學習科學視野下生物學“研學課堂”的建構

邵紹元

摘要：在生物學課堂場域中，以“制作生態瓶”活動為例，遵循學習的本質和規律等學習科學原理，以關注學生前概念的“學”為基礎，以基于生物學科本質的“研”為落腳點，以重要概念為基本架構，平衡事實性知識和概念性知識，通過互動交流與表達、基于項目和設計的科學實踐，提升學生的生物學科核心素養。

關鍵詞：學習科學;研學課堂;生態瓶

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：B

1學習科學視野下研學課堂的內涵

研學課堂是教師和學生共同學習建構知識的生物學課堂場域。以關注學生前概念的“學”為基礎，以重要概念為基本架構，以基于生物學科本質的“學”為落腳點，面向問題解決，平衡事實性知識和概念性知識，通過基于項目和設計的科學實踐，在活動體驗和理解性的研學過程中意義生成復雜的認知結構，發展學生的生物學學科核心素養。

2學習科學視野下研學課堂的建構

2.1研學課堂的前提條件：關注前概念

學習科學第一條原理表明，重視學生的原有經驗，前概念是學習發生的前提條件。前概念是指學生在未正式學習生物學前所形成的對生命現象和規律的非本質認識和觀點，具有其不確定性和模糊性。合理的前概念是建構生物學概念的基礎，是研學課堂的生長點;錯誤的前概念具有隱蔽性和片面性，影響生物學概念的形成，是研學課堂的阻抗點。

經課前調查，發現學生錯誤的前概念有：

①由于日常生活經驗，如馬桶中或水溝里的水生活著許多細菌，建立了微生物與臟亂環境的必然連結，學生普遍認為微生物不利于生態瓶的維持，更難以想象特定微生物在生態瓶凈化及穩定水質的可能性。

②學生普遍認為動物不是消費者，就是分解者。

③學生普遍認為，生態系統一定要有消費者等。

因此，教師及時準確調查前概念，研學前暴露前概念，設置疑問引發認知沖突，激起研學欲望，有利于研學策略的制定，提高研學的針對性和實效性。

2.2研學課堂的基本架構：精選重要概念

學習科學認為，專家型知識不是對事實的簡單羅列，而是圍繞著重要概念和原理組織起來的，專家解決問題是運用重要概念或“大觀點”進行研判的過程。重要概念是生物學科中的關鍵內容、重要思想和關鍵能力，是組織研學課堂的載體。精選重要概念和原理，使其成為的研學課堂基本骨架。

如制作生態瓶活動前，大多數學生能意識到生態系統是由生物和環境組成，但并不清楚生態系統中各組成成分是如何組成，不能準確區分生產者、消費者和分解者。教師結合生物學課程標準和學情，精選重要概念為：生態系統由利用無機物制造有機物的生產者、直接或間接以綠色植物為食的消費者、分解動植物遺體的分解者等生物成分和非生物成分組成，各組成成分共存共榮、相克相生，通過物質循環和能量流動使生態系統成為統一體。

2.3研學課堂的必要條件：用事實性知識支撐重要概念

學習科學強調專家知識的概念性和原理性組織特征，豐富事實性知識利于理解和建構概念性知識。保持事實性知識和概念性知識的穩態，形成組織良好的知識結構，這是研學課堂發生的必要條件。建構研學課堂，在重要概念的框架下，豐富生物學事實，并從中抽象和概括，使概念自然地生長出來。

例如，學生對生物成分中的定義模糊，分別設計單一變量控制的生態瓶（表1）。學生長期觀察生態瓶，發現三大生物因素的特征。

學生觀察①有菌液和③無菌液的生態瓶，一周后發現①含菌液組能維持清澈，而③無菌液組第二周起微呈混濁，且瓶壁上附著大量微生物。學生通過觀察，認同：微生物在生態系統中必要性，并不是所有微生物都造成臟亂環境，硝化細菌在生態瓶中不可或缺。學生的前概念受到觀察結果的挑戰。學生觀察①有蝦和②無蝦的生態瓶，發現兩生態瓶的水蘊草生活均良好，在此感性認識的基礎上，以事實為依據，建構生態系統不一定需要消費者的概念，為重要概念提供支撐。

