例谈基于APOS理论的生物学概念教学策略

张祥

摘    要：生物学概念是学生掌握生物学知识、形成生物学思想与方法以及发展生物学核心素养的重要载体。APOS理论四阶段教学法是在建构主义思想指导下的一种概念教学模式。为拓展教师对生物学概念教学的认知与方法，以DNA的结构概念教学为例，具体阐述如何运用APOS理论四阶段方法（活动阶段、过程阶段、对象阶段、图式阶段），帮助教师从体验感悟、抽象概括、实时辨析、变式建构等方面引导学生在已有知识概念的基础上完成与新概念的交联与互化，从而达到感知、理解、内化新概念的目的。

关键词：APOS理论;概念建构;生物教学

概念是反映事物本质属性的一种思维方式，是对事物进行逐步抽象，去除非本质属性，提炼本质属性的过程。生物学概念是生物学知识的基础，是形成生物学思想与方法的载体，也是发展科学思维、培养生命观念等学科核心素养的重要途径。很多教师认为，概念就是一种规定，没什么好讲的，觉得多讲概念还不如省出更多时间来进行解题训练。这样一种“一个概念，几点强调”的概念教学在常态课中屡见不鲜。造成这种现象的原因主要是教师自身的本体性知识不足，尤其是对生物学核心概念形成的来龙去脉不甚了解，对概念的理解和认识不够深刻;同时教师缺乏一定的概念教学技能，对概念学习的认知过程和思维路径不很清楚，不知如何从学生的认知规律出发开展概念教学。近年来，相关学者进行研究，将APOS理论应用到概念教学中可以弥补我们目前概念教学方式的不足。

一、APOS理论简介

APOS理论是美国数学教育家杜宾斯基基于建构主义理论提出的学说，他认为：学生在概念学习过程中，只有结合自身的已有知识经验进行主动的有意义建构，才能理解所学概念，并将其纳入已有的认知图式。[1]学生学习概念就是要建构心智结构，这一建构过程一般要经历四个阶段：操作或活动（action）阶段、过程（process）阶段、对象（object）阶段、图式（scheme）阶段，简称APOS理论。

操作（活动）阶段：让学生大量参与到事先设计好的相关活动中，直接或间接地体验与相关生物学概念相关联的情境。在大量的活动、操作、参与中，学生对观察到的客观现象产生模糊的心理认知。此阶段也称为概念的初步建构阶段。

过程阶段：让学生对“操作活动”进行思考，通过观察、分析、比较和整合，经历思维的内化和压缩过程，归纳提炼出活动中概念所特有的性质，从而初步形成概念的一般定义的“过程”。此阶段也称为概念的提炼与形成阶段。

对象阶段：是对“活动”与“过程”的升华。通过对原有认知结构的调整，使学生意识到可以将“过程”看成一个整体，并可以对这一整体在生物学情境中变形、转换时，学生就会对概念认知过程进行简约与提取，赋予其形式化的含义，此时“过程”便凝聚成了“对象”。此阶段也称为概念的符号性表征阶段。

图式阶段：通过对先前的操作过程和对象与学生头脑中已有的图式进行相应的整合，建构更为复杂的概念体系，形成全新的图式以应对与这一概念相联系的各种新的问题情境。此阶段也称为概念的网络体系建构阶段。

二、基于APOS理论的生物概念教学实例

下面以人教版高中生物必修二第三章第二节“DNA分子的结构”一节概念教学为例，来说明APOS理论在概念教学中的应用。“DNA分子的结构”一节内容的学习，既是对减数分裂及孟德尔遗传定律内容的深化，也是学习整个遗传与变异内容的基础。通过前一节内容的学习，我们知道了DNA是遗传物质，那么DNA分子是如何储存遗传信息的？是如何保持遗传信息的稳定传递与表达的？根据结构决定功能的原理，首先要弄清DNA分子的结构。

DNA分子结构的研究与发现蕴含着生物学研究的重要方法——模型建构，所以运用APOS理论设计教学过程既可以引导学生在概念形成过程中习得生物学方法，深化对概念的理解，也可以让学生认识到概念所体现的生物学思想。

