谈生物学核心概念及其教育价值和教学理解

一、生物学核心概念及其教育价值

美国课程专家H.LynnErickon在“概念为本的课程与教学”一书中指出,核心概念是居于学科中心,具有超越课堂之外的持久价值和迁移价值的概念。费得恩(Feden)认为,核心概念是学生将学科的事实和现象忘记之后,仍然留在记忆中并能应用的概念性知识。戴维(Davy)则认为核心概念构成了学科的骨架,具有迁移应用的价值。

综上所述,我们认为,生物学核心概念与生物学事件、生物学事实和生物学现象一样,同为生物学知识。但从教学角度看,分属“为什么”(概念性知识)和“是什么”(事实性知识)两个层别。生物学核心概念是在众多的生物学事件、生物学事实、生物学现象的基础上归纳、推理出来的结论,是对同一类生物学问题本质特征的概括。例如“稳态”这一概念,就是在分析细胞内环境各种理化因子相互作用现象的基础上,概括出“生物体依靠自我调节机制维持内环境理化性质相对稳定状态”这一稳态本质,进而得出其内涵是:机体在遭受外界因素干扰下,依靠体内复杂的自我调节机制,各个器官、系统协调活动,使内环境达到的一种动态平衡;其外延是:所有的生命系统在不断变化的环境条件下,依靠自我调节机制维持相对稳定的状态。理解“稳态”概念的本质,有助于学生理解生命的本质,从系统的角度来认识生命系统与环境的关系。

与事实性知识相比,核心概念具有更高的概括性。人们对核心概念的理解可以较长久地保存在记忆中,有助于形成较好的知识框架,学习更多知识。所以在教学中要更加重视学生对核心概念的理解,而不是对事实的记忆。

在教学中,教师必须注重核心概念的教学理解。具体而言,就是要以生物学现象和事实为载体,把握生物学核心概念的要素和内涵及其外延,领会其教育价值,形成生物学思维方法。

下面以“稳态”概念为例,探讨生物学核心概念及其教育价值和教学理解问题。

二、“稳态”概念及其教育价值和教学理解

“稳态”概念不仅包涵了生命系统通过自我调节保持稳态并适应内外环境变化,通过自动调节作用在结构与功能上达到和谐与统一,而且它又以“生命系统”与其他相关生物学知识整合。可以构建这样一个存在稳态的知识体系:分子→细胞→组织→器官→个体→种群→群落→生态系统→一般系统,能让学生明白其实生命系统的各个层次都是存在稳态现象的,在生命系统内部和生命系统与环境之间信息流动的过程中,都存在着生命系统的稳态与调控,甚至是自然界的一般系统在其变化与平衡之中也存在着这样的稳态与调节。从而从不同层次和不同的角度帮助学生认识到生命的复杂性和动态平衡性,帮助学生理解各个层次的生命系统是如何在不断变化的环境中通过自我调节机制维持自身的稳态,有助于学生理解生命系统的稳态,认识生命系统结构和功能的整体性;有助于学生形成正确的生态学观点和人与自然和谐发展的观念;同时在构建过程中领悟系统分析、建立数学模型等科学方法,更好地训练学生将数学的公式和方法引入生物学研究,形成系统的观点,为学生将来的进一步学习乃至科学研究打下坚实的基础。

1.“稳态”概念的教育价值分析

(1)丰富对生物学知识的理解和认识

生命系统是开放系统,它们与外界环境之间不断进行着物质交流、能量转换和信息传递,这就决定了生命系统时刻处于动态变化过程中。无论是个体水平还是群体水平,这种动态变化必须在一定范围内进行,否则系统就会崩溃。也就是说,稳态是生命系统能够独立存在的必要条件。稳态的维持靠的是生命系统内部的自动调节机制。关于这种调节机制,在个体水平上主要是动物体和植物体的生命活动的调节,在群体水平上主要是生态系统的自动调节。可见,就理解生命活动的本质和规律来说,“稳态”概念具有其他概念不可取代的价值,有利于丰富学生对生物学知识的理解和认识。

(2)在把握宏观与微观的联系中拓展视野

上世纪20年代,奥地利生物学家、心理学家贝塔朗菲(LudwigVonBeriatanffy)创立了一般系统论,指出“应把生物作为一个系统来研究”。系统具有“整体性”,就是说,不能把系统割裂成要素孤立地去研究,应该注意研究要素及要素间的相互作用与相互影响。系统还具有层次性,即从系统结构上看是分层的。系统的最重要特征是稳态。用一般系统论的观点来分析生命系统的稳态,有助于我们在把握宏观与微观的联系中从多个角度认识生命系统的稳态。

