试论在建构概念中发展生物学学科核心素养

  摘 要:建构概念是教学的中心环节,在建构概念中发展学生的科学思维和科学探究,是生物学课堂教学发展生物学学科核心素养的重要方法、途径和措施。社会责任的建立和形成也需要概念作为支撑和解释,需要科学思维进行分析、判断和作出决策。

  关键词:建构概念;科学思维;科学探究;社会责任

  生物学概念是人们对于生命的活动规律及其本质的认知。生物学概念(包括原理、定律和规律)组成了生物学的知识结构体系,是生物学大厦的基石。习得生物学概念是学习生物学的主要目的之一,在习得生物学概念的过程中发展学生的科学思维、科学探究和社会责任,是发展学生生物学学科核心素养的必然要求。

  1.建构概念是生物学教学的中心环节

  教学是指教师从知识、能力、情感态度价值观上对学生进行培养的过程,也是发展学生生物学学科核心素养的过程。生物学学科核心素养的四个要素生命观念、科学思维、科学探究和社会责任并不是独立并行、彼此孤立的,而是有着紧密的逻辑联系。总体来说,生命观念是生物学学科所独有的,处于生物学学科核心素养的中心位置。生命观念的内涵由一系列的概念所组成,形成生命观念的前提是先形成概念,由概念再经抽象概括而形成生命观念,而科学思维、科学探究是形成概念的途径和方法,社会责任意识的建立也需要概念支撑,因此,建构概念是学习生物学的中心环节。 

  1.1建构概念是从事实或证据到概念的过程

  从学习的方式来看,习得概念主要是指建构概念。建构概念是指概念的习得是一种建立和形成的过程,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。因此,建构概念强调的是建立和形成概念。

  建构概念不是无中生有地虚构概念,不是分析讲解概念,而是从事实或者证据中建立概念。因此,在建构概念的过程中,需要提供丰富的事实或证据,引导学生分析这些事实或证据,或归纳,或概括,或抽象而形成概念。例如,要建立细胞膜的流动镶嵌模型的概念,就得提供细胞膜的成分组成的一系列实验证据或事实,以及这些成分的排列方式的实验证据,从这些事实和证据中发现规律;要形成DNA是主要的遗传物质的概念,就得提供一系列的DNA是遗传物质的事实和证据。生物学的原理、规律也是基于生物学事实和实验证据的基础而形成的,如基因的分离定律和自由组合定律、伴性遗传等。事实和证据是概念中的例证,对概念的成立有着极为重要的支撑作用。

  在形成概念的过程中,没有离开事实或证据而独立存在的概念。即使是讲授概念,也必须呈现一些事实或证据来验证概念的正确性。例如,细胞分化的概念,教师可以先讲细胞分化的定义(概念通常以定义的形式呈现),细胞分化是指在个体发育中,由一个或一种细胞增殖产生的后代,形态、结构和生理功能上发生稳定性差异的过程。教师分析这个定义,指出细胞分化的四个要素:①发生在个体发育的过程中;②一个或一种细胞增殖产生的后代;③形态结构和生理功能上发生的变化;④这种变化是稳定性变化的。然后教师再列举植物细胞或动物细胞分化的事例进行说明。在这一教学过程中,事实或证据是为了验证或说明概念是正确的。这是一种“概念在前,事实或证据在后”的习得模式。而在建构概念中,则是“事实或证据在前,概念的形成在后”,呈现的事实或证据是为形成概念服务的。这种建构概念的模式,能够让学生深入地理解概念,并从中提升思维能力。

  1.2 建构概念的基本模式

  相比讲授形成的概念,由建构而形成的概念是有思维逻辑支撑的,即在建构概念的过程中提升了学生的思维能力。由于建立的概念有例证和逻辑的支撑,在运用习得的概念解决生活、生产中的问题时,就会获得迁移的能力。

  生物学教材中相对占用较大的篇幅的栏目是“思考·讨论”,该栏目主要是为建构概念而服务的。栏目的基本组成形式是:提供相应的事实或证据,针对这些事实或证据提出相应的问题。由学生阅读事实或证据,回答这些问题,再归纳或概括上述问题的答案,形成概念。以“细胞核控制着细胞的代谢和遗传”这一概念为例,下面的表格内容体现了这一过程(表1)。

表1  “细胞核控制着细胞的代谢和遗传”这一概念的形成事实或证据

                  

问题

次级概念

上位概念

黑白两种美西螈胚胎细胞核移植移实验

美西螈的皮肤细胞内黑色素的合成由细胞核还是细胞质控制的?

