺度概念。教師通過收集圖片、數(shù)據(jù)、動(dòng)畫等形式的素材，輔助學(xué)生參與到資料分析、提問引導(dǎo)、觀察總結(jié)等活動(dòng)中［8］。

2.3.1 第1 課時(shí)教學(xué)計(jì)劃 學(xué)生將在第1 課時(shí)中學(xué)習(xí)尺度的定義與分類，理解事物與絕對(duì)尺度的對(duì)應(yīng)，以及人們面對(duì)極端尺度時(shí)采取的研究方法。

2.3.1.1 引入 引入環(huán)節(jié)的目的是吸引學(xué)生的注意力，促使他們思考與尺度相關(guān)的問題。教師展示4 張分辨率從低到高的圖片，并提問為什么它們的清晰度不同？讓學(xué)生互相討論，并自由表達(dá)觀點(diǎn)，教師無需糾正學(xué)生的錯(cuò)誤答案。

2.3.1.2 探究與解釋

教學(xué)活動(dòng)1：改編生態(tài)學(xué)案例，旨在回答問題1.1。如圖1所示，當(dāng)利用不同基本單位調(diào)查同一區(qū)域的植被覆蓋情況時(shí)，呈現(xiàn)的結(jié)果有什么不同？從中可以總結(jié)出什么？圖中白色表示無植被覆蓋，灰色表示有植被覆蓋但面積小于50%，黑色表示有植被覆蓋且面積大于50%。讓學(xué)生分組討論并歸納自己的觀點(diǎn)，教師結(jié)合學(xué)生的回答總結(jié)尺度的定義與分類。

圖1 利用不同基本單位調(diào)查相同區(qū)域的植被覆蓋情況［10］

教學(xué)活動(dòng)2：觀看經(jīng)典影片Powers of Ten，回答問題1.2。在該影片中，隨著空間尺度從1024m到10-16m 連續(xù)變化，畫面也從極其遙遠(yuǎn)的麥哲倫云之外的宇宙空間逐步變換成夸克。這部影片（1968年）雖年代已久，但它很好地結(jié)合了具體的視覺形象和抽象的數(shù)學(xué)符號(hào)，已有研究證明它能顯著提升進(jìn)學(xué)生對(duì)空間上的絕對(duì)尺度和相對(duì)尺度的理解［3］。觀影結(jié)束后，讓學(xué)生思考和討論，當(dāng)人們遇到極小／極大／極快／極慢尺度上的現(xiàn)象時(shí)，該如何研究？ 教師結(jié)合學(xué)生的回答，展示掃描電鏡、哈勃天文望遠(yuǎn)鏡、高速攝像技術(shù)、延時(shí)攝影技術(shù)的動(dòng)畫，并總結(jié)對(duì)于極端尺度上的現(xiàn)象需要進(jìn)行間接研究。

2.3.1.3 精致 精致環(huán)節(jié)的目的是讓學(xué)生練習(xí)應(yīng)用絕對(duì)尺度。結(jié)合教學(xué)影片Powers of Ten的內(nèi)容，舉一反三，讓學(xué)生用數(shù)值表達(dá)不同事物的空間、時(shí)間或能量尺度，例如洋蔥表皮細(xì)胞（10-5m），人類進(jìn)化（104年），燈泡（101J）等，引導(dǎo)學(xué)生思考現(xiàn)象與尺度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。教師結(jié)合學(xué)生的回答，總結(jié)一個(gè)現(xiàn)象是否有意義取決于它發(fā)生的尺度。

2.3.1.4 評(píng)價(jià) 課堂的最后需要評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)尺度概念的掌握情況?？山Y(jié)合學(xué)過的生物學(xué)知識(shí)，例如，讓學(xué)生討論并回答“不同的囊泡能將物質(zhì)準(zhǔn)確運(yùn)輸?shù)侥康牡夭ⅰ敦洝?，?qǐng)從分子水平上提出目的地準(zhǔn)確接受囊泡的可能機(jī)制”。若學(xué)生能回答出信號(hào)分子與受體結(jié)合／糖蛋白識(shí)別等答案，則可認(rèn)為其較好地理解了本課時(shí)的內(nèi)容。同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)本課時(shí)內(nèi)容的理解進(jìn)行自我評(píng)價(jià)。

