高中生物學前科學概念的轉變策略分析

杜紫怡 王琦 胡選萍 彭建德

摘 ? 要：通過對概念轉變的必要性和前科學概念的特點進行分析，結合具體實例提出概念轉變的五種策略，即創設教學情境，轉變生活經驗型前科學概念；巧設疑難問題，扭轉望文生義型前科學概念；運用對比歸納，破除類化概念型前科學概念；構建概念圖式，消除顧此失彼型前科學概念；組織實驗探究，消滅逆向遷移型前科學概念。

關鍵詞：高中生物學；前科學概念；轉變策略

《普通高中生物學課程標準（2017版2020年修訂）》中提出“內容聚焦大概念”的課程理念、“以生物學大概念、重要概念等主要知識為依托”的評價建議均明確指出概念是學生領會生物學現象及其本質特征的根基，是發展生物學核心素養的基礎和核心[ 1 ]。但學習者在進入課堂學習前、課堂學習中或學習后，由于生活經驗、認知淺薄、理解混亂、遺忘或負遷移等原因形成的前科學概念在頭腦中的認知已根深蒂固，只有教師提供一定的矛盾刺激條件才能使學生重新思考對概念的理解，扭轉錯誤認知[ 2 ]。鑒于此，筆者結合具體的實例，針對不同原因造成的前科學概念，運用合適的策略啟發學生深刻理解生物學概念，為轉變前科學概念、形成生物學核心素養夯實基礎。

1 ?前科學概念研究的必要性分析

1.1 ?生物學課程標準的要求

隨著教育部對課程標準的不斷細化和更新，生物學課程標準對學生的學業提出了新的要求。其中，“內容聚焦大概念”這一課程理念要求學生以概念為核心展開對相關內容的學習，力求“少而精”，通過深刻領悟和應用生物學核心概念，促進學生生命觀念核心素養的形成。課程標準中提出了“以生物學大概念、重要概念等主要知識為依托”這一建議，再次強調概念的重要性。但是在學生接受知識信息時會有很多的影響因素，使學生無意識的將一些不正確的觀念或解釋納入原有的認知結構中形成前科學概念，但是這種錯誤的理解會影響學生理解其他內容，使學習效果大打折扣，影響生物學核心素養的形成。

1.2 ?生物學概念的獨特性

生物學概念不僅數量繁多、零散、跨學科，學生不容易形成體系，而且大部分的前科學概念源于日常生活、知識的相互影響，且反反復復的出現。課程標準中將概念劃分為了大概念、重要概念和基本概念三大類，其中基本概念是最核心、最基礎的，是理解重要概念的基礎，大概念是對下位概念的統領和概括。學生在學習新的內容時要以概念圖等形式總結概念與概念之間的聯系，將零散的概念成體系地構建出來，這樣可以減少由于概念混亂或知識的負遷移而出現與科學理論相悖的解釋。另外，生物學是一個跨學科的知識體系，例如“物質與能量觀”，如果學生對“能量”理解的不透徹，可能就會形成前科學概念。

2 ?前科學概念的特點

2.1 ?日常性

學生在正式進入課堂學習前形成的原發性前科學概念大多都是從日常經驗中獲得的。例如：在學習反射之前，學生會認為人眨眼睛是條件反射；在學習光合作用前，學生會認為只有綠色的葉片可以進行光合作用；在學習微生物前，學生會認為所有的細菌都是有害的。

2.2 ?頑固性

學生在課堂學習之后形成的繼發性前科學概念在教師有意識引導下已經發生扭轉，但是隨著知識的累積在后續的強化學習中又反反復復地出現。例如：學生在學習細胞核之后認為真核細胞只有一個細胞核，且細胞核只允許大分子物質進出。

2.3 ?多樣性

學生的知識和能力水平以及生活經驗的不同決定了概念理解的程度，同一個概念中會出現各種各樣的前科學概念。例如：學生對減數分裂范圍和圖像的理解錯誤，有的學生認為生殖細胞只能進行減數分裂，有的學生認為減數第二次分裂與有絲分裂過程圖完全相同。

2.4 ?負遷移性

先前學過的知識對后續理解新的知識產生消極影響而形成的前科學概念。例如，學生認為原核生物沒有葉綠體，不能進行光合作用。將葉綠體作為進行光合作用的必要條件，就會產生知識的負遷移。學生應該明確是葉綠體中的光合色素吸收光能，因此，含有光合色素葉綠素就可以進行光合作用，如藍藻。

3 ?概念轉變的策略分析

3.1 ?創設教學情境，轉變生活經驗型前科學概念

在日常生活中，由習慣和經驗形成的與科學本質不符的認知稱為“生活經驗型”前科學概念。通過創設情境既可以引發學生的認知沖突，促進概念的順應，又可以拉進學生與學習內容的距離，激發探索興趣，促使“生活經驗型”前科學概念的有效轉變。

