基于三重表征理論的生物學深度學習實踐路徑研究

蘇曉玲

(福建省南安國光中學 福建泉州 362321)

1 問題的提出

深度學習是指在教學中學生積極參與、全身心投入、獲得健康發展的、有意義的學習過程,是針對淺層學習而提出。劉月霞等構建了深度學習教學實踐模型2.0(圖1)。該模型強調,在深度學習過程中要凸顯學習目標的素養導向、學習主題的引領性、學習任務或活動的挑戰性、學習評價的持續性。通過學習活動,學生能夠掌握學科基礎知識與基本方法,體會學科基本思想,綜合運用知識和方法創造性地解決問題,形成積極的內在學習動機、高級的社會性情感和正確的價值觀,成為既有扎實學識基礎、又有獨立思考能力,善于合作、有社會責任感、具備創新精神和實踐能力、能夠創造美好未來的社會實踐的主人。傳統生物學課堂往往是教師按照課前設計的教學程序講解,牽著學生接受一個又一個結論,即便教師提出的問題具有一定的思維空間,但常常又不能給學生充足的思考時間,導致教師講解多,學生深度探索交流少的問題。重結論輕探究的結果導致學生在解決問題方面存在比較嚴重的模仿性和依賴性,缺乏獨立性和創造性。因此,如何著眼于學科的基本思想和方法,引導學生親身經歷知識發現、發生、發展的過程,促進知識的實踐轉化和綜合應用,是實現深度學習亟需解決的問題。

圖1 深度學習教學實踐模型2.0

因此本項目以深度學習理論為指導,依據生物學學科特質,嘗試在闡述生物學三重表征內涵的基礎上構建基于三重表征理論的生物學深度學習的教學實踐路徑。

2 生物學三重表征理論的內涵

2.1 生物學三重表征的內涵

1991年蘇格蘭格拉斯哥大學科學教育中心的Johnstone 教授首次提出從宏觀、微觀和符號3 個水平理解科學可以減少學習科學的困難,并構建了宏觀-微觀-符號的思維三角形(圖2)。國內外研究者將此進一步界定為“三重表征”。

圖2 Johnstone 的思維三角形

表征是一個認知心理學的概念,分為外部表征和內部表征。外部表征指信息本身記載和呈現方式,是一種客觀存在;內部表征指信息在人腦中記載和呈現方式,是人腦對信息的加工理解抽象,也稱為心理表征。生物學是研究生命現象、生命活動規律的學科。學習者要以生物學符號為工具,從宏觀和微觀相結合的視角認識生命世界。生物學三重表征具有外部表征和內部表征雙重涵義。從外部表征看,生物學三重表征指生物學宏觀知識、微觀知識、符號知識的外在呈現方式;從內部表征看,生物學三重表征是指宏觀、微觀、符號,三類知識在人腦中的加工呈現形式。

具體而言,生物學的宏觀表征是指人類感知器官可以通過觀察、實驗等方式直接感知到的生命現象,如生物體的繁衍、生長、衰老等現象;微觀表征主要是指不能通過直接觀察或實驗獲得的細胞結構、分子組成、化學反應和機理等;符號表征主要指利用生物學特有的字母、圖形等符號表示宏觀或微觀現象和規律。而內部表征只能通過學習者的描述和使用結果來斷定。

因此在教學中,教師要合理呈現生物學知識的三重外部表征,幫助學習者完成三重內部表征的建構,通過適當的情境任務評價學習者內部表征的準確性和表征轉換的能力。

2.2 生物學三重表征的關系

三重表征理論認為三種表征不是簡單的拼湊和隨機的使用,而是一個相互聯系的有機整體。三種表征對生物學概念建構都是不可或缺的一部分。生物學學習的特點是從眾多的紛繁復雜的宏觀的生命現象入手,深入探索其微觀的生命本質和規律,最終抽象概括為生物學概念。在宏觀與微觀領域的分界面,符號表征起到了聯系的中介和橋梁作用。符號表征既能表現宏觀領域中的生命現象,又能表現出微觀領域中的生命結構分子機理,是理解宏觀表征和微觀表征的工具。因此,在生物學學習過程中,要圍繞某一概念建立宏觀、微觀、符號三種表征之間的內在聯系,通過多種方式實現三個層次的自由轉換和有機融合,達到概念的深度理解。

