基于多模型思维的课堂教学策略----以人教版新教材“DNA的结构”为例

基于多模型思维的课堂教学策略 ---- 以人教版新教材“ DNA 的结构”为例

刘成良

海南省乐东黎族自治县黄流镇 华东师范大学第二附属中学乐东黄流中学 海南 乐东 572536

摘要：美国学者斯科特·佩奇认为运用多模型思维解决问题更易做出明智的选择。人教版必修2“DNA的结构”一节蕴含丰富的模型素材。近期围绕此节进行的同课异构教学活动中，课堂上思维浅表化弊端显著。笔者从教材深度利用角度，提出增强模型意识、利用模型的推测功能、掌握不同情境下建模用模能力等多模型思维教学策略。

关键词：模型思维；多模型思维；课堂教学；策略

模型方法在人类科学研究过程中起着至关重要的作用，许许多多的重大科学发现都离不开模型和模型建构的成功。模型建构可以使复杂的事物简约化，可以使抽象的理论具体化，可以使零碎的信息系统化。模型的作用在生物学发展中尤为明显，生物科学史中有太多的模型思维成功的案例。如孟德尔以基因型和表现型构建遗传过程模型，通过假说演绎的科学方法揭示了遗传规律；沃森、克里克构建“DNA的双螺旋模型”，为世人探秘遗传学的微观世界开启了大门。

普通高中生物学课程标准指出：以核心素养为宗旨是高中生物学的课程理念；引导学生形成科学思维的习惯是生物学的重要课程目标。生物学课程性质要求学生主动地参与学习，在亲历提出问题、获取信息、寻找证据、检验假设、发现规律等过程中习得生物学知识，养成科学思维的习惯，形成积极的科学态度，发展终身学习及创新实践能力^[1]。模型建构过程体现了以学生为主体的教学理念，在探究的过程中学生发展了合作担当的品质，通过问题的解决发展了思维。因此模型建构活动是核心素养达成的一条重要途径，这也是国家培养未来创新型人才的必然需求。

笔者近日作为主评老师参加本县一次同课异构活动，课题是人教版新教材必修2第3章第2节《DNA的结构》。活动过程中，发现老师们教学存在以下共同问题：①DNA双螺旋模型建构时缺乏探究，仅仅要求学生利用现有教具，整个活动类同幼儿的积木游戏，思维含量降低或思维表层化明显，不能做到行为与思维训练同步；②有的老师利用PPT的大量“图文并茂”的篇幅直接给出DNA的结构特点阐述，知识浅层化，学生被动接受，甚至被要求死记硬背；③在学生搭建了DNA模型后，不能充分利用生成性教学资源进行自建模型的创造性利用，学生对自己的成果缺乏“自豪感”；④过于拘泥于教材的束缚，为教材而教，不懂得挖掘教材中隐性模型素材挖掘，缺乏教材资源应有的深度开发，难以升华为学科核心素养达成。针对这些问题，笔者结合听课感受，基于斯科特·佩奇的“多模型思维”理念提出一些教学建议，以供老师借鉴或商榷。

1 佩奇的“多模型思维”简介

斯科特·佩奇是密歇根大学讲师。2019年12月他的《模型思维》一书由浙江人民出版社出版发行。书中认知金字塔理论描述了由数据--信息--知识--智慧之间的关系。日常生活中的种种事件为数据，结构化的数据称为信息，建立一定逻辑关系后便构建了模型，也就拥有了知识。他认为：用模型来思考的人，持续超越那些不用模型的思考者；掌握多种模型的人，也持续超越那些掌握单个模型的人。模型简化了现实，但是每个模型只聚焦整体一部分。掌握多种模型，就像站在一间拥有很多窗户的房子里，以不同的方式看向世界。假如只用一个模型观察世界，就会让真理成为公式的牺牲品。所以，要想理解真实世界，我们需要的不是模型，而是多模型思维^[2]。

2 本节教材蕴含的模型素材

现行人教版教材在必修1模块就介绍了模型和建模知识。教材将生物学的模型界定为物理模型、概念模型、数学模型^[3]。据此，我们将“DNA的结构”一节教材中显性模型列举如下表：

