生物學高階概念的5C學習環

劉夢琦 安云彥 李秋石

(河北師范大學生命科學學院 石家莊 050024)

根據學生對不同的生物學概念的認知層面不同，通常將生物學概念劃分為解釋性概念、過程性概念、規律性概念這三大類[1]。其中，生物學規律性概念是用于表征生物與環境的本質規律和本質內容的生物學概念，較難表述、理解和把握，是處于金字塔頂端的概念，故而稱之為生物學高階概念。

針對如何達成生物學高階概念的有效學習，基于理論與實踐的研究，嘗試通過情境浸入(contextualize)、概念沖突(clash)、概念轉變(change)、規律生成(confirm)、科學實踐(conduct)的5C學習環來實現。下面以“細胞是最基本的生命系統”這一高階概念的達成為例進行闡述。“細胞是最基本的生命系統”這一高階概念包括“細胞膜是細胞生命系統的邊界”“細胞器在細胞生命系統中分工合作”“細胞核是細胞生命系統的控制中心”等重要概念。

1 情境浸入

教師構建情境提供輔助，學生浸入情境初識概念。生物學高階概念的學習過程是在原有概念解決不了新問題這一基礎之上進行的，其構建需要學生在生活和知識的已知、未知中找到大量的信息碎片并將其整合[2]。因此，一方面教師需要在明確了學生的已知、未知以及這兩者之間的差距后，根據最近發展區理論，為學生構建若干個概念情境；另一方面學生在教師的引導下浸入情境，找到情境中隱含的信息碎片，將其整合、重組，構建起新概念的雛形。

例如，教師借助國界線、蛋黃膜與細胞膜的類比關系揭示系統邊界的存在；學生借助真正的蛋黃(輕按蛋黃并不會造成蛋黃膜破裂，而用牙簽將蛋黃膜挑破則會使蛋液流出)近距離感知“膜”的存在和功能；最后回歸于“單個細胞也是具有邊界的”，教師呈現上屆學生制作的教具“生物膜的流動鑲嵌模型”，學生可觀察放大后的微觀結構。

該情境所含內容相對于多媒體展示的視頻、圖片等更加直觀、立體、近距離，學生可以觀察、觸摸實驗材料，也可以拆解模型，有利于學生對即將學習的內容產生興趣和探索欲望，主動浸入科學情境。因此，情境浸入是深度理解高階概念的基礎。

2 概念沖突

學生浸入在情境之中，進一步地學習會產生已知和未知的概念沖突，這是學生主動探索未知的前提。在高階概念的學習中引發認知沖突有以下幾個要點： 首先，學生要能夠在情境中發現新的問題；其次，學生能夠主動意識到原有概念解釋不了新的問題，產生尋求新的解決方法的意向；最后，教師在適當的時機呈現新概念。這樣學生才能夠對高階概念的本質產生認知的碰撞、沖突與思考[2]。

例如，在學習“細胞是最基本的生命系統”這一高階概念中的“細胞核是細胞生命系統的控制中心”時，學生剛建立“細胞是一個完整的、相對獨立的生命個體”這一概念，一般情況下認為“細胞只有結構完整才能存活”。此時，教師呈現美西螈核移植實驗、傘藻核移植實驗、蠑螈受精卵橫溢實驗、變形蟲細胞核切分實驗等資料，并提出以下四個問題： ①誰控制著美西螈的膚色？②誰改變了傘藻“帽”的性狀？③為什么無核的蠑螈受精卵不能分裂？④為什么無核的變形蟲無法攝食和應激？(①②為遺傳方面的概念沖突，③④為代謝方面的概念沖突。)

這些現象與學生的原有認知相悖，學生因此產生概念沖突，激發探究欲望。可見，概念沖突是主動探究高階概念的起點。

3 概念轉變

教師從旁協助，學生對于問題漸漸明朗，借助概念沖突，實現概念轉變。一般情況下，高階概念的轉變需要通過更為復雜的科學探究或論證。學生實現由前科學概念到高階概念的達成是一個學習進階的過程，經歷若干個階梯式的概念轉變，層層遞進才能實現最終的高階概念轉變。高階概念轉變有以下幾個要點： 首先，概念轉變需要學生的概念不滿作為基礎；其次，概念轉變的策略應該指向學生能夠主動探求解決新問題；另外，學生所探求的解決新問題的途徑應該指向高階概念的形成，或者至少應比原有概念更有效。