如果將三種表征分割開來,學習者對概念的理解將是片面的零碎的,難以形成大概念。如果三種表征之間建立內在邏輯聯系,學習者就可以對概念進行多角度全方位的認識。當學習者可以從宏觀微觀符號三個層次自由理解某一概念,那么他就真正掌握了這個概念的內涵。日常教學也常常涉及宏觀、微觀、符號三種表征類型的學習,但是直覺性經驗性的教學往往問題不夠聚焦,表征載體使用分散,缺乏內在邏輯性,導致表征功能沒有有效發揮。因此,三重表征理論強調針對同一事物或概念,根據三種表征之間的內在邏輯聯系,運用多種方式多個層次進行表征,達到對某一事物或概念的完整理解,在學習過程中,為學習者提供更開闊的心理視野,引導學習者像科學家一樣認識思考問題。

3 基于三重表征理論的生物學深度學習實踐路徑

基于三重表征理論和深度學習理論的認識,結合布魯納的發現學習觀點和生物學科教學實踐,本項目的教學構建了基于三重表征理論的高中生物學深度學習實踐模型(圖3)。

圖3 基于三重表征理論的高中生物學深度學習實踐模型

該模型主張從學科內容的整體理解著手,以單元或主題為學習單位。首先,教師以發展素養為導向確定學習目標,提煉具有挑戰性的學習任務并提出關鍵性問題;其次,圍繞關鍵性問題,依據三重表征的內在邏輯開展有序的學習活動,構建概念;接著,在新情境活動中遷移應用深化概念并檢測評價學習者的內部表征;最后,在整個學習活動過程中通過持續性評價反思修正調控學習過程。

該模型旨在通過評價調控學習,通過三重表征學習構建概念,通過概念構建培養科學思維、學科思想和方法,通過遷移應用形成核心素養,從而將生物學學科素養落實在一系列的學習活動中。

3.1 如何提出關鍵性問題

提出指向核心概念的關鍵性問題,不是學習某一個知識點,而是通過這個關鍵性問題的學習覆蓋相關問題的學習,學會學科的思想方法。將該關鍵性問題作為學習任務,圍繞這個任務設計開展一系列學習活動,需要厘清《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)中各級概念的內容要求,對教學內容進行分析和結構化處理,然后基于學科本質提煉具有挑戰性的學習任務。

教學內容的結構化處理是促進學科知識轉向學科核心素養的關鍵。在進行教材分析過程中,教師首先確定各個知識要點的類型如事實性知識、概念性知識、程序性知識、元認知知識等,然后利用綱要法、表格、圖示、概念圖和思維導圖等建模方式,構建其層次結構或網絡結構,把握知識要點之間的內在邏輯聯系,最后形成概念構建的結構化思維。

比如人教版新教材《必修2·遺傳與進化》第二章第三節“伴性遺傳”,教師通過梳理各知識要點的內在聯系(圖4),發現紅綠色盲的相關研究是學生認識伴性遺傳的關鍵。學生理解紅綠色盲的遺傳特點和研究方法,便可遷移到伴性遺傳的其他類型,于是提出關鍵性問題:紅綠色盲的遺傳有什么特點?如何研究紅綠色盲?接著,教師圍繞這個問題設計相應的學習活動。在結構化過程中,既可以是把單一知識點轉化為結構性知識,也可以是對學科核心知識與現實社會和科技最新發展成果的結構化,還可以是學科核心知識與學生經驗的結構化。在此基礎上確定“引領性學習主題”并提出挑戰性的關鍵問題,師生共同對學科核心知識進行有深度、有寬度的加工,對學科核心知識的價值和意義有更深刻的理解,進而全面深入地體驗學科本質,充分領悟學科的功能作用。

圖4 “伴性遺傳”教學內容的結構化處理

3.2 如何設計“宏觀-微觀-符號”多重視角的學習活動

學習活動是發展核心素養的主體部分,它主要服務于學習目標的有效達成。在學習活動的設計過程中,要使其與學習目標保持高度的一致,同時還應兼顧活動的自主度,對學生提出有一定挑戰性的學習任務,圍繞該學習任務設計開展一系列學習活動。

從三重表征的視角來看,學習活動的實質是獲取關鍵性問題的宏觀表征載體,分析其微觀表征,構建其符號表征的過程。宏觀表征的載體來源可以是調查、實驗、實踐活動的數據和實驗現象,教師可以通過分析文本資料、圖片、圖表、動畫、視頻等探索微觀本質,通過模型構建、圖表設計等進行符號表達。