除了思维训练栏目，教材在文字叙述、学生活动设计等方面，也都注意训练学生的思维，从而使得教材中科学思维的训练显隐结合，潜移默化与总结提升相结合^[4]。本节模型素材丰富，可涵盖中学生物教材介绍的物理模型、数学模型和概念模型三类，其中隐性模型素材列举如下：

3 本节教学的多模型思维策略

首先，多模型思维不是说拥有的模型越多越好，也不是说要强行要求学生去记忆多个模型，而是提倡引导学生具备从不同角度去构建模型的意识。其次，要指导学生理解某一模型是在某种特定情境下的抽象简约化，运用时需要考虑其具有一定的局限性。所以，教学实践中要学会从不同角度针对某个过程或者某问题构建不同类别的模型，也就是要注重模型应用能力和模型转化能力。

3.1 课标要求及教材简析

必修2模块以人类对遗传信息的探索为主线构建知识体系，侧重于物理模型和数学模型的建构。聚焦生物学重要概念，基于概念学习发展核心素养是新教材的特点^[5]。本节内容是构建大概念3“遗传信息控制生物性状，并代代相传”和大概念4“生物的多样性和适应性是进化的结果”的重要环节，也是理解大概念5“基因工程赋予生物新的遗传特性”的基础。

新课标要求“概述DNA分子是由四种脱氧核苷酸构成，通常由两条碱基互补配对的反向平行长链形成双螺旋结构，碱基的排列顺序编码了遗传信息；搜集DNA分子结构模型建立过程的资料并进行讨论和交流；制作DNA分子双螺旋结构模型；结合DNA双螺旋结构模型，阐明DNA分子作为遗传物质所具有的特征，以及通过复制、转录、翻译等过程传递和表达遗传信息^[6]。基于本节内容的承上启下及课标的自主探究要求，教学过程中我们不能敷衍，应该积极探索教与学方式的转变策略，重视学生体验的过程和思维品质形成过程。

3.2 教学课时和板块内容微调

在人教版配套的教师教学用书中第3章“参考课时数”共5个课时，其中“DNA的结构”为2课时，其他各节为1课时^[7]。笔者听课过程中发现老师们都是仅有一个课时即完成了DNA模型的搭建又完成了DNA分子结构特点的知识讲述，也就是一个课时内便完成此节全部教学任务。细想之下，可能原因一是拘于教材，不敢有“超纲”行为，二是没有充分进行思维拓展，不能完全放手让学生去自主探究、分享和评价。

为了充分保障知识的连续性，也是为了能够体现思维发展的低阶到高阶规律性，建议教学过程中将本章第4节《基因通常是有遗传效应的DNA片段》的“思考·讨论“分析脱氧核苷酸序列与遗传信息的多样性”栏目调整到本节，与本节的“探究·实践“制作DNA双螺旋结构模型”进行整合，这样便于学生自主搭建了DNA双螺旋模型后，就地取材，让各组同学分别在黑板上写出自己组搭建的模型的碱基对序列，并与其他组的碱基对序列进行比对，从而为“DNA分子具有多样性，其碱基的排列顺序编码了遗传信息”这一概念教学创设情境。比如，老师提出问题：①各组同学搭建的模型的碱基对序列都不相同，这说明了什么？②如果每组同学的模型拆解后，不改变现有的碱基对种类和数量，那么你们组的DNA模型还有多少种碱基对排列方式？由这两个问题自然引入教材P58页的“分析脱氧核苷酸序列与遗传信息的多样性”。这两块内容放在一起探究，不仅是思维能力培养的连贯性，也是实现了物理模型到数学模型的过渡，为多模型思维的建立奠定了基础。

3.3 本节教学设计基本流程

按照本节教学两个课时安排，课前渗透STEM理念，让学生以小组为单位构建DNA的双螺旋结构模型，要求自主寻找最适宜的模型材料，分工合作，制作过程以实验报告形式，以备课堂交流分享。第一课时完成模型分享、评价和“DNA分子多样性和特异性的数学建模”。

