靳冬雪 劉恩山

（北京師范大學生命科學學院 北京 100875）

美國在《下一代科學教育標準》（Next Generation Science Standards, NGSS）中強調的跨學科概念，是對理科知識共通性的高度歸納［1］，它打破了學科界限，將不同學科的知識相聯(lián)系，強化學生對核心概念和科學及工程實踐的理解，促進連貫科學世界觀的形成［2］。其中“尺度（scale）”概念從定量的角度描述、分析和解釋了結構與現(xiàn)象，是理解自然界運轉機理的出發(fā)點。尺度概念滲透在科學學習的各方面，但我國中小學理科學習階段并未對尺度進行明確、集中的學習。研究也表明，在較小尺度上，學生對現(xiàn)象和科學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，設計“尺度”教學單元，并以校本課程的形式在北京某高中1年級學生中開展了2 輪教學實踐。依據實地教學在概念的結構梳理及表述、課堂環(huán)節(jié)銜接、教學活動的參與度、學生對尺度概念的理解情況等方面的反饋，逐步完善“尺度”教學單元的設計，并總結出結合“以指向核心概念的問題為起點”及“5E 教學模式”的教學設計思路，旨在促進學生對尺度的理解和跨學科思維的形成。

1 尺度同時具有絕對和相對2 個方面的特征

尺度是人們看待世界的一種標準。在科學領域中，尺度指人為劃分的、研究某一物體、現(xiàn)象或過程時采用的空間、時間或能量單位，能幫助人們從定量的角度觀察和分析研究對象。

從絕對意義上講，自然界中的事物都有其存在或發(fā)生的尺度，可用數(shù)量級的方式進行表示，例如原子是在10-10m 的水平上。因此，可將科學研究劃分為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］。對于無法直接用肉眼觀察的尺度，可利用技術工具進行間接研究［2］。而從相對意義上講，尺度將作為內在變量影響被研究的事物。當尺度變化時，自然界的不同方面，包括事物的性質、事物間的關系、現(xiàn)象背后的機制等也在以不同速率發(fā)生變化［6］。將尺度作為變量，在一個尺度上得出的結論可能會比另一個尺度更為具體，但也有可能是無效的［7］。

科學現(xiàn)象往往比較復雜，人們常需在不同尺度間作轉換以理解其中的關聯(lián)［7］。同種尺度內的關聯(lián)可幫助人們理解事物的本質，或作出預測，例如化學反應的宏觀變化與其微觀機制的聯(lián)系。此外，事物在不同種尺度間也存在著關聯(lián)。當人們考察的空間尺度發(fā)生改變，其時間尺度也會隨之改變［5］。在小的空間或時間尺度上發(fā)生的改變，可能會造成大空間尺度上的長期影響［5］。

2 以問題驅動的方式設計尺度教學單元

為了實現(xiàn)指向概念理解的教學，幫助學生深入理解所學知識，教師可采用“以指向核心概念的問題為起點”［8］的教學設計思路組織教學內容。該教學思路以問題驅動的方式為主，將需要學習的核心概念拆分成若干下位概念，并按照邏輯組織起來，對所有概念都提出相應的問題，以此作為指導教學資源收集、內容安排的框架。筆者依據該思路，設計以尺度概念為主題的教學單元。

2.1 梳理概念結構 NGSS 在附錄中以學習進階的方式指出了不同學段學生應當理解的“尺度”概念，并以陳述句表述。這些可作為主題單元教學內容的主要來源。本次設計選擇9～12年級，可對應我國高中學習階段，內容如表1所示。

表1 NGSS 中對9～12年級學生應當理解的尺度概念的描述

這些需要學生理解的尺度概念，在NGSS 中是默認建立在之前學段已經掌握過部分尺度概念的基礎上，但我國高中生在之前的學段中并未明確學習過尺度，因此需要在本單元的概念結構中加入尺度的定義，使其連貫、完整。此外，表1的4條尺度概念中，涉及到了3 個尺度以外的跨學科概念——系統(tǒng)、模型及模式。為避免理解困難，需要對這部分語言進行轉換。

最后，依據這些概念的含義進行層級劃分，梳理成一個清晰的結構，輔助后續(xù)教學活動的選擇和組織（表2）。

表2 “尺度”主題教學單元的概念結構

上表中，尺度概念被劃分為2 個部分，前半部分側重絕對尺度，這樣可在理解尺度與研究現(xiàn)象之間具有對應關系的基礎上，學習后半部分側重相對尺度的內容，將尺度作為“變量”理解現(xiàn)象之間的關聯(lián)與變化。