（一） 操作（活动）阶段

教师设计一系列使内隐的概念外显的活动，使学习者体验概念形成的过程。生物学重要概念的形成应该建立在学生亲身体验、动手操作、深度思考的基础上。

探究Ⅰ 目的：让学生了解科学家发现DNA分子双螺旋结构模型的科学史。

（1）阅读教材P47～48科学家建构DNA分子双螺旋结构模型的故事。

（2）补充其他科学家如和查哥夫、鲍林、弗雷泽、薛定谔等对DNA分子结构发现过程的重要作用。

教师引导学生了解不同科学家的贡献，培养学生树立科学探究精神及团队合作意识，总结出沃森和克里克为何最终能够构建出DNA分子结构模型的原因。

活动Ⅰ  目的：通过模型建构让学生深刻理解DNA分子结构的模型。

（3）课堂播放教师课前准备的以DNA结构发现历程为主线的微视频。

（4）教师要求学生在白纸上根据自己的认识和理解画出DNA分子结构的平面图，并在小组内展示交流。

（5）教师提示学生拿出课前分发的相关教具，以学习小组为单位，合作构建DNA分子结构模型。

教师引导学生先制作DNA分子的基本组成单位——脱氧核苷酸，然后启发学生一条脱氧核苷酸链中脱氧核苷酸是如何连接的？通过什么化学键连接？两条链之间又是如何相互连接？小组完成后，教师指导学生双手上下分别拿好模型，向右旋转一定角度，形成螺旋，构成空间结构。教师指导学生观察双螺旋结构的外侧与内侧的组成，形成对概念的直观感知。

（二） 过程阶段

過程阶段的实质是学生对“操作或活动”阶段的思考。通过观察、分析和比较，归纳抽象出概念所具有的特有性质。

探究Ⅱ   目的：观察、讨论不同DNA分子的结构共性及特点。

（1）各小组的同学通过阅读科学史材料及自己小组制作的DNA分子结构模型，讨论、概括出DNA分子结构的空间结构及碱基排列、配对的特点。

（2）学生分析，当DNA分子中碱基成百上千时DNA分子中的碱基排列顺序是千变万化的，而每个DNA分子都有独特的碱基排列顺序，这些反映了DNA分子的什么特性？

（3）在小组交流基础上，每组派代表全班交流DNA分子为什么能够成为遗传物质？遗传物质必须具备哪些条件？

通过讨论，学生明白了不是什么物质都可以成为遗传物质的，DNA分子的特性决定了它能够成为遗传物质。这种思考、交流、展示有助于学生对DNA分子结构及特点的进一步内化。

（三）对象阶段

学生通过前两个阶段的活动与内化，对DNA分子的结构及特点有了一定的认识，赋予其形式化的定义，使其能达到精确化，成为一个具体的对象，在后续学习中能以此对象进行新的活动。

活动Ⅱ  目的：深度理解DNA分子的结构特点。

（1）在DNA分子中，一条链上的（A+G）/（T+C）=m，则其互补链上（A+G）/（T+C）=？整个DNA分子中呢？

（2）一个DNA分子中，G+C占全部碱基的46%，另一条链上A+T占另一条链碱基的比是多少？

通过前面的学习，在DNA分子中，学生虽然都知道碱基A的数量等于碱基T的数量，碱基G的数量等于碱基C的数量，但对于碱基数量之间的灵活计算，以及与DNA遗传信息的传递、表达等知识整合到一起时，仍容易混淆出错，根本原因是学生对DNA分子空间结构特点的理解不深刻。通过小组合作学习、交流讨论，有助于学生理清碱基之间复杂的计算规则。

（四）图式阶段

图式是认知心理学的一个概念，作为对象的概念，不仅要反映概念的定义及符号，还要建立与其他概念、规则、图形以及学生头脑中已有认知的联系，形成综合的心理图式，构建概念体系。