例如，在學習“細胞是最基本的生命系統”這一高階概念中的“細胞器在細胞生命系統中分工合作”時，學生存在概念疑惑，無法確定細胞器之間分工合作及其方式。要消除這種疑惑，一方面通過同位素標記法，從現象表征的角度獲得細胞器之間分工合作的證據，另一方面結合教師給出的細胞內一段時間細胞膜、細胞器膜面積變化數據，構建數學模型，從理性分析的角度更加細微、深入地理解細胞器之間的分工與合作，以及膜的相互融合與轉化，最終學生完成“細胞器在細胞生命系統中分工合作”這一概念轉變。

學生更能夠進一步認識到細胞膜、細胞器膜同成分、同性質，同時完成從細胞膜、細胞器膜相互獨立到細胞膜、細胞器膜共同構成完整的生物膜系統的概念轉變。所以，概念轉變是進階達成高階概念的核心。

4 規律生成

學生脫情出境，得出結論并生成規律，促進科學思維的達成。學生高階概念學習的一個重要評判指標就是是否實現了一般科學規律的生成。規律生成一般可以用到演繹推理、歸納推理等方法，其中在高中生物學高階概念的學習中，假說—演繹法(屬于演繹推理)和類比推理(屬于歸納推理)是重要的規律生成方法[3]。

例如，學生已習得了“細胞膜是生命系統的邊界”“細胞器在細胞生命系統中分工合作”和“細胞核是細胞生命系統的控制中心”等重要概念。以細胞核、細胞器、細胞膜的結構與功能相適應的認知作為規律生成的基礎，從吞噬細胞的胞吞和胞吐的實例中提煉關于細胞核、細胞器、細胞膜相互合作構成細胞統一體的個性化結論，再結合多種細胞能獨立完成細胞內生命活動的實例類比推理，歸納得到“細胞是最基本的生命系統”這一高階概念。

這一過程就形成了高階概念，學生進一步深化了對細胞學說的理解。故而，規律生成是深度理解高階概念的標志。

5 科學實踐

教師更新情境、重塑問題，學生隨機通達、在科學實踐中實現高階概念的遷移。生物學高階概念的規律一旦生成，就需要在特定的生物學情境中解決復雜的生物學問題，將理論回歸于實踐，更好地把握生物學高階概念。科學實踐的過程需要教師提供拓展的情境，通過以問題為中心的活動，進行橫向遷移或縱向遷移，最后達到高階概念的內化與外顯[4]。

例如，學生達成“細胞是最基本的生命系統”這一高階概念后，教師以癌細胞為例呈現相關資料，學生發現并概括癌細胞的細胞膜作為其生命系統的邊界有何功能、癌細胞的細胞器在其生命系統中如何分工合作、癌細胞的細胞核作為指導中心如何指導其生命系統活動的進行，從而促進概念的遷移。進而闡述癌細胞作為最基本的生命系統，其具體的生命活動(生產活動和信息交流活動)和生命歷程(產生、成長、衰老和死亡)，并建構以時間為主線的概念模型。因此，科學實踐是遷移運用高階概念的旨歸。

生物學高階概念的學習是一個不斷發現問題、不斷解決問題、不斷進階的過程[5]。學生在更新變化的情境下發現新的事實與證據、產生新的問題與思考，進而進行新的問題構建、新的問題解決、高階概念的達成。這樣的循環往復最終構成了動態的生物學高階概念學習過程。

由于高階概念的動態生成性，學生每一個環節的學習結果都會影響到下一個環節的結果生成，5C學習環的構建是一個連續的整體。即情境浸入是深度理解高階概念的基礎，概念沖突是主動探究高階概念的起點，概念轉變是進階達成高階概念的核心，規律生成是深度理解高階概念的標志，科學實踐是遷移運用高階概念的旨歸。