2.2 提出關鍵問題 表2中的概念是尺度主題單元的重點，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換成待解決的關鍵問題的形式。這些問題的答案會直接指向表2中的概念，以此驅動教師的教學設計進程，再通過課堂教學引導學生思考（表3）。

表3 “尺度”主題教學單元待解決的關鍵問題

按照表2概念結構中“絕對尺度和相對尺度”的組織邏輯，可將此單元劃分為2 課時，第1 課時解決問題1（包括1.1 和1.2），第2 課時解決問題2（包括2.1 和2.2）。并且，下位概念是理解上位概念的基礎，所以想要解決上位概念對應的關鍵問題，需要先解決其下位概念對應的關鍵問題，這是安排課堂活動時遵循的基本順序。此外，“以指向核心概念的問題為起點”的思路雖然有助于設計教學活動，并有效指向概念學習，但對于一節(jié)完整的課來說，還需要緊湊的環(huán)節(jié)將教學活動銜接起來，使其節(jié)奏適當、重點突出。因此，在該設計思路的基礎上，參考美國生物科學課程研究（Biological Sciences Curriculum Study）提出的“5E 教學模式”［9］，按照“引入、探究、解釋、精致、評價”5 個環(huán)節(jié)規(guī)劃課堂。

2.3 設計教學活動 根據表3的關鍵問題及“5E教學模式”，尋找素材，設計活動，引導學生通過回答這些關鍵問題理解尺度概念。教師通過收集圖片、數(shù)據、動畫等形式的素材，輔助學生參與到資料分析、提問引導、觀察總結等活動中［8］。

2.3.1 第1 課時教學計劃 學生將在第1 課時中學習尺度的定義與分類，理解事物與絕對尺度的對應，以及人們面對極端尺度時采取的研究方法。

2.3.1.1 引入 引入環(huán)節(jié)的目的是吸引學生的注意力，促使他們思考與尺度相關的問題。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？讓學生互相討論，并自由表達觀點，教師無需糾正學生的錯誤答案。

2.3.1.2 探究與解釋

教學活動1：改編生態(tài)學案例，旨在回答問題1.1。如圖1所示，當利用不同基本單位調查同一區(qū)域的植被覆蓋情況時，呈現(xiàn)的結果有什么不同？從中可以總結出什么？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%。讓學生分組討論并歸納自己的觀點，教師結合學生的回答總結尺度的定義與分類。

圖1 利用不同基本單位調查相同區(qū)域的植被覆蓋情況［10］

教學活動2：觀看經典影片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，但它很好地結合了具體的視覺形象和抽象的數(shù)學符號，已有研究證明它能顯著提升進學生對空間上的絕對尺度和相對尺度的理解［3］。觀影結束后，讓學生思考和討論，當人們遇到極小／極大／極快／極慢尺度上的現(xiàn)象時，該如何研究？ 教師結合學生的回答，展示掃描電鏡、哈勃天文望遠鏡、高速攝像技術、延時攝影技術的動畫，并總結對于極端尺度上的現(xiàn)象需要進行間接研究。

2.3.1.3 精致 精致環(huán)節(jié)的目的是讓學生練習應用絕對尺度。結合教學影片Powers of Ten的內容，舉一反三，讓學生用數(shù)值表達不同事物的空間、時間或能量尺度，例如洋蔥表皮細胞（10-5m），人類進化（104年），燈泡（101J）等，引導學生思考現(xiàn)象與尺度間的對應關系。教師結合學生的回答，總結一個現(xiàn)象是否有意義取決于它發(fā)生的尺度。

2.3.1.4 評價 課堂的最后需要評價學生對尺度概念的掌握情況。可結合學過的生物學知識，例如，讓學生討論并回答“不同的囊泡能將物質準確運輸?shù)侥康牡夭ⅰ敦洝?，請從分子水平上提出目的地準確接受囊泡的可能機制”。若學生能回答出信號分子與受體結合／糖蛋白識別等答案，則可認為其較好地理解了本課時的內容。同時鼓勵學生對本課時內容的理解進行自我評價。