第1课时几个细节：①我们模型搭建时用三种不同形状物件分别代表磷酸、碱基和脱氧核糖分子，比起沃森、克里克模型更加简约化；②小组分组应该提早完成，本着组间同质、组内异质原则，让学生间紧密合作，互相促进；③考虑学生尚未学习数学的排列组合问题，用A-T、T-A、C-G、G-C四种四个碱基对构建不同排序模型时，可引导学生如果用原物理模型方式会很麻烦，因排列方式多样不方便一一呈现，可变换建模方式，以下图方式帮助推理形成数学模型。

第1课时学生完成DNA双螺旋模型搭建、分享了自己获取的科学家故事和模型建构过程中遇到的问题和解决问题的方式等经验，同时通过四个不同碱基对的排序和四个四种足量碱基对的排序，从不同的数学思维角度感知了DNA分子的多样性，最后可以推理出P59页讨论1，得出100个碱基对组成一个基因，可能组合成4¹⁰⁰种基因，从而更加深刻理解了DNA作为遗传物质能够携带遗传信息的原因。教学中，还可以用类似方式让学生推理出相邻两组间用四个不同碱基对排列时序列相同的概率仅有1/24，如果100个碱基对，每种碱基对数量充足的情况下，两个基因碱基排序相同的概率只有1/2¹⁰⁰，更何况实际情况下每个基因的碱基对数目远远多于100，这样学生对DNA分子的特异性就有了深度认识。

第2课时安排主要是利用已有的DNA模型推演并构建“DNA复制”的方式模型，体现模型的预测功能。在学生假设-推演后，引导学生结合以前学过的核酸方面内容，比较归纳DNA和RNA的异同，然后从元素-小分子化合物-单体-平面结构-立体结构构建DNA结构的概念模型，并将两种核酸分子进行比较。在分析问题和解决问题的过程中调动了学生自主探究的积极性，发展了思维能力和模型建构意识、能力。至于“DNA结构的概念模型”在建构前一定要创设问题情境，因为模型是为解决问题的，没有问题意识，难以发挥学生建模的主动性。比如，可以用问题串方式：DNA分子中的元素种类和磷脂相同吗？人体中的核苷酸分子和脱氧核糖核苷酸分子的种类相同吗？两个DNA分子的碱基对数相同，那么它们的稳定性就相同吗？在情境创设后引导学生步步完善，最终基本形成如下的“核酸概念模型”：

图 核酸分子的概念模型

3.4 注重解题过程中模型的建构和运用

新教材每章、每节学习之后，都及时进行检测。检测题的设计，注意聚焦重要概念、创设真实情境、提升思维力度、指向核心素养^[8]。比如课本P52页“练习与应用”第3小题就是数学建模的很好素材；P62页第二大题的第2小题也是启发学生利用数据为物理模型建构提供依据的典例。老师还可以根据教学实际适当补充一些例题，以题促进学生模型意识和模型转换关系。

4 结语

“DNA的结构”一节教材内容看似平淡，实际上蕴含丰富的学科核心素养达成素材，特别是模型素材，一节内容可通过物理模型、数学模型和概念模型的建构与转换，不断训练学生思维，通过情境设置，让学生主动探究。通过合作、分享让学生感受成功，培养责任意识。总之，一节课在生命观念（物质观、信息观、结构和功能观等）、科学思维、科学探究和社会责任四个素养维度都得到了发展。特别是“模型应用”和“模型转换”能力的应用较多，完善了知识体系，思维品质得到提升，为将来成为一个“多模型思考者”奠定了基础。

主要参考文献：

[1] 教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[M]北京:人民教育出版社,2020:1-4.

[2] 斯科特·佩奇.贾拥民译.模型思维[M].杭州:浙江人民出版社,2019:1-10.

[3] 赵占良,谭永平.聚焦学科核心素养，彰显教材育人价值--普通高中生物学教材修订的总体思路[J].课程·教材·教法 2020,40(1):82-89. 