细胞核可以控制皮肤色素这一性状

 

 

 

 

细胞核控制着细胞的代谢和遗传

 

蝾螈受精卵横缢实验

细胞核与细胞的分裂、分化有什么关系?

细胞核控制细胞的分裂、分化

变形虫切割实验

你可以得出什么结论?

 

细胞核可以控制细胞的代谢、分裂和生长

伞藻嫁接和核移植实验

伞藻的形态结构特点取决于细胞核还是细胞质?

细胞核可以控制细胞的形态、结构

  教材中的实验和探究也是为建构概念而服务的。实验就是实证,呈现的实验结论就是事实和证据,实验的结论就是概念,依据实验结果得出实验结论的过程,就是从事实或证据中获得概念的过程。

  一般来说,依据一项事实或证据而获得的概念是一般概念,如在研究光合作用过程中,鲁宾和卡门用同位素示踪的方法研究氧气的来源实验而得出的结论,就是一般概念:光合作用过程中释放的氧气来自水中的氧。由一系列的实验所得出的众多一般概念经归纳或概括就形成了光合作用中光反应过程的重要概念。图1显示了概念形成的基本模式。

图1  事实或证据—概念—生命观念的形成模式1

  基于建构概念是从事实或证据到概念的过程,这就要求教学时要创设真实的情境,而情境的实质就是提供建构概念的事实或证据,如科学研究的过程和结果、实验的过程和结果、生活或生产的现象与结果等。根据呈现的事实或证据而提出相应的问题,引导学生经过讨论和思考,从而得出结论,结论就认为是一种概念。

  1.3 从概念中形成生命观念

  在概念的基础上进一步形成生命观念是教学的必然要求。生命观念的架构是由一系列概念所支撑的,而概念又来源于事实或证据,因此,建构概念不是学习的终点,而是学习的过程,在概念的基础上还需要进一步形成生命观念(图1),生命观念也可以看成是一种大概念。例如,要形成生物的进化观,先得形成一系列的概念“生物是由原始的共同祖先经过漫长的地质年代逐渐进化而来的”“适应是自然选择的结果”“生物进化的实质是种群的基因频率发生定向改变”“生物多样性是协同进化的结果”。这些概念再进一步概括,就能形成生物进化的观念。也就是说,生物进化观是有具体内涵的,而不仅仅是这个名词。建立生物进化观,也不是仅仅知道这个名词,知道“生物是进化的”这么简单,否则,直接告诉学生不就能建立吗?正因为如此,建立生物进化观,就得建立生物进化观的一系列内涵,即生物进化的一系列概念。只有这样,才能真正理解生物是进化的,是如何进化的,然后运用这种观念来认识、分析和解决一系列的生物进化问题。           

  1.4运用概念分析和解决问题是学习的高阶目标

  习得概念并不是建构概念的最终目的,学会运用习得的概念来认识客观事物,从而提高分析问题和解决问题的能力才是学习概念的高阶目标。

  运用概念分析问题和解决问题是发展和提升学生能力的必然要求。当学生初步建立或形成概念后,就需要运用概念来认识生命活动。例如,当学生建立起“影响光合作用强度的环境因素及其生理机制”这一概念时,并不是学习的最终目的,而是要运用这些概念分析和解决实际问题,并提升这一能力才是学习的高阶目标。即将习得的光质(包括光照时间、光照强度和不同的色光)、二氧化碳浓度、水等环境因素对于光合作用的影响机制应用于生产实践,以通过创造适宜的环境条件从而达到提高植物光合作用的目的;同样,习得基因的分离与自由组合定律并不是学习的最终目的,而学会运用这些定律分析和解决遗传问题才是最终的学习目的。

