论生物知识的表征形式及其建构的路径

一、生物知识的表征形式

生物知识的表征形式有两种:外部表征和内部表征。外部表征是指生物知识通过使用文字、图形、模型等表示的一种外部形式,其中同一生物知识可以用不同的外部形式来表征。例如,氨基酸的结构通式可以画分子结构示意图表征,也可以建构模型来表征:将氨基酸的结构通式比喻成人——左手代表氨基,右手代表羧基,两条腿代表氢,躯干代表碳,头代表R基(氨基酸不同是因为R基不同,就如同人长得帅气与否首要看的还是我们的脸蛋);此外还可以用语义表征:极少有一个氨基和羧基连在同一个碳原子上,此外该碳原子还连接一个氢和R基团。内部表征可以指学生在学习生物知识过程中在工作记忆平台上信息分析、关系提炼的认知活动,也可以指信息在心理活动中表现和记载的方式。工作记忆又叫短时记忆是指信息加工的操作平台,其容量只有5~9个组块。组块是信息量的一个单位,指测量人短时记忆量的最小单位。外部信息进入工作记忆后一般以命题和表象两种方式表征。(1)命题表征:命题是词语表达意义的最小单元,由关系和一组命题两个成分构成,例如,“叶子是绿色的”表达了一个意思,是一个命题。在这个命题中,论题是“叶子”和“绿色的”,“是”表示关系,对命题起限制作用。在大多数情况下,一个句子表达的多不止一个意思。如“减数分裂是进行有性生殖的生物,在减数分裂过程中,染色体只复制一次,而细胞连续分裂两次。减数分裂的结果是,成熟生殖细胞中的染色体数目比原始生殖细胞减少一半”表达4个意思,是4个命题。即分裂发生的范围:进行有性生殖的生物;分裂发生的时间和行为:在产生成熟生殖细胞时进行的染色体数目减半的细胞分裂;分裂的特点:染色体只复制一次,而细胞分裂两次;分裂的结果:成熟生殖细胞中的染色体数目比原始生殖细胞减少一半。(2)表象表征:是指事物及其相关信息在人脑中的表征贮存。在生物学习中实验现象、生物图形、细胞模型和生物用语均是以表象方式表征的。表象作为对客体或情境的一种模拟表征,可以将大量的信息压缩到一个紧凑的信息组块中,节省工作记忆空间,减轻对工作记忆的认知负荷,在认知活动中起着相当重要的作用。例如,生物体内核酸相关知识的记忆表象(如图1)将4条信息压缩到一个组块中,提高了组块的信息贮存能力,减轻了记忆负荷。

二、外部表征对内部表征的影响

外部表征对内部表征的影响主要体现在外部表征形式对短时记忆负担上。究其原因,是因为信息的文字表征在工作记忆里转化为命题,工作记忆中的信息过多,学生思维操作负荷较大,难以顺利实现信息之间的意义联结,从而出现理解上的困难。而信息的图形表征在工作记忆中形成表象,对信息进行了压缩,节省工作记忆空间,减轻工作记忆负担,学生相对容易建构信息之间的意义联结。

例1有这样一道推理题:蚕豆根细胞在含3H标记的胞腺嘧啶脱氧核苷培养基中完成一个细胞周期,然后在不含放射性标记的培养基中继续分裂至中期,其染色体的放射性标记分布情况是(B)

A.每条染色体的两条单体都被标记

B.每条染色体中都只有一条单体被标记

C.只有半数的染色体中一条单体被标记

D.每条染色体的两条单体都不被标记

大多数学生由题示信息的文字表征建构“在含有放射性标记的培养基中培养完一个细胞周期到不含有放射性标记的培养基中培养至下一个分裂中期,其染色体的放射性标记情况”的认知存在一定的思维障碍,但是如果将题示信息的文字表征转换成下列图形表征(如下页图2),学生较易建立这一心理表征,从而突破空间的屏蔽。

三、生物知识的表征建构策略

实践证明,形象化的表现方式比言语叙述方式更有利于信息的编码。言语叙述虽然能较确切地阐明知识的内涵,但当传递较复杂的信息时,由于工作记忆容量的限制,学生往往无法由线性的言语叙述建构起对知识的非线性理解。反之,形象表征有助于减少记忆负荷,提高贮存能力,以更具有操作性和简化复杂关系的形式对信息进行编码和处理。形象表征包括图示表征和直观教学手段表征。