再如，在制作生態瓶的起初，各種顏色的米蝦引起學生的注意。將水草和死蝦分別放入兩生態瓶中，觀察到米蝦既吃水草，又吃死蝦，學生對米蝦的食性產生感性認識，并根據米蝦獲取有機物的方式作大致區分為消費者和分解者。基于米蝦在生態系統中扮演的雙重角色的事實，學生得出“米蝦既為消費者，又為分解者”的結論。豐富而典型的事實性知識，將重要概念形象化和直觀可視化，提升重要概念的可理解性和精準性。

2.4研學課堂的必然要求：基于生物學科本質的科學探究

生物學科本質的集中表現為生物學科觀，而學科觀直接影響著教什么和怎么教。生物學科本質是生物學科的靈魂，是對進化思想和生態思想等生物學科思想方法的高度概括，源于生物學研究對象復雜性和研究方法的綜合性。生態思想主要包括理解生物與環境整體性，自我調節實現的穩定性，生物與環境的發展協調性等。研學課堂要秉持正確的生物學科觀，基于學科本質開展科學探究教學是引導學生研學的必然要求。研學課堂注重將研學置于具體的實踐情境中，融入科學探究的方法，形成生物學特有思維方式。例如，在討論光照對生態瓶影響的實驗方案時，有學生提出方案設計者忽略室外復雜的環境（如氣流、日夜溫差、光照時間等）對生態瓶的影響，導致為操作一個變量反而衍生出更多變量。在多次討論修正后，學生逐漸掌握控制單一變量的方法，進而形成嚴謹的科學態度。

2.5研學課堂的有效路徑：基于項目和設計的科學實踐

學習科學研究表明，基于項目和設計的學習最有效，如構思假設、項目設計方案、收集記錄證據、形成暫時性結論以及評價反思等科學實踐是研學課堂切實可行的有效路徑。基于項目的科學實踐融入科學的研究方法，尋求解決問題的方法與思路，使核心概念和原理融入項目中，從而使研學深入和有效。在基于設計的科學實踐中，學生共享項目設計方法，征求意見，批判性地評價他人設計和考慮同伴的意見等，使研學具有具身性和社會性。

例如，“如何延長生態瓶的壽命”項目的科學實踐過程具體為：

①小組討論生態瓶可能的自變量;

②根據課前觀察為例，說明單一變量的實驗設計，設計實驗記錄表格;

③小組形成合理假說;

④通過實踐材料模擬實驗設計，教師協助判斷是否符合假說;

⑤每組選擇影響生態瓶維持穩態的條件，制作生態瓶;

⑥各組形成暫時性結論;

⑦根據結論嘗試解釋環境問題，并提出解決方案。

教師通過提示線索，協助學生，使學生在科學實踐后產生一種撥開云霧見青天的成就感，進一步建構生態系統的各成分是相異相依，相互制約的統一整體的概念。

2.6研學課堂的深化：互動交流與表達

學習科學認為：學生對發展中的知識進行加工、組織和表達時，可以學得更好;互動交流與表達是學習最容易發生的環節;評價反饋是所有學習發生的重要條件，因而是最有效的。在運用學習科學原理進行研學的課堂上，學生的討論、展示交流和表達占時較多，教師主要作用是引導和促進，將研學引向重要概念，促進學生對自己的想法和觀點進行反思并達到條理化，從而促進復雜交流的延續和發展。

例如，在對解釋①和③生態瓶現象差異的互動表達中，學生根據蝦的排泄物含氮本質以及水質的關系，初步認同硝化細菌屬于分解者。但有學生提出質疑：水質變化并不能成為鑒別分解者和生產者的主要依據，光合作用和硝化作用兩者的共同點都是利用無機物的代謝合成有機物，并且和利用有機物分解成無機物的分解代謝截然不同，復雜交流把學生不斷引向核心概念的深入理解，進一步建構了硝化細菌為自營生產者的概念。在互動交流與表達環節，學生關于硝化細菌在生態瓶中的作用以及地位的理解在互動交流中步步深入。通過互動交流與表達，學生的見解得以闡發，問題得以解決，思想得以融合，認識得以升華，是非得以明析，并認識到研學是不斷深入的研究過程，逐漸形成進化的知識觀。

遵循學習科學原理，通過“生態瓶的制作”系列活動，學生對生態系統重要概念的理解不斷精進，向著專家型知識和結構不斷發展，生態系統穩態生命觀不斷形成，在科學探究、科學思維中發展解決復雜問題的能力。