  2.在建构概念的过程中发展科学思维

  概念是思维的基本形式之一。即概念本身就是一种思维的表现形式。无论是通过归纳、综合,还是通过概括、抽象建立的概念,都体现出一种思维的模式。例如,“蛋白质是生命活动的主要体现者”这一概念,就是归纳或概括的产物,这一概念的呈现也是这一思维的表现。因此,概念本身就体现出一定的思维特点。建构概念就是思维的一定程度和形式的反映。

  2.1 建构概念需要用到科学思维方法

  概念也是思维的产物,科学思维是形成概念的工具和途径。通常,建构概念的基本模式是:由事实或证据提出问题,由解决问题而建立概念。从教学过程的角度看,建构概念的具体做法是,设计一系列的情境任务或活动,依据任务或活动提出相应的问题,引导学生思考、讨论,进行相应的分析、推理、判断,通过归纳、综合、抽象与概括等逻辑思维而形成概念。           

  概念的建构过程也体现了科学思维是认识事物内在规律及相互关系的一种方法,是基于科学事实建构模型的抽象与概括的过程;是科学思维方法在科学研究和实践领域的具体运用。例如,为了建立氨基酸的结构模型,教学时可展现4种不同的氨基酸的结构式,然后针对氨基酸的结构式提出问题,这些氨基酸的结构具有什么共同特点?再引导学生通过分析和比较四种氨基酸的结构式,进而归纳出“氨基酸至少都含有一个氨基和一个羧基,并且都有一个氨基和一个羧基连接在同一个碳原子上”“不同的氨基酸之间的区别在于R基的不同”的重要概念。在构建氨基酸结构概念的过程中,运用了比较、分析、综合、归纳的科学思维方法。

  2.2 建构概念的过程是提升科学思维品格的过程

  科学思维品格可分为五个方面:崇尚真知、尊重事实和证据、讲求逻辑分析、质疑和批判、创新。建构概念所提供的事实和证据就是科学研究的过程和结果,而科学研究的过程和结果就是上述五个方面的体现。从认识论的角度看,通过分析科学事实或证据,进行逻辑推理而获得结论,这种认识就体现了上述科学思维品格。教学过程中的“事实或证据——问题——结论”就是帮助学生形成这种品格的过程。例如,在“对细胞膜结构成分的探索”的活动中所呈现的事实或证据,有针对性地提出了4个问题,在回答这4个问题时,就分别体现了科学思维的方法,同时,在完成这一活动时,就会培训学生形成“尊重事实和证据、严谨求实、重逻辑”的科学思维的特征。因此,通过概念的建构过程,既帮助学生学习和训练了科学思维方法,培养了学生的科学思维品质(图2);又帮助学生形成了“细胞膜的成分主要是由磷脂和蛋白质构成的”重要概念。     

图2  建构概念中形成科学思维的一般模式

  科学思维具体可分为科学思维方法和科学思维的特征,前者是认知方式和能力的体现,后者是认知品格的体现。在情境活动中回答提出的问题,训练了科学思维方法,在由事实或证据中经科学思维方法而得出概念的过程中,渗透了科学思维的特征。因此可以这样理解:基于事实或证据而建立概念的过程,就是发展学生科学思维的过程。

  建构概念的过程是一个科学思维的过程。在早期建构概念的过程中,以学习和训练学生科学思维方法、培养思维品质为主;在后续建构概念的过程中,以运用科学思维方法、增强科学思维品质为主。

  3.科学探究是建构概念的途径和方法

  探究的本质就是提出问题并解决问题。提出的问题可以通过实验或实践活动等方式来解决,也可以通过提供事实或证据(科学实验的过程、现象、结果),由学生分析、讨论和交流,进行逻辑推理来完成。探究的本源是提出问题,探究的结果是解决了问题,提出问题从本质上看就是对生命活动规律的一种探寻设问,解决问题则是对生命活动规律的找寻和确认,生命活动规律其实质就是生物学概念,因此,通过探究所得出的结果其实就是形成概念,探究的过程就是形成概念的过程。

  将实验和探究活动的结果形成结论,结论就是概念。例如,“比较过氧化氢在不同条件下的分解”的探究活动,通过完成在常温、加热、无机催化剂、有机催化剂(酶)的条件下,过氧化氢的分解速率及原因的分析,得出的结论就是:酶的催化效率比无机催化剂高。在这一结论的基础上再进一步分析和推理,就会形成“酶能有效地降低化学反应的活化能,催化效率高”的概念。

