基于具身認知理論的初中生物學實驗教學設計

摘要：本文以“植物種子的萌發”一節為例，闡述了基于具身認知理論的初中生物學實驗教學設計。本實驗教學中筆者對實驗進行了優化，選取蕓豆、蠶豆、花生、大豆、紅豆、玉米等多種植物的種子為實驗材料，依據具身認知理論中的身體參與原則、身心協調原則、環境互動原則，指導學生通過解剖，由外到內地觀察不同種子的結構。通過探究子葉的功能和對種子實物及模式圖的粘貼，進一步提升學生的科學探究能力，培養學生的生物核心素養。

關鍵詞：具身認知；實驗教學；種子萌發

文章編號：1003-7586（2024）03-0055-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

“具身認知”是與以“符號加工主義”“聯結主義”為代表的第二代認知科學的核心觀點。該理論認為，認知并非是發生在大腦內部的孤立事件，而是包括大腦在內，通過身體與外部環境相關聯、互動產生的結果。認知具有具身性、情境性、生成性等主要特征。在教育領域，具身認知理論強調“全身心的學習”，支持“學生為中心”的觀點，重視情境和活動的設計、身體的參與和體驗，該理論為改進學習過程、創新教學方法、豐富教學環境提供了新的思路。

實驗教學是初中生物課堂進行具身認知教學的重要形式，本文以“植物種子的萌發”這一節實驗教學為例，依托學生身體感受展開具身設計，實現生物學概念的建構和學生核心素養的提升。

1 學習內容分析

“植物種子的萌發”是蘇教版義務教育教科書《生物學·七年級·上冊》（以下簡稱“教材”）第五章第一節的內容。教材當中安排的活動為“觀察大豆種子的結構”。然而，大豆種子的體形較小，對于初次解剖種子的學生來說操作難度較大，學生容易破壞胚的結構，因此選取蕓豆種子作為首次觀察種子結構的材料。蕓豆種子體形大，易解剖，其胚根、胚軸和胚芽也易于區分。在學生掌握解剖種子的操作和科學的觀察方法后，再進一步觀察大豆、蠶豆、花生、紅豆、玉米等種子結構，找到不同植物種子的異同點，依托具身觀察，認識種子的結構。

2 教學目標

依據《義務教育生物學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課程標準》）圍繞培養學生核心素養的要求，制訂了如下教學目標。

（1）通過描述種子的結構與功能，培養學生的結構與功能觀。

（2）通過解剖觀察、分析實驗現象，提升學生觀察、分析、判斷等科學思維能力。

（3）通過討論種子的萌發條件，加強學生對生物技術與生產生活之間關系的了解。

3 基于具身認知理論的實驗教學設計過程

3.1 布置課前任務，學生整體感知實驗材料

教師課前安排興趣小組的同學自選實驗材料，設計創作種子畫，課上在全班進行展示。學生課前通過種子畫的創作，可以整體感知到不同植物種子大小、形狀、顏色不一樣，課上教師進一步引導學生思考不同植物種子的內部結構是否有明顯差異，引出課程主題。

設計意圖：具身認知理論認為人的認知不僅僅依靠大腦的離身認知，而是依賴身體、大腦和環境的具身認知，強調身體在認知活動中的關鍵作用。課前學生通過設計創意美術作品種子畫，親身地感受不同植物種子的顏色、大小和形態上的區別。通過小組同學的介紹展示，激發學生的學習興趣和探究欲望，自然地引出本節課的主題。

3.2 借助現代化信息技術，直觀展示實驗過程及現象

教師播放實驗微課視頻，引導學生觀察實驗操作步驟，指導學生在觀察過程中對照蕓豆種子示意圖識別其實物結構。

利用實時投屏技術，將學生的實時實驗操作過程展現在屏幕上。實驗完成后，學生思考并回答以下問題：種子最外面一層薄皮是什么？拉一拉種皮，可以發現種皮有何特點？對照蕓豆種子示意圖，識別其內部結構。教師引導學生從形態上區分胚芽和胚根，總結出胚的結構，并進一步引導學生總結出種子的結構。

