美国高中生物学遗传的分子基础学习轨迹设计介绍，本文主要内容关键词为：美国论文,生物学论文,轨迹论文,分子论文,高中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
高中生物学中DNA分子的双螺旋结构模型是学生理解遗传学基本理论的重点。[1]它对于学生理解后面的有关DNA的复制、基因控制蛋白质合成、基因突变的知识是非常重要的基础。由于课文中是直接给出DNA双螺旋的结构模型，而这个模型本身又涉及学生还没有接触过的许多化学知识，因此也成为这一教学的难点。如何在有限的课堂时间内提高学生的学习效率是高中生物学教师追求的目标。本文希望通过对美国高中生物学遗传的分子基础学习轨迹这一全新的学习方法的介绍，借鉴美国的一些新的教学方法，为我国高中生物学遗传的分子基础的教学提供一些新的思路和启示。
美国2061计划的研究人员在对高中生物教材作评估的时候，设计以各个知识模块作为评估的单元，对学生在使用了不同的教材后在单个知识模块上所能够达到的知识水平做了调查，并以这些调查结果为基本依据来分析各个不同版本的教材的优缺点。在遗传的分子基础这个知识模块上，研究人员在分析了关于这个模块的调查结果后，认为在讲授DNA的知识时不与蛋白质的知识相联系以及将孟德尔法则放在DNA的内容之前讲授的传统做法都是不合理的，没有在DNA的两个主要功能之间建立起联系，因此学生在理解遗传的分子基础上会遇到困难。为此他们设计了一个可以引导学生将DNA的两个主要功能即决定生物体的特性和传递遗传信息相联系起来理解的学习轨迹。整个学习轨迹使用一张遗传的分子基础的概念发展图[2]（图1）来完全展示，以这张图示的内容为基础，它的设计者提出了两个核心观点：一是理解蛋白质执行细胞功能的知识是理解DNA的遗传特性的基础，即DNA的核苷酸序列决定了蛋白质的氨基酸序列进而影响蛋白质的功能，而蛋白质的各种功能体现着生物体的各种生命活动，因此DNA才能决定生命体的特性；二是学习关于DNA的知识是理解基因的更多抽象知识的基础，即关于DNA的基础知识应该放在遗传法则之前让学生学习，这样更合乎逻辑。这张图上方框中的文字叙述了知识点的内容，而箭头指向则说明了它们在逻辑上的关系，这些文字内容都是从《科学素养基准》和《国家科学教育标准》中选取的。在编制这张图的过程中，为了满足高中生物课本的要求，这些知识目标来自于《科学素养图集》中4个不同系列的概念发展图，包括DNA和遗传特性、遗传的多样性、细胞功能以及原子和分子。其中大部分的知识目标是9-12年级的，也有少数的初中以前的知识目标作为学习的先决条件。
一、遗传的分子基础概念图的设计思路
1、学习轨迹的设计
图1中所示的学习轨迹A列出了理解DNA对决定生物体特性的作用所需要逐步掌握的知识。
图1
整个进程提出了一个合理的、合适发展的从小学到高中的知识学习顺序。在2年级以前学生学习到生物需要食物、水和空气。在3-5年级学生学习单细胞生物与多细胞生物有一样的需要，一些生物体是由一群类似的细胞组成以及有些生物体的细胞在功能上分化并在生物体中起不同作用。在中学中学生学习生物体功能执行的基本单位是细胞，高中则进一步学习到细胞中的一些分子主要是蛋白质完成了这些功能。这时，生物体的特性通过蛋白质活动来表现这一内容就能够容易理解了，2061计划研究人员通过对学生的访谈也在下文中印证了这一点。
图1中的学习轨迹B则列出了理解DNA传递遗传信息所需要逐步掌握的知识。它预期学生在2年级以前学习到儿女与他们的父母很相象，在3-5年级认识到必然有一种可靠的遗传信息传递方式在起作用。到了高中，由于有了以前学习的关于细胞和蛋白质分子的知识，学生就可以进一步将学习蛋白质功能和DNA的结构联系起来，将蛋白质结构和其特性的关系联系了。
2、拆分具体学习目标
为了测定这个学习进程的效度，就要确定帮助学生学习的活动和能够监控他们进步的评价内容。在这一过程中，研究人员对每个学习目标做进一步拆分，明确了每个知识点的详细内容，这样的精确工作比以《科学素养基准》或《国家科学教育标准》的学习目标为基点效果更好。
经过讨论后，研究人员将这一基准拆分成3个单独的知识点，每一个都有它自己单独的评价内容和教育活动：[3]
(1)细胞的工作是由其合成的、许多不同类型的分子进行的，这些分子大部分是蛋白质。
(2)蛋白质的分子很长，通常由二十多种不同的氨基酸分子组成，并折叠成链状。
(3)每个蛋白质分子的功能取决于氨基酸分子的特定序列，链的形状是链中各部分相互吸引的结果。
据此可以发现一些知识点的范围在实际教学中并不合适，从而在知识点的内容和语言上都进行一些调整。
3、科学设计考察试题