  在以实验或以探究活动建构概念的过程中,除了建构的概念外,实验和探究的方法、技能、科学思维、科学态度和科学精神都可以得到学习和提升。下表展示部分实验或探究活动在建构概念过程中的价值(表2)。

表2  部分实验及探究活动在建构概念过程中的价值

活动名称

活动过程

活动结果或结论

建构的概念

实验方法或技能

科学思维方法

科学态度和精神

影响酶活性的条件

控制单一变量和设计对照实验、实验操作

控制单一变量和设计对照实验

严谨、实证

酶的催化作用受温度、pH等条件的影响

酶所催化的化学反应一般是在比较温和的条件下进行的

孟德尔一对相对性状的杂交实验

杂交、自交、测交等,人工去雄、授粉等

假说—演绎

严谨、尊重事实和证据、严密的逻辑推理、创新

分离定律

分离定律

促胰液素的发现

切除法、注射法、提取注射法

假说—演绎、批判性思维

严谨、尊重事实、敢于质疑、勇于探索和创新

促胰液素真实存在

内分泌腺可以分泌激素,激素可以调节机体的活动

  正是基于科学探究在发展学生学科核心素养方面的巨大作用,因此,教学时要重视开展科学探究活动,在建构重要概念时要提供科学研究的过程和结果供学生讨论和学习;要尽量创造条件开展实验,在活动中学习科学方法和技能、训练其科学思维,培养其科学态度、精神和品质。

  4.社会责任的建立依赖于科学概念和科学思维

  建立和形成社会责任是教育的重要目标,也是发展核心素养的重要内涵。生物学科要形成的社会责任主要包括以下5个方面2:(1)理性解释,辨别迷信和伪科学;(2)关爱生命,形成健康文明的生活方式;(3)解决现实生活和生产中的实际问题;(4)形成生态意识,参与环境保护实践;(5)养成严谨求实、勇于探索的意识和精神。这些社会责任不是通过说教和宣传才能建立起来。依托于说教和宣传所建立的社会责任,注重的是表面形式,不可能达到内化于心,外化于行的目的。

  社会责任的建立需要科学概念的支撑和解释,需要科学思维进行分析和判断(图3)。任何一种责任意识的建立,都是建立在一定科学概念的基础之上而形成的。也就是说,要真正理解建立责任意识的理由(由概念所组成),才能从言行上表现出社会责任的内涵。

图3  社会责任与科学知识和科学思维之间的关系

  例如,健康生活是社会责任的一项重要内容,要做到健康生活,其中之一就是要控制糖的摄入,摄入适量糖为什么对健康生活很重要呢?这就需要学生理解糖在生命活动中的重要作用,糖在细胞中的转化等方面的概念,没有这些概念作为支撑和解释,就无法让学生明白控糖是有利于健康的。同样,控制糖的摄入还需要理性分析,在此基础上作出明智决策。又如,建立“不相信核酸保健品能起到保健作用,不向其他人推荐核酸保健品”的社会责任,就得清晰理解“基因的概念、基因与疾病的关系、进食基因后,基因在人体中的变化”等相关知识,才能做出理性的判断。 

  在进行科学探究的过程中,也会形成一定的社会责任。例如,科学实验与探究活动都可以培养学生的严谨、求实、团结协作、追求真理、探索创新的科学精神、科学态度和价值观。

  基于社会责任的建立离不开科学概念,教学时往往在建构概念之后,才渗透相关责任意识的培养。这样培育的社会责任才有了根基,才能直入人心,并以此实现立德树人的教育目标。

  基于上述分析,在生物学课堂教学中可以建立发展学生生物学学科核心素养的一般模式(图4)。该模式的核心思想是,在建构概念中发展学生的生物学科核心素养。

图4 生物学教学中发展生物学学科核心素养的一般模式

  主要参考文献

  1.吴成军.生物学学科核心素养的教学与评价[M],上海:华东师范大学出版社,2020(9):29.

  2.普通高中生物学课程标准(2017年版)[M],中华人民共和国教育部制定,北京:人民教育出版社,2018(1):5.


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