基于APOS理论建构生物学概念的教学设计

［摘 要］文章以“DNA的结构”教学为例，阐述了如何设计基于APOS理论的概念教学过程。在此过程中，学生通过活动或操作阶段、过程阶段、对象阶段和图式阶段，实现对概念的理解与同化，最终将其纳入已有的概念图式中。

［关键词］APOS理论；DNA的结构；概念建构

［中图分类号］    G633.91                ［文献标识码］    A                ［文章编号］    1674-6058（2025）02-0086-04

概念建构是一种建立和形成概念的过程，是将各种生命现象的本质抽取出来形成认识的过程，或是将各种生命活动规律进行归纳概括的过程[1]。

杜宾斯基及其团队提出的APOS理论强调，应尽量减少学生通过记忆孤立的事实来进行概念学习。根据APOS理论，学生需要经历以下阶段才能真正习得概念：活动或操作阶段（Action），进行概念的初步建构；过程阶段（Process），进行概念的提炼；对象阶段（Object），进行概念的拓展或符号性表征；图式阶段（Schema），进行概念网络体系的建构[2]。

本节课尝试根据APOS理论，引导学生自主建构“DNA的结构”这一生物学次位概念，并自主整理和完善“遗传信息控制生物性状，并代代相传”这一生物学大概念体系。

一、教材分析与教学设计思路

“DNA的结构”是人教版高中生物教材必修2第３章第２节的内容，对应重要的次位概念：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。“DNA的结构”相关概念体系如图1所示。

学生在高中生物必修1课程中已经学习了核酸的相关知识，对DNA的结构有一定的了解。从知识的角度来看，本节课似乎略有重复，因此难以激发学生的学习兴趣。但从概念习得与建构的角度来看，本节课具有独特的价值。学生可通过阅读丰富且充满曲折的科学史，激发学习热情并培养批判性思维；通过阅读文献和模拟实验进行科学论证，进一步探究DNA的结构；通过模型建构直观展示DNA的双螺旋结构，并在小组讨论中总结DNA双螺旋结构的内在关系；通过模型重构，分析DNA的特点；通过科学猜想，分析DNA复制的方式以及生物变异的可能类型。本节课利用多维度的活动，使学生在亲身参与的情境中主动建构生物学次位概念，进而将此概念融入相关概念体系中，促进学生生物学学科核心素养的提升。本节课涉及较多物理和化学知识。在文献阅读和模型建构中，学生同时进行多学科内容的整合，有助于提升自身的综合素养。

二、教学目标

依据课程标准并围绕培养学生学科核心素养的要求，本节课制订以下教学目标。

①通过阅读科学史并利用物理模型模拟DNA衍射实验，观察碱基结构，分析碱基配对方式，结合多学科知识推导出DNA的结构；认同合作探究和多学科知识交叉的重要性，培养结构与功能相适应的生命观念、科学探究精神和批判性思维。

②通过动手建构DNA双螺旋结构模型，培养分析与解决问题的能力和建模思维。

③通过观察与比较DNA结构模型，认识DNA作为遗传物质所具备的三个特征。

④通过科学分析，推测DNA作为遗传物质的复制方式，建构和完善概念体系。

三、教学过程

（一）活动或操作阶段

概念具有高度的抽象性，学习者若要归纳概括生命现象的本质并形成概念，就必须亲历概念的形成过程，而活动或操作正是建构概念的起点。为了引导学生正确理解和掌握概念，可以回溯科研历程，让学生亲身体验科学家探究与解决问题的过程，从而获得正确的认识，形成深刻的理解。

活动一：观赏诺贝尔奖颁奖典礼，激发科学精神

教师展示1962年的诺贝尔奖颁奖典礼照片，并介绍威尔金斯、克里克和沃森因发现DNA的双螺旋结构获得诺贝尔奖。特别指出，沃森发现DNA双螺旋结构时年仅25岁，仅比高中生年长几岁，以此激发学生的学习兴趣，让他们意识到破解DNA双螺旋结构似乎也没有那么困难，作为高中生，他们同样有能力探索DNA的结构。同时，引导学生回顾高中生物教材，并强调从1866年孟德尔遗传定律的发表到1953年DNA双螺旋结构的发现，在这近百年的探索历程中，许多科学家为此作出了巨大的贡献。请学生阅读教材和教师提供的科学文献，回顾DNA双螺旋结构的发现史。