生命是一个开放的系统。这个开放的系统在生命活动中不断地与它所处的外部环境有物质、能量和信息的交流,通过信息的传递和反馈调节,这个系统维持着自身的稳态。这个系统的层次性表现在多个方面:细胞是基本的结构和功能单位,其上有组织、器官、系统、个体、种群、群落、生态系统和生物圈。每一层次都可以成为独立的生命系统,都存在着稳态,都发生着与环境的交流,都发生着信息的传递和反馈调节。同时,这一层次和那一层次之间的关系又不可忽略。由此,揭示了生命系统中尺度、结构与功能之间有着必然的内在联系,生命系统在不同尺度下存在着不同层次的结构,尺度与结构决定生命系统的功能。这不仅反映了人们认识事物的发展规律,也拓展了人们研究事物本质的视野。

(3)领悟多种生物科学研究方法的实质

系统分析包括定性分析和定量分析,中学生物学教育一般只能做定性分析。为了使学生能够运用系统分析的方法进行学习,在构建“稳态”概念过程中要借助于“探讨人口增长对生态环境的影响”、“阐明生态系统的稳定性”等内容,教会学生用系统分析的方法来分析问题。在科学探究中经常使用的两种逻辑方法——模型方法(建立物理模型和数学模型)和数学方法(取样调查),在建构“稳态”概念过程中都有很好的载体(例如:设计并制作生态瓶——物理模型,尝试建立数学模型解释种群的数量变动,等等),应引导学生运用这些科学方法进行“稳态”概念的学习。

2.“稳态”概念的教学理解

(1)在已有知识经验的基础上认识“稳态概念

将生物的个体和群体看作不同层次的生命系统,它们都在与外界环境的相互作用中通过信息的传递和自身的调节来达到维持稳态的目的。这是构建“稳态”概念的关键,也是做好初高中教学衔接的一个有效的着力点。

学生在初中阶段初步学习过生物与环境关系的知识,在这个基础上,教师引导学生用系统分析的方法分析:无论植物、动物、人体还是种群、群落乃至生态系统,任何一个生命系统时刻处于动态变化中,通过信息的传递,生命系统感受内外环境的变化,通过调节做出应答性反应,从而维持自身的稳态。这是构建“稳态”概念的主线,有利于学生把握相关知识内容之间的本质联系,有利于学生建立整体性的认识。

(2)借助各种直观手段帮助学生构建概念

在教学中,应尽可能通过实验、实物、图片、照片、录像片等,丰富学生的感性认识,将有助于学生对“稳态”这一学科主题的理解和构建。

教科书的图片非常精美,与文字紧密配合,我们得充分利用好这些图片。比如关于组织液、血浆和淋巴三者间的内在联系,教材写得比较具体,而且配有插图,可以先让学生阅读课本相关内容,同时参考教科书中的图,进行独立思考,在此基础上引导学生理解三者间的关系。在看图过程中,首先应该引导学生识别图中各种结构和成分,弄清各结构间的关系,这是理解组织液、血浆和淋巴内在联系的基础。教材提供的插图只反映人体局部组织中的情况,要说明全身的细胞外液是一个有机的整体,有必要再提供人体循环系统(包括血液循环和淋巴循环)的整体图,有助于学生建立对人体细胞外液的整体认识。

我们也可以选取一些能反映机体各器官系统协调活动,以及机体与外界环境相适应的相关例子的视频画面,运用多媒体进行教学,通过视频画面,烘托气氛,激发学生的学习兴趣。但要注意不应让学生的兴趣过多停留在感性的层面上,及时结合画面提出有关问题,尽快将学生引入对问题的理性思考,在这样的观察与思考中构建“稳态”概念。

(3)在解决实际问题中帮助学生构建概念

个体和群体水平的稳态,都与人们的日常生活和生产实践有着密切的关系。比如,人体的许多疾病都是稳态失调的结果,每一个人的健康都与内环境的稳态有关,几乎所有人都亲历过诸如发烧等稳态失调引起的疾病;诸多环境问题又是生态系统的稳态失调的结果。教师应当充分利用学生的生活经验,启发学生将理论知识与实际生活联系起来。