活动Ⅲ   目的：让学生明白DNA分子的双螺旋结构有助于保证遗传信息的稳定。

（1）给予某一具体DNA与RNA所含有的碱基数的资料让学生分析，知道DNA一般是双链结构，RNA一般是单链结构。

（2）通过对多种生物遗传物质种类的分析，让学生知道绝大多数生物的遗传物质是DNA。

（3）通过对HIV的资料分析，让学生解释为什么HIV病毒易变异？为什么RNA的结构不稳定？

探究Ⅲ   目的：通过对资料分析让学生理解DNA分子中碱基的改变意味着遗传信息的改变。

（4）通过对镰刀型细胞贫血症发病机理的资料分析，让学生通过探究交流了解性状的改变是因为DNA中遗传信息改变引起的，不同DNA中碱基的排列顺序就代表了遗传信息。

概念教学的最后阶段就是抽象提取概念的本质，将DNA分子的结构与RNA分子的结构通过资料分析比较，让学生掌握它们的异同，同时为遗传信息的表达以及变异部分的进一步学习做好铺垫，这样才能真正在学生头脑中形成新的概念图式。

三、APOS理论对生物核心概念建构的教学启示

（一）注重创设情境让学生参与教学

创设相应情境让学生参与活动是学生认知概念、建构概念的起点。在学习DNA结构的概念之初，教师展示了北京中关村高科技园区的DNA雕塑、雅典奥运会上“DNA的灯光秀”等场景，激发学生达成共识：DNA分子是现代高科技的标志与象征。通过相关科学史的学习，让学生明白DNA结构的发现过程是很多科学家不懈努力、团队合作的结果，这一切都激发了学生迫切了解DNA空间结构到底是怎样的好奇心。在此基础上结合模型制作、交流讨论等活动让学生深度参与概念的建构，而不是局限于死记硬背。

（二）善用比较策略让学生内化概念本质

黑格尔曾说过：“比较法是指能看出异中之同或同中之异的认识方法”。通过不同资料提供的信息让学生在比较分析中得出科学的推论，有助于培养学生求同、求异思维，有助于学生加深对生物学概念本质的理解和把握。如提供不同类生物的遗传物质及不同DNA、RNA等碱基信息让学生在比较中推理;通过不同小组对DNA结构模型的建构比较等让学生对DNA的空间结构就逐步有了清晰而全面的认识和理解。所以在运用APOS理论学习生物概念时善用比较策略有助于学生在新旧知识、不同知识之间架构联系，从而让学生在头脑中形成新的概念图式。

（三） 加强教师对概念本质及内涵的深刻理解是前提

杜賓斯基“概念教学四阶段”不是截然分开的，每个阶段的活动均有所侧重：活动阶段侧重多元表征、体验感悟;过程阶段侧重问题驱动、抽象概括;对象阶段侧重总结提炼、实时辨析;图式阶段侧重变式建构、多元联系。能深刻准确地进行生物学概念教学的前提是教师必须对概念的本质内涵有深刻理解，没有深厚的学科功底，教学技能无法真正发挥作用。教师在教学中要善于从多层次多角度将相关的知识内容通过课程资源的形式提供给学生，让学生通过自主分析、小组讨论、大组交流等形式构建这些知识之间的关联，教师只是在恰当的时候加以点拨，让学生在已有知识概念的基础上完成与新概念的交联与互化。如DNA不仅可以与RNA进行相关的比较分析，还可以与蛋白质进行比较分析，DNA不仅在遗传中起决定性作用，同时也是变异的根源。最终在学完遗传与变异后，可以以DNA为核心，建构一张完整的、复杂的概念图式，从个人、小组到全班参与完成，学生对遗传与变异的认识一定会更深刻而全面。

总之，将APOS理论应用于生物学概念教学，有助于培养学生的科学思维、科学探究等核心素养，也有助于教师在新课程理念下开展深度学习、提高学生自主学习的意识与能力。

参考文献：

[1]陶忠华.例谈APOS理论视角下的生物学核心概念的建构[J].生物学教学，2017（8）：31.