2.3.2 第2 課時教學計劃 在第1 課時學習過絕對尺度的基礎上，學生將繼續(xù)學習相對尺度，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，教師要引導學生關注“尺度的變化”?？刹扇W生熟悉的情境作為活動背景，例如，在不同時間尺度下，校園小花園中植物數(shù)量的變化可能是怎樣的？ 讓學生在圖2所示的坐標系（植物數(shù)量為假設）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

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

教學活動2：以活動1 為基礎，通過分析自然科學中的規(guī)律等回答問題2.2。讓學生思考，若現(xiàn)象會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生分析，例如萬有引力定律、質量守恒定律等在不同尺度上是否可直接遷移應用？ 以質量守恒定律為例，它可從宏觀尺度遷移至原子尺度（化學反應前后原子數(shù)不變），但在原子核尺度上，核反應已不再是化學反應，反應前后原子數(shù)不再守恒。學生還可結合學習過的其他規(guī)律進行分析和討論，并歸納自己的觀點。教師結合學生的分析和回答，總結在一個尺度上發(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，學生將練習應用相對尺度。教師需準備若干組毒素致病機理的描述及相應的中毒案例，如圖3所示。讓學生將打亂順序的毒素與案例正確匹配起來，即關聯(lián)微觀機理與宏觀表征。教師提問學生判斷毒素與案例匹配的依據，并強調其中的關聯(lián)，最后總結一些現(xiàn)象在不同尺度上是相關聯(lián)的。

圖3 毒素致病機理描述及病征案例描述卡片示例

2.3.2.4 評價 播放紀錄片The Nano Revolution（納米革命）中的片段——在分子水平上鑒定病變細胞釋放的信號分子，能較早預測疾病的發(fā)生。之后，讓學生描述疾病診斷在不同尺度上的關聯(lián)，從而評價學生對相對尺度的理解。若學生能比較清晰地闡釋信號分子鑒定與病征預測之間的關聯(lián)，則可認為其對本課時內容有較好的理解。同時鼓勵學生對本課時內容的理解進行自我評價。

在這2 課時的教學計劃中，每回答一個下位概念對應的關鍵問題，都會進行一次探究和解釋，因此無需將這2 個環(huán)節(jié)嚴格劃分開，可組合成為一個大的環(huán)節(jié)。在這個大環(huán)節(jié)中，教師須參與每一次的學生討論，了解他們在討論時的思維過程及理解上的難點，作為形成性評價，以便在總結時更好地引導學生。

3 結語

《K-12 科學教育框架》（A Framework For K-12 Science Education）中強調科學教育應當向真實的科研環(huán)境靠近［5］，這必然涉及尺度概念的學習，引導學生從定量的角度理解世界運轉的機理。尺度概念與“建立并使用模型”的實踐相關，模型是理解尺度的最佳方式［2］，例如本教學單元中學生對各天體運動軌跡的繪制。教師在進行尺度概念教學時，可根據學生的知識和能力基礎，與其他跨學科概念和實踐相結合。此外，研究還發(fā)現(xiàn)使用與學生相關的活動和主題，并融合數(shù)學（例如指數(shù)、比例推理）的方式進行教學，可很好地幫助學生掌握尺度概念，從而使他們理解不同尺度上觀察到的科學現(xiàn)象［11］。

機理：左旋結構的薩利多胺能夠與DNA 發(fā)生化學反應從而改變DNA 的結構，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，該區(qū)域結構的變化導致轉錄酶無法與其正常結合。

案例：有毒物質1

1960年，F(xiàn)DA 的Frances Kclscy 博士駁回了某藥物在美國上市的申請，理由是其缺乏充分的安全性報告。自1956年以來，該藥已經在20 多個國家上市，用于緩解孕婦的孕吐反應。然而，很快在全世界范圍內出現(xiàn)了與該藥物相關的負面報道，使用該藥物之后，出生的嬰兒無肢體和耳朵或肢體畸形。該藥物帶來的負面影響推動了1962年FDA 的藥物審核改革，同時，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獎。

其實，學生在課上與課外的經歷中已經有過與尺度相關的學習經驗，但不夠清晰和明確［12］。所以，教師要在學生已經對“尺度”有初步認知的基礎上，對其進行明確地歸納、界定和強調。目前我國普遍實行的仍是分科教學，在無法實現(xiàn)尺度的單元化、集中教學的情況下，教師可拆分此單元內容，選擇合適的部分融合進日常的學科課堂。教師也可進一步開發(fā)支持尺度學習的課程和活動，促進學生逐步掌握這項思維工具，培養(yǎng)跨學科思維。