比如要探究紅綠色盲的遺傳特點,學生需要先明白紅綠色盲的發病率和遺傳方式,通過社會調查和家系調查,掌握人類性別決定的相關知識。同時,學生需要準確運用遺傳學符號書寫遺傳圖解,將宏觀的表型、微觀的基因組成、符號表達三者有機聯系起來,梳理出解決問題的方案。因此,教師需要清楚設計開展哪些學習活動,明確學習活動的安排次序,再根據活動需求精選所需的表征載體。

外部表征載體有三個關鍵功能:補充、約束(限制)和構造(建構)。補充指的是不同的表征載體包含的信息有所不同,當它們同時呈現時,學習者可以從不同載體中獲取不同的信息。約束或稱為限制是指一種表征的信息會限制對另一個表征的解釋,比如在描述花的結構時,呈現出一朵花的照片,通常會受到照片所選取花的種類的限制,進而限制對花的結構的描述。構造又稱為建構,是指通過整合多種表征抽象表征的結果。構造可分為擴展和聯系兩種形式,擴展指學習者通過整合多種表征從已知推理獲得未知信息的方式,聯系指兩個表征在不進行知識重組的情況下再次聯系在一起的過程。

在呈現具體的學習活動時,要聯系表征功能,按照一定的邏輯關系有機地進行組合,例如“已知到未知”“現象到本質到拓展應用”“宏觀到微觀”“事實到概念到觀念”等。要使表征充分有效地發揮功能,還應該在呈現表征的同時提出明確的學習任務,以準確引導學生通過任務主動參與到學習活動之中。因此,任務的類型和水平就體現了對學科核心素養的要求層次,學生完成任務的情況就體現了學科核心素養素養的發展水平。

3.3 如何設計和實施持續性評價

開展持續性評價的目的是監測和調控學習過程,隨時了解學習目標的達成情況,判斷學生素養的發展水平,從而及時反饋改進教學,促進每個學生能夠最大限度地積極參與、全身心投入到學習活動中,獲得健康發展。因此,評價標準應該根據素養發展的目標制定,評價的內容包括學生的思維發展狀況、學習態度、過程表現等,評價的形式可以是學生自評、小組互評、教師評價等等。

比如紅綠色盲的社會調查和家系調查,目的是獲取調查數據,教師應該重點關注學生在活動中的科學態度和合作精神,采用學生自評和小組互評的方式展開教學。探究紅綠色盲的遺傳方式,教師可以通過概念檢測,觀察提問了解學生的學習情況。探究紅綠色盲的遺傳特點,是教學的重難點,教師應該通過設計關聯宏觀微觀符號的遺傳圖解(圖5),通過小組互評、糾錯、修正,關注學生遺傳學符號使用的規范性和準確性。最后在遷移應用環節通過設計已知雙親表型預測子代、運用系譜分析判斷遺傳方式、通過表型推知性別或通過性別預測性狀、設計雜交實驗確定基因在性染色體或常染色體上等四個方面的新情境,檢測評價學生概念理解和應用情況,判斷學生素養的發展水平,然后進一步調整改進教學策略。

圖5 關聯宏觀-微觀-符號的遺傳圖解

4 結語

宏觀微觀符號三種表征形式影響著學習者注意、知覺、表象、記憶、思維和語言等認知過程,各個水平對知識的感知促使這些感知在學習者認知心理上形成豐富的內化表征形式,有利于學習者對知識全面而透徹地認識和理解。三重表征理論指導下的教學模式從核心問題出發,根據概念構建過程遇到的問題分解成若干子問題,根據三種表征之間的內在邏輯關系安排學習活動,直至完成構建概念。整個過程從學生視角出發,以學生探究為中心,教師則用提問的方式推動學習過程。從開始到結束,知識逐漸深入,學習者像科學家一樣主動認識思考解決問題,沉浸式探究。三重表征理論指導下的教學模式為學習者學習生物學提供了更為開闊更為有序的心理視野,有助于提髙學習者多角度觀察分析和解決問題的能力。

在深度學習的教學中,還需要教師聚焦《課程標準》,整體把握學科體系與關鍵教學內容,提升教學設計的站位,營造民主平等的學習氛圍,給學生表達見解展現思維的機會。