设计意图：通过照片展示，激发学生的学习兴趣和好奇心，引导学生回归教材知识，自主阅读、学习科学史，感受科学家的探索精神，理解在科研中合作的重要性以及多学科交叉在重大科学发现中的关键作用。

活动二：多学科融合，破解生物难题

教师首先展示DNA分子的X射线衍射照片，并请学生介绍衍射原理。根据物理学分析，学生一致认可DNA呈螺旋结构。随后，教师引导学生利用身边的工具（如激光笔、圆珠笔、弹簧等）进行简单的模拟实验。学生通过实践，果然得到与富兰克林拍摄的DNA衍射图谱相似的衍射图片（如图2）。这一直观的实验结果更加确定了DNA呈螺旋结构。

接下来，教师展示嘌呤和嘧啶的分子结构图，并介绍了化学家查戈夫的重要发现：腺嘌呤与胸腺嘧啶的含量相等，鸟嘌呤与胞嘧啶的含量也相等，引导学生推出碱基互补配对原则，即嘌呤与嘧啶之间通过氢键配对，具体为A与T配对，G与C配对。回顾历史，沃森和克里克在研究中尝试用纸片及铁丝制作双螺旋模型，并通过不断试错和修正，仅用60天时间就发现了DNA结构的秘密。

设计意图：通过利用常见工具模拟衍射实验，让学生体验实验的乐趣，直观感受实验结果，进而确定DNA的空间结构；通过分子结构分析，引导学生尝试寻找能进行互补配对的碱基，初步建构碱基互补配对原则。通过此环节的活动，学生亲自参与实验论证过程，将理论与实践相结合，锻炼动手能力，发展科学思维，同时体会多学科交叉对生物学发展的重要意义。

活动三：重走科学探索之路，建构DNA结构模型

教师通过一系列问题引导学生复习并回顾教材内容：（1）DNA的基本单位是什么？（2）四种脱氧核苷酸是如何连接成多聚体的？（3）两条脱氧核苷酸单链是如何通过碱基互补配对形成一个平面并形成双螺旋结构的？

学生按照“点—线—面—体”的逻辑层次，建构出DNA双螺旋结构模型（如图3），将微观结构具体化。

设计意图：通过复习核酸知识，结合本节课科学史的推导，引导学生动手搭建DNA双螺旋结构模型，形成直观认识。

活动四：展示DNA结构模型，探讨DNA双螺旋结构

各个小组带着自制的DNA结构模型上讲台进行展示，并讲解模型中每个部件所代表的分子、化学键、两条链的方向以及空间结构等内容。

设计意图：引导学生通过语言描述将物理模型转化为科学语言，从而加深对DNA双螺旋结构的理解；通过比较不同小组模型的差异和共同点，引发学生深入思考，为后续的学习埋下伏笔。

（二）过程阶段

在过程阶段，学生亲历活动阶段的DNA双螺旋结构的破解和建构后，将对概念进行提炼。此阶段，学生在教师的引导下，通过分析、小组讨论和组织表达等流程对活动阶段的内容进行归纳概括。

学生主要从两个方面进行归纳概括：一方面，DNA作为生物大分子，它的结构层次由“点”到“线”及“面”至“体”。其中，“点”指单体脱氧核苷酸，“线”指一条脱氧核苷酸链，“面”指两条脱氧核苷酸链通过碱基互补配对原则形成的整体，“体”指双螺旋形成的空间结构。另一方面，DNA的双螺旋结构可以分为关系、方向、外侧、内侧四个维度。其中，“关系”指两条脱氧核苷酸链通过碱基互补配对原则进行结合，“方向”指两条脱氧核苷酸链反向平行，“外侧”指由脱氧核糖和磷酸交替排列形成的骨架，而碱基对排列在DNA的“内侧”（如图4）。通过归纳概括，学生逐渐形成了“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”这一次位概念。

设计意图：通过对活动阶段相关内容的概括总结，引导学生按照一定的逻辑顺序，运用科学的语言提炼概念，并通过小组讨论形成概念的基本雏形。

（三）对象阶段

对象阶段是概念拓展或符号性表征的关键环节。过程阶段获得的概念往往只是停留在概念的表层，而真正的概念形成过程是一个整体框架建构的过程。在对象阶段，学生通过思维活动对先前感知到的内容进行加工和处理，从而获得对概念的进一步认知。