以必修一中“光合作用”的概念為例，學生在學習前已經形成了“只有綠色植物的葉片可以進行光合作用”的前科學概念。對此，教師在講解時創設實物情境：以生活中常見的盆栽綠蘿和仙人掌為例展示，指導學生從外觀上觀察這兩種形態不一的植物，以視覺沖擊引起學生的有意注意，調動學生的主觀能動性。在觀察的同時學生會有意識的提出困惑：綠蘿和大部分植物一樣都具有根、莖、葉，但是仙人掌為什么沒有葉片？仙人掌進行光合作用的器官是什么？通過自設疑問發覺認知誤區，主動探索概念的本質。然后，提示學生從植物的器官是否含有進行光合作用的細胞器分析問題，引導學生得出綠色植物能進行光合作用的真正原因。最后，以藍細菌具有葉綠素這一特征強化學生對光合作用概念的認識，得出“并非只有綠色植物的葉片可以進行光合作用”的科學概念。

3.2 ?巧設疑難問題，扭轉望文生義型前科學概念

未深入解析生命現象的本質，只是根據概念的字面意思理解，并對概念做出牽強的解釋稱為“望文生義型”前科學概念。教師以問題為導向，依據學習目標精心設計一連串的問題，引導學生剖析概念的深層含義，扭轉“望文生義型”前科學概念。

以選擇性必修一中“細胞外液”和“細胞內液”這兩個概念為例，解讀概念的字面意思，學生容易形成“細胞外液是外界液態環境，內環境是細胞內液”的前科學概念。首先，針對“細胞外液”設置一系列的問題：問題1，個體與細胞的關系是怎樣的？引導學生以必修一學習過的生命系統的結構層次為出發點進行思考，與已有的知識建立聯系。問題2，回憶必修一學過的細胞的衰老和個體的衰老是否一樣并舉例說明？以問題類比的方式，進一步思考細胞與個體的聯系，引出細胞生活的環境與個體生活環境的區別。問題3：細胞的外界和個體的外界是否相同？學生歸納總結，發現理解誤區，重新審視對概念的錯誤解釋。教師緊接著提出問題4：將生活在血漿中的血細胞、組織液中的細胞或淋巴液中的淋巴細胞拿到體外，不提供特殊的環境時，細胞能否正常生存？聯系實際，發現這些細胞直接放到外界環境中則無法生存，由此暴露出學生對細胞外液的狹義理解。學生提出“細胞在體內可以正常生活，在體外無法正常生活”的解釋，進而得出“細胞外液并非外界環境，而是細胞直接生活的液體環境”的結論，扭轉對“細胞外液”的曲解。然后，針對細胞內液提出問題：組成細胞外液的各個成分之間有什么內在聯系？引導學生從整體觀的角度思考內環境的含義。教師解釋說明內環境的內并非細胞內部，而是指細胞外液構成的液體環境。利用問題串，揭開科學概念的真實面貌。

3.3 ?運用對比分析，破除類化概念型前科學概念

名稱相近、含義相似或屬性相關的概念之間相互干擾而形成的與原有含義不相符的觀念稱為“類化概念型”前科學概念[ 3 ]。針對相近的概念，運用對比歸納的方法，總結歸納概念和概念之間的不同之處，不僅可以幫助學生厘清概念的區別，而且可以發展科學思維能力。

以必修二中“基因重組”和“染色體易位”這兩個含義相近的概念為例，僅僅是對兩個概念的含義進行解釋，學生容易形成“染色體易位和基因重組都是部分染色體發生交換形成的突變”的前科學概念。首先，提供貓毛色變異和果蠅花斑眼的示意圖，學生首先會想到為什么會出現這樣的現象？教師引導學生將案例與概念相聯系，從兩種變異產生的結果進行分辨。以實例引起疑惑，激起學生探索兩種變異區別的好奇心。接著展示上述實例的微觀示意圖，提示學生這兩種現象能否用光學顯微鏡觀察，并讓學生從染色體與基因兩個微觀的角度分析兩種變異的區別。然后，引導學生聯系“減數分裂”的內容，從發生時間的差異上進行概念辨別。最后，列舉我國培育金魚的例子及人類染色體易位的例子，引導學生從變異帶來的影響分析兩個相似概念的差異。在進行概念轉變的過程中，不斷地以兩者的差異刺激學生的思維認知，以對比分析、歸納總結的思維方式促進學生對概念的重新建構，轉變學生的錯誤理解，扭轉“類化概念型”前科學概念。