2.3.2 第2 課時(shí)教學(xué)計(jì)劃 在第1 課時(shí)學(xué)習(xí)過絕對(duì)尺度的基礎(chǔ)上，學(xué)生將繼續(xù)學(xué)習(xí)相對(duì)尺度，理解尺度作為“變量”影響自然界的現(xiàn)象與過程。

2.3.2.1 引入 課堂開始時(shí)，教師要引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注“尺度的變化”?？刹扇W(xué)生熟悉的情境作為活動(dòng)背景，例如，在不同時(shí)間尺度下，校園小花園中植物數(shù)量的變化可能是怎樣的？ 讓學(xué)生在圖2所示的坐標(biāo)系（植物數(shù)量為假設(shè)）中繪制曲線，并討論隨著尺度的變化，觀察到的現(xiàn)象可能會(huì)有什么變化？

圖2 校園小花園中植物數(shù)量可能的大致變化

2.3.2.2 探究與解釋

教學(xué)活動(dòng)1：繪制和比較不同空間尺度下天體運(yùn)行的軌跡，旨在回答問題2.1。讓學(xué)生以小組為單位，討論并分別繪制月球在地月系統(tǒng)、太陽系中的大致運(yùn)動(dòng)軌跡，以及八大行星在太陽系、銀河系中的大致運(yùn)動(dòng)軌跡。繪制完成后，讓學(xué)生分組展示，比較、討論和修改小組的軌跡曲線，并回答為什么同一個(gè)天體的軌跡會(huì)有所不同？隨后教師播放銀河系中八大行星大致運(yùn)動(dòng)軌跡的動(dòng)畫，并結(jié)合學(xué)生的回答總結(jié)事物會(huì)隨著尺度的變化而變化。

教學(xué)活動(dòng)2：以活動(dòng)1 為基礎(chǔ)，通過分析自然科學(xué)中的規(guī)律等回答問題2.2。讓學(xué)生思考，若現(xiàn)象會(huì)隨著尺度變化而變化，提問規(guī)律是否也受尺度變化的影響？ 教師通過舉例幫助學(xué)生分析，例如萬有引力定律、質(zhì)量守恒定律等在不同尺度上是否可直接遷移應(yīng)用？ 以質(zhì)量守恒定律為例，它可從宏觀尺度遷移至原子尺度（化學(xué)反應(yīng)前后原子數(shù)不變），但在原子核尺度上，核反應(yīng)已不再是化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)前后原子數(shù)不再守恒。學(xué)生還可結(jié)合學(xué)習(xí)過的其他規(guī)律進(jìn)行分析和討論，并歸納自己的觀點(diǎn)。教師結(jié)合學(xué)生的分析和回答，總結(jié)在一個(gè)尺度上發(fā)現(xiàn)的規(guī)律在另一尺度上不一定也成立。

2.3.2.3 精致 該環(huán)節(jié)中，學(xué)生將練習(xí)應(yīng)用相對(duì)尺度。教師需準(zhǔn)備若干組毒素致病機(jī)理的描述及相應(yīng)的中毒案例，如圖3所示。讓學(xué)生將打亂順序的毒素與案例正確匹配起來，即關(guān)聯(lián)微觀機(jī)理與宏觀表征。教師提問學(xué)生判斷毒素與案例匹配的依據(jù)，并強(qiáng)調(diào)其中的關(guān)聯(lián)，最后總結(jié)一些現(xiàn)象在不同尺度上是相關(guān)聯(lián)的。

圖3 毒素致病機(jī)理描述及病征案例描述卡片示例

2.3.2.4 評(píng)價(jià) 播放紀(jì)錄片The Nano Revolution（納米革命）中的片段——在分子水平上鑒定病變細(xì)胞釋放的信號(hào)分子，能較早預(yù)測(cè)疾病的發(fā)生。之后，讓學(xué)生描述疾病診斷在不同尺度上的關(guān)聯(lián)，從而評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)相對(duì)尺度的理解。若學(xué)生能比較清晰地闡釋信號(hào)分子鑒定與病征預(yù)測(cè)之間的關(guān)聯(lián)，則可認(rèn)為其對(duì)本課時(shí)內(nèi)容有較好的理解。同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)本課時(shí)內(nèi)容的理解進(jìn)行自我評(píng)價(jià)。