在确定与前述学习进程相关的评价内容和教育活动过程中，下一步是调查并总结出学生经常产生误解的是哪些知识。例如，经过很多轮次的调查和访谈之后，结果发现一些学生并不理解是蛋白质完成了细胞的工作。当被问及蛋白质是否是必须的时候，他们谈到了蛋白质对生物体整体的重要性而没有提及蛋白质对细胞功能的作用。当被问及蛋白质具体完成了细胞的哪些工作时，大部分学生无法举出例子。即使有些学生能够说出酶蛋白实现催化作用的“锁钥”学说也不能将蛋白质在细胞内完成工作与之相联系。在研究学生对蛋白质与DNA关系的理解方面，有些学生清楚地知道从DNA到mRNA到tRNA再到蛋白质的转录和翻译的过程，却没认识到是DNA上的核苷序列决定了蛋白质的氨基酸序列进而影响了蛋白质的三维结构和功能这一关键问题。
从知识调查和访谈活动中获得的信息帮助了研究者对关键的具体学习目标进行的修订工作。例如，在拆分具体学习目标的过程中，添加了“不同的蛋白质完成不同的工作即有不同功能”这句话，因为在调查中学生经常(a)不能举出蛋白质完成工作的例子或者不同的蛋白质怎么执行不同的功能以及(b)不知道维持生命的这些功能需要多少蛋白质。
通过对许多学生都可能产生的错误概念有了一整套的了解之后，就可以以此为依据来设计试题考查学生。这些试题可以先尝试着让之前已经参与了问卷调查的学生来回答，然后根据结果再次进行修改。
4、寻找相关典型实例
在设计考察试题的同时，也在试图找出那些有可能在学习过程中帮助学生理解那些关键知识的实例。理想情况下，这些实例能够图示或者例证每个必要的基本原则并且用实证来消除学生容易产生的误解。只要可能，这些实例应该是直观的，如果不是，也需要能从数据上来得出结论。在明确了上文中拆分后的知识点(1)的内容后，研究者具体设计了下面一些内容并开始寻找实例来填充进去：
(1)细胞只有在某些特定蛋白质存在的情况下才能完成某些特定功能的例子。包括细胞结构修复，帮助其他分子进出细胞，复制遗传信息，调控分子间的作用。
(2)细胞在某些特定蛋白质功能不全时比这些蛋白质全效时工作效率低的例子。包括细胞结构修复，帮助其他分子进出细胞，复制遗传信息，调控分子间的作用。
(3)生物体（人或者实验模型）只有在某些蛋白质存在时才能执行一些特定功能的例子。这些功能包括运输氧气，肌肉收缩，对刺激做出反应，为头发、指甲以及其他身体组织提供物质基础。
(4)生物体（人或者实验模型）在某些特定蛋白质功能不全时比这些蛋白质全效时某些生理功能下降的例子。这些功能包括运输氧气，肌肉收缩，对刺激做出反应，为头发、指甲以及其他身体组织提供物质基础。
这个学习轨迹是为帮助学生理解遗传的分子基础而提出的，它需要研究者能够为各个年级的学生找到足够的他们能够理解的各种类型的例子。这一整套的例子要足够丰富，要使学生对各种各样的蛋白质所完成的人体的各种各样的功能有一个很广泛的了解。在有了丰富的实例支持并能够有效地监控学生的学习情况，这个学习轨迹就将能够帮助教师更好地提高该内容的教学效果。
二、遗传的分子基础概念图特点
1、知识模块设计的系统性
在这张概念发展图中，包含了理解“遗传的分子基础”这个主题相关的几乎所有内容，其学习轨迹的设计以学生从小学和初中就已经学习过的知识为先决条件和引导，循序渐进地发展出相关知识内容。两条主线即DNA的两个主要功能的学习过程清晰明了，其间各个知识点间的逻辑关系也都以指向箭头标明，这使得各个知识点之间建立了广泛的联系，把 DNA的两个主要功能的学习紧密地联系在一起，并且还用虚线箭头指明了与“遗传的分子基础”这一主题相关的其他主题的内容。这样的一张概念图系统整理了学生在整个初等教育阶段学习“遗传的分子基础”这一主题的所有主要内容，这对于教师的教学和学生的学习无疑都十分有益。
2、学习蛋白质知识的合理性
了解蛋白质对于执行细胞功能的意义，是理解DNA的遗传特性的基础，这一观点无疑是十分重要的。我国的教材[4]处理这一问题上是以介绍 DNA分子的结构为基础，来让学生理解DNA在决定生物体特性上的作用，然后再介绍基因表达的内容和遗传法则的内容，对于蛋白质的内容一般都在与细胞物质相关的章节中介绍，而关于蛋白质功能的详细内容，则是大学“生物化学”的学习内容，高中教材中介绍比较少。而在“遗传的分子基础”概念图中，这一内容处在整个知识网络的中心，是一定要让学生清楚了解的内容，而且经过实际调查，也正是学生们不容易理解的内容。而采用以实例为基础的方法来帮助学生理解 DNA对于决定遗传特性的作用，从知识传递上来说，比较合理，而且这种做法并没有提高学生学习的深度和难度。通过用事实说话，与实际生活相联系，对提高学生的学习兴趣也是很有帮助的。
3、知识编制的综合性
遗传的分子基础概念发展图，以图为核心的学习进程给科学教育提供了一个不错的范例，它既是系统的，包含了“遗传的分子基础”这一主题的所有内容，又是开放的，包括作为基础在内的关于原子、分子的化学知识，也包括与此相关的遗传变异等主题的内容，其知识体系涉及多个年级的层面，只要是与主题相关，都容纳进来并且都互相建立起相当明确的联系。对于高中生物学和科学教育教材的编写来说，这也是值得参考的。