3.4 ?構建概念圖式，消除顧此失彼型前科學概念

教學中反復強化重點內容，旁支內容隨著知識的積累被遺忘而形成的內容缺失稱為“顧此失彼型”前科學概念。這與學生的概念體系缺乏系統性有關[ 4 ]。以概念圖作為支架轉變學生這類前科學概念，不僅可以使學生的概念體系邏輯化、系統化，而且概念圖將學生的思維可視化，有利于教師從概念圖中獲得反饋信息，更好地組織教學。

以必修一“脂質的元素組成”為例，在學習糖類、脂質、蛋白質和核酸時均涉及到了元素組成，但往往將蛋白質和核酸作為重點內容，長此以往學生可能會形成“既然細胞中的糖類和脂質可以發生轉化，說明兩者的化學組成均為C、H、O”的前科學概念。首先，教師編制四階測驗題診斷前科學概念，預測學生的目標技能起點能力。其次，復習舊知，產生矛盾。教師引導學生回憶糖類、核酸、蛋白質和脂質的元素組成，再次暴露出學生對脂質的理解存在問題。針對這一問題，教師引導學生說出脂質的種類包括：脂肪、磷脂和固醇。學生意識到脂質不同，其元素組成也會有差異，由此引發學生的認知矛盾，激發學生探索的好奇心。然后，小組討論，找出與脂質相關的概念。將概念按照包含性大小排列，如一級概念為脂質，二級概念是脂質的種類，三級概念是不同脂質對應的元素組成。最后，通過連接詞將不同層級概念聯系起來，形成脂質概念圖。學生在自主建構概念圖的過程中創造性思維得到發展，對重點內容和旁系內容的記憶均會更加深刻，減少內容的記憶缺失，消除“顧此失彼型”的前科學概念。

3.5 ?組織實驗探究，消滅逆向遷移型前科學概念

已有知識與新知識之間、本學科與跨學科之間可能會發生消極影響而產生知識的逆向遷移形成的錯誤理解稱為“逆向遷移型”前科學概念。在教學過程中利用實驗法可以幫助學生驗證認知的準確性，消滅前科學概念，使學生認同實踐是檢驗真理的唯一標準，提高學生的實踐能力。

以必修一“細胞呼吸的方式”為例，在第二章已經學習了線粒體是進行光合作用的主要場所，由于知識的逆向遷移學生會形成“原核生物沒有線粒體就不能進行有氧呼吸，只能進行無氧呼吸”的前科學概念。這主要是學生沒有掌握細胞呼吸的本質造成的。首先，回顧舊知：線粒體的結構和功能。強化學生已有的知識體系，保證學生的錯誤理解不是由于遺忘造成的。其次，播放“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗視頻，總結真核生物進行細胞呼吸的過程，學生根據實驗視頻在小組內討論問題：細胞呼吸的場所及能夠將葡萄糖徹底氧化分解的是什么？如果沒有這些物質能不能發生呼吸作用？分析學生的答案可以暴露出前科學概念，教師再引導學生總結呼吸作用發生的必要條件是線粒體內膜和基質中多種呼吸酶的存在，轉變學生的錯誤認識。然后，小組合作討論并設計以原核生物作為實驗對象，探究原核生物能否進行有氧呼吸的實驗方案。通過自主設計方案，驗證上一步得出的結論，提高學生的實踐能力，為概念轉變做準備。最后，播放“探究大腸桿菌細胞呼吸方式”的實驗視頻，利用真實的實驗情境驗證原核生物大腸桿菌在沒有線粒體的情況下也可以進行有氧和無氧呼吸的主要原因是因為含有呼吸酶系統，鞏固獲得的正確結論，消滅“逆向遷移型”前科學概念。

4 ?小結

前科學概念是教師教學的重要資源，是個體在認識事物的過程中難以避免的認知結果[ 5 ]。正確的前科學概念有利于教師開展教學內容，但是錯誤的前科學概念是教學的阻力，因此，教師在教學過程中要重視學生的錯誤理解。教師在概念轉變過程中要注意任何一種前科學概念的形成都不是單一因素作用的結果，對于不同類型的前科學概念的轉變也不只有一種策略，選擇恰當的策略組合教學才能有效轉變學生的錯誤觀念，形成科學概念。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：5-6.

［2］ 李高峰，劉恩山.“前科學概念”的術語和定義的綜述[J].寧波大學學報（教育科學版），2006（6）：43-45.

［3］ 李高峰，唐艷婷.科學概念教學五要素[J].生物學教學，2010，35（2）：9-11.

［4］ 廖龍強.高中生物學教學中前科學概念的轉化研究[J].中學生物教學，2019（18）：19-20.

［5］ 李高峰.科學教育中的“前科學概念”[J].教育學術月刊，2010（9）：12-14.