1.图示表征

图示表征是以图表的方式组织和表征信息。图示表征减少繁冗的文字叙述,简明直观地呈现出知识的结构性和认知的整合性,有助于学生对知识的理解和概括。常用的图示有概念图、韦恩图、数轴法、示意图、曲线图、知识网络图、知识点表格等。

(1)概念图。概念图通常从一般概念出发,往下逐级延伸至具体概念,以层级结构表明各概念间的关系。在生物教学中概念图既可以帮助学生建构概念之间的联系,使学生能够从全面与联系的层面理解概念。同时也可以作为一种模板,帮助学生组织知识并使之结构化和程序化。概念图这种对知识的统摄和整合功能对学生的思维过程能产生积极影响,有助于学生对生物知识的认知规律化,促使其有意义地学习。如图3所示为血糖调节过程的概念图:

(2)韦恩图。在数学中常用韦恩图来表示集合与集合之间的关系,在生物教学中使用韦恩图也可以形象地表示出各种概念之间的逻辑关系(如并列、隶属、交叉)和事物性质之间的异同。如图4所示为动植物糖类的分类:

(3)数轴法。利用数轴法,可以巧妙地将定性和定量概念联系起来,并将抽象的内容形象化,有助于理解和把握概念。根据细胞周期、分裂间期、分裂期的关系可用图5表示:

(4)示意图。生物学中有多种类型的示意图可以将微观现象宏观化,或将抽象问题直观化、形象化,有利于学生对较难的生物概念、微观事物、抽象问题的理解与掌握,纠正其可能存在的模糊概念与相异构想。如图6所示为有氧呼吸过程的示意图:

(5)曲线图。曲线图清楚直观地表示出两个量之间的数量关系或变化关系,显示研究对象发展变化的规律性和特殊性,借助曲线图表征,可以将定性和定量的分析巧妙地联系起来。如图7所示为光照强度与光合作用速率变化关系的曲线图。

(6)知识网络图。生物学中常用知识网络图表示知识之间的结构序列,有利于学生横向和纵向把握知识之间的联系,理解相互之间的转化关系,提高其归纳演绎能力,形成有序的知识结构,强化记忆能力。如下页图8所示为细胞与其他知识之间的相互转化关系的网络图。

(7)知识点表格。表格具有整齐、简明、易于比较分析的特点。利用表格表征,对相似、相近或相反的知识点进行整合,有助于学生在比较中形成对知识的辨析和理解,进行有效的类比编码和对比编码记忆。如表1所示为光合作用和细胞呼吸的比较:

2.直观教学手段表征

生物学是一门从分子、细胞、个体水平研究生物的结构、功能、发生和发展的规律,以及生物与周围环境关系等的科学。生物概念和理论具有较强的概念性和抽象性,学生对此的理解存在一定的思维障碍。教学中借助实验、模型、多媒体等直观教学手段使教学内容形象化、直观化,可以减轻学生认知负荷,化解或突破知识难点。

(1)实验表征。生物学是一门以实验为基础的学科,生物学知识是从生物现象和生物过程中抽象出来的本质特征,生物学知识的形成离不开实验。学生通过观察实验现象和实验过程可以实现抽象的知识与具体形象的联系和转化,形成丰富的表象来支持对抽象化知识的理解和记忆。例如,在探究“细胞大小与物质运输的关系”的实验中,学生通过实验测量发现三块琼脂块中NaOH扩散的深度一样,但琼脂块越小,内部留下的空白越少这一表象后,通过数据的处理,就比较容易理解“细胞大小与物质运输效率关系”这一抽象的生物学知识。

(2)模型表征。染色体的行为变化过程抽象、复杂,单靠语言和文字描述,学生很难理解和把握。利用模型组织教学,变抽象为具体,化不可见为可见,有利于学生形象直观地认知它们的本质特征。例如,减数分裂过程中染色体行为的变化可通过建构模型,抽象出减数分裂过程中染色体变化的本质特征,突破知识难点。如表2所示:

(3)多媒体表征。生物学是一门从微观层面研究宏观事物及其变化的学科。由于微观世界比较抽象,许多学生思维局限于宏观表征,对一些生理过程及其本质缺乏实质性理解,如有丝分裂、兴奋的传导、传递等。借助多媒体技术模拟和放大微观的生理过程及其变化,使抽象的、不可见的微观世界变得生动形象,有利于减轻学生的认知负荷,纠正其可能存在的模糊观念与相异构想,从而突破生物学基本理论教学中的重点和难点。

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