比如教师可以从学生身边的一张化验单入手,引导学生分析化验单上为什么每种成分都有一个变化范围,从而初步认识内环境的各种成分是动态变化的;又比如教师可以引导学生思考生物圈2号失败的原因,让学生领悟到自然界中生态系统的相对稳定性,稳定的生态系统对于生物的生存至关重要。

教师还可以联系有关沙尘暴的事实,让学生讨论沙尘暴发生的原因;联系密云水库合理捕捞量的确定问题,引导学生讨论种群数量的变化规律……事实上,现实生活中遇到的各种相关问题,报纸、杂志、广播、电视、网络等媒体上关于稳态的自然科学问题和社会科学问题等的报道都将成为学生构建“稳态”概念很好的切入点。

我们不必拘泥于教材中的实例,可以通过一些标志性的问题或实例让学生打开思维的闸门,列举出更多的实例进行分析,这样教学效果会更好。

(4)在丰富多彩的活动中促进学生构建概念

建构主义学习理论认为,知识不可能以实体的形式存在于个体之外,真正的理解只能是由学习者自身基于自己的经验背景而建构起来的,这取决于特定情况下的学习活动过程。就以“稳态”这一概念来说,就涉及内环境,而内环境的化学成分、理化性质等都很抽象,其动态变化更令学生难以捉摸。

我们可以通过设计模型建构、探究与实验、社会调查、野外实地考察(调查)、搜集资料、资料分析、思考与讨论等活动,通过这些多样的学习活动,丰富学生对稳态的感性认识,促进稳态概念的全面构建。

比如,我们可以引导学生讨论“化验单都告诉了我们些什么”,讨论“为什么医院里给病人输液时必须使用生理盐水”等问题;结合2019年奥运会,讨论“为什么奥运会上要禁止使用兴奋剂——激素类药物应用的利与弊”,讨论“有氧运动与减肥”等问题;我们还可以在适当的时候引导学生展开关于“粮食重要还是鸟类重要(北大荒垦荒问题)”的大讨论,展开为什么要“退耕还林、还草、还湖”、“食人鱼能不能成为我们的新宠物”的讨论等等,在这样的思考与讨论、资料分析等活动中落实“稳态”概念的构建。

建立数学模型是生态学研究的重要方法。在要求学生“尝试建立数学模型解释种群数量的变化”这一活动中,不仅能让学生了解建立数学模型的方法,也能让学生在模型的建构过程中体会群体生态学中的这种动态变化的调节机制,为群体生态中的稳态构建奠定基础,还可以帮助学生理解建立模型的一般步骤,领悟并尝试应用这种方法。建立数学模型的方法对高中学生来说是有一定难度的,教学中应当使学生认同运用恰当的数学模型能够较好地表达某些生物学规律。一定要避免从数学到数学,为计算而计算的教学,比如“种群基因频率的稳定与变化”的教学中一定得注意,数学计算的目的是构建“稳态”概念,帮助学生理解运用这一概念。

值得注意的是一些关键性事件对概念的构建至关重要。例如组织学生调查“人口增长过快给当地生态环境带来的影响”,从揭示人口增长对生态环境带来的影响,分析因果间的逻辑关系,尽可能探求表面上未直接关联的事物之间存在着的关系,例如,人口增长与农药使用之间的关系,并且根据实际情况,充分拓展思维,提出解决问题的方案或对策;可以组织学生到野外进行实地调查,感受生物多样性的价值,同时让学生通过实地调查来体会和运用样方法等等。教师应当鼓励学生亲自调查或广泛搜集资料,再通过课堂讨论,加深对科学、技术、社会相互关系的认识,提高参与社会事务的讨论和公众决策的能力。

生物学核心概念的教学理解的要义是:围绕生物核心概念,以生物学现象和生物学事实为载体,把握核心概念的要素和内涵及其外延,领会其教育价值,形成生物学思维方法。

理解生物学科、理解学生心理和理解教学规律是搞好生物教学的三大基石。其中,理解生物学科应当是首要的。

另外,减轻学生的课业负担,关键是要把课教得本质、精确、简明扼要、平易近人,这也与教师的生物学核心概念理解水平紧密相关。这就要求教师能透过众多的生物学事实聚焦核心概念,精选生物学事实,揭示生物学核心概念的内涵。只有这样才能引发学生的学习兴趣,使学生在有限的时间内学到更本质的、有利于终身发展的生物学素养

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