在這2 課時(shí)的教學(xué)計(jì)劃中，每回答一個(gè)下位概念對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵問題，都會(huì)進(jìn)行一次探究和解釋，因此無需將這2 個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格劃分開，可組合成為一個(gè)大的環(huán)節(jié)。在這個(gè)大環(huán)節(jié)中，教師須參與每一次的學(xué)生討論，了解他們?cè)谟懻摃r(shí)的思維過程及理解上的難點(diǎn)，作為形成性評(píng)價(jià)，以便在總結(jié)時(shí)更好地引導(dǎo)學(xué)生。

3 結(jié)語

《K-12 科學(xué)教育框架》（A Framework For K-12 Science Education）中強(qiáng)調(diào)科學(xué)教育應(yīng)當(dāng)向真實(shí)的科研環(huán)境靠近［5］，這必然涉及尺度概念的學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生從定量的角度理解世界運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)理。尺度概念與“建立并使用模型”的實(shí)踐相關(guān)，模型是理解尺度的最佳方式［2］，例如本教學(xué)單元中學(xué)生對(duì)各天體運(yùn)動(dòng)軌跡的繪制。教師在進(jìn)行尺度概念教學(xué)時(shí)，可根據(jù)學(xué)生的知識(shí)和能力基礎(chǔ)，與其他跨學(xué)科概念和實(shí)踐相結(jié)合。此外，研究還發(fā)現(xiàn)使用與學(xué)生相關(guān)的活動(dòng)和主題，并融合數(shù)學(xué)（例如指數(shù)、比例推理）的方式進(jìn)行教學(xué)，可很好地幫助學(xué)生掌握尺度概念，從而使他們理解不同尺度上觀察到的科學(xué)現(xiàn)象［11］。

機(jī)理：左旋結(jié)構(gòu)的薩利多胺能夠與DNA 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而改變DNA 的結(jié)構(gòu)，尤其是DNA 鏈中富含鳥嘌呤脫氧核苷酸（G）的區(qū)域。富含G 的區(qū)域與肢體、面部特征和特定器官的發(fā)育有關(guān)，該區(qū)域結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄酶無法與其正常結(jié)合。

案例：有毒物質(zhì)1

1960年，F(xiàn)DA 的Frances Kclscy 博士駁回了某藥物在美國(guó)上市的申請(qǐng)，理由是其缺乏充分的安全性報(bào)告。自1956年以來，該藥已經(jīng)在20 多個(gè)國(guó)家上市，用于緩解孕婦的孕吐反應(yīng)。然而，很快在全世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了與該藥物相關(guān)的負(fù)面報(bào)道，使用該藥物之后，出生的嬰兒無肢體和耳朵或肢體畸形。該藥物帶來的負(fù)面影響推動(dòng)了1962年FDA 的藥物審核改革，同時(shí)，F(xiàn)rances Kelsey 博士也受到了由總統(tǒng)John F.Kennedy 授予的杰出民事服務(wù)獎(jiǎng)。

其實(shí)，學(xué)生在課上與課外的經(jīng)歷中已經(jīng)有過與尺度相關(guān)的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，但不夠清晰和明確［12］。所以，教師要在學(xué)生已經(jīng)對(duì)“尺度”有初步認(rèn)知的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行明確地歸納、界定和強(qiáng)調(diào)。目前我國(guó)普遍實(shí)行的仍是分科教學(xué)，在無法實(shí)現(xiàn)尺度的單元化、集中教學(xué)的情況下，教師可拆分此單元內(nèi)容，選擇合適的部分融合進(jìn)日常的學(xué)科課堂。教師也可進(jìn)一步開發(fā)支持尺度學(xué)習(xí)的課程和活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生逐步掌握這項(xiàng)思維工具，培養(yǎng)跨學(xué)科思維。