教师请各组组长带着本小组模型到讲台上，并让他们闭上眼睛。随后，教师将模型混合起来，并让组长们睁开眼睛，快速找到自己组的模型。接着，教师进行提问：（1）为什么你会认为这是你们组的模型，它体现了DNA的什么性质？（2）讲台上的模型各不相同，它们哪里不同？（3）当老师看到家长们的模样时，很容易将他们与你们进行一一对应，这不仅体现了DNA的特异性，还体现了遗传过程中DNA的哪种性质？这种性质与DNA的结构有何关系？（4）纸质版平面模型（教师展示）非常容易弯折，当扭成双螺旋后则变得挺立起来，这说明了什么？这些问题充分引发了学生对于DNA特征的思考，进而总结出DNA具有特异性、多样性和稳定性。教师进一步追问：从生物进化的角度来看，DNA既要保持稳定又会发生变异，那么DNA的改变最可能发生在细胞分裂的哪个时期？DNA又是如何发生改变的？作为遗传物质，DNA在细胞分裂的过程中需要复制，请提出DNA复制方式的假说。

设计意图：通过对不同组别模型的比较，让学生自主总结DNA的特征，从而对DNA的结构形成全面的认知，使学生深刻体会到DNA作为遗传物质其结构的独特之处；让学生猜想DNA复制的方式以及DNA如何发生变异，为后续的学习打下基础，同时为大概念的建构埋下伏笔。

（四）图式阶段

在图式阶段，学生需进行概念网络体系的建构，由此才能真正习得概念。此阶段，学生将先前在过程阶段中所建构的概念与头脑中已有的图式进行相应的整合，从而建构更为复杂的概念体系，以此展示一个阶段的学习成果[3]。

教师引导学生小组讨论，将本节课新建构的概念与之前建构的概念相结合，并形成概念网络，以丰富重要概念和大概念体系（如图5）。在建构概念体系的过程中，学生将了解到生物学的学习是前后呼应的。每一个次位概念既是对上一个次位概念的承接，也是学习下一个次位概念的基础。因此，学生在学习过程中需要跳出单一概念的局限，站在更高的角度来学习生物学，抓住生物学的主脉络。这样的学习方式有助于学生更全面地理解生物学知识。

设计意图：此阶段是既基于之前的学习对大概念体系进行建构，也是对阶段性学习的整合和回顾。每一个次位概念的建构都能锻炼学生的科学思维，而整个概念体系的建构则能让学生从宏观的角度认知生物学。这一过程不仅能考查学生学习的深度和广度，还能提升学生的生物学学科核心素养，并为后续的概念教学奠定坚实的基础。

四、教学反思

本节课基于APOS理论，以活动为起点，以概念体系的建构为终点，不仅形成了本节课的次位概念，还丰富了大概念体系。此外，由于教师设置了关于DNA复制方式、DNA变异的问题，所以本节课既是整个大概念学习的“中点”，也是下一个次位概念学习的“起点”。教师尝试通过以终为始、网络布局的教学方式，使学生对生物学有一个整体宏观的认识，最终习得概念、应用概念，而非仅仅停留在记背概念的层面。

本节课还涉及多学科知识的综合应用。例如，在探讨X射线衍射技术时，教师引入了物理学的方法，启发学生利用弹簧、激光笔模拟衍射过程。通过观察模拟实验结果并结合物理学分析，学生得以理解DNA为何呈现双螺旋结构。此外，为了让学生理解碱基之间的关系，教师还展示了碱基的分子结构式，并引导学生运用化学知识来解释氢键的形成，从而总结出A与T配对、C与G配对的规律。教师在教学中渗透STEM教育理念，使学生认识到多学科交叉对于科学研究的重要意义。

然而，本节课概念体系的建构难度较大，学生单纯通过活动很难科学地提炼出概念，并将其与之前学习的概念相结合。为此，教师需要设计一系列问题串来激发学生思考，鼓励学生进行充分的讨论。同时，教师应对学生建构的概念体系给予积极的反馈，并及时进行指导和补充。鉴于课堂时间有限，概念体系的建构也可以作为课后作业，以便学生有充足的时间进行深入的思考。

［   参   考   文   献   ］

［1］  吴成军.试论在建构概念中发展生物学学科核心素养[J].生物学教学，2021，46（9）：26-28.

［2］  彭小妹.例谈基于APOS理论的生物学核心概念教学策略：以“染色体结构变异”为例[J].生物学教学，2022，47（8）：28-30.

［3］  赵占良.生物学概念的特点及其教学启示[J].中学生物教学，2021（22）：4-9.

（责任编辑    罗    艳）