讓學生滴一滴碘液在蕓豆種子的子葉上，觀察子葉的變化，教師通過實時拍照投屏展示實驗現象。學生通過實驗得出蕓豆的子葉中富含大量的淀粉，子葉有貯藏營養的功能的結論。

設計意圖：教師利用微課展示實驗過程和注意事項，可以給予學生準確的實驗指導。通過投屏技術，將小組同學的實驗過程展現在屏幕上，實時記錄下實驗現象，實驗結束后，可以提供給學生進行觀察和反思。學生通過親身實驗，見到滴加碘液后子葉的變化，從而加深對子葉功能的理解。學生通過“看”“剝”“拉”“掰”等過程，真正實現“做中學”。在具身認知的過程中，學生的學習方式由被動接受轉變為主動學習，教師的教學模式由單純的“教師教”轉變為動態的“學生學”，從而構建起“以學生為中心”的生物學課堂。

3.3 豐富實驗材料，調動學生多感官進行觀察

學生兩人一組，教師分發給每個小組蠶豆、花生、大豆和紅豆四種種子，引導小組同學按照以下任務進行實驗操作。任務一：各小組任選一種種子觀察結構。任務二：把解剖后的實物種子的結構粘貼在學案上，并標出結構名稱。任務三：在信封中找到觀察的種子相對應的種子結構模式圖的卡片，在卡片上用不同顏色的筆標示出不同的結構，標出相關結構名稱，將成果粘貼在學案上。任務四：小組選擇一名代表，上臺向全班同學介紹小組所觀察的種子的結構。小組代表展示成果后，教師引導學生構建出種子的完整結構，形成概念圖（見圖1）。

接著教師指導學生觀察玉米種子：首先取一粒浸軟的玉米種子，觀察種子的外部形態。再用刀片縱向剖開玉米種子，然后用放大鏡觀察種子的內部，對照示意圖識別結構名稱；最后滴一滴碘液在玉米種子的縱剖面上，觀察剖面的變化。觀察結束后，教師展示蕓豆種子和玉米種子的實物圖，引導學生觀察對比兩種種子的異同點。

設計意圖：豐富的實驗材料讓學生在生物多樣性中感知到統一性。通過對模式圖進行標注，引導學生以實物和模型兩種不同形式認識種子的結構。通過比較玉米種子和蕓豆種子的相同點與區別，歸納出種子的基本結構和特殊結構。實驗中，引導學生用眼、耳、手等多個器官參與分析，運用身體體驗的方式理解學習內容，自主構建生物學知識。

4 教學反思

傳統的實驗教學往往缺少課前感知環節，學生對實驗材料較為陌生，且實驗材料選擇單一，一般為教師給定實驗材料。在觀察實驗時教師容易忽略實驗環境、學生的身心協調以及不同感官的互相作用，實驗課缺少情境性和生成性。

本節實驗設計基于具身認知理論。在課前讓學生自主創作“種子畫”，學生在創作中不僅要觀察種子的大小、顏色和形狀，還要通過觸摸感受到種子的質地，讓學生在創作中感知實驗材料，帶著好奇心走進課堂。學生在展示作品的過程中思考種子的結構，讓實驗在真實情境中發生。實驗中教師提供了多種植物的種子，由學生自行選擇想要觀察的生物材料，讓學生全身心參與，重視學生的身心協調，從而激發了學生的自主探究欲。依托現代化信息技術，實時地呈現不同小組學生的實驗結果，引導小組同學分析、匯報、評價，增加了實驗課堂的互動性與生成性。由此可見，基于具身認知理論開展實驗教學可以提高實驗的有效性，不僅讓學生“做中學”，更“樂中學”。

教師可以運用下列一些策略，基于具身認知理論，開展實驗教學。

4.1 調動多感官，聚焦具身認知開展實驗

具身認知理論提倡在教學實踐中遵循身體參與、身心協調、環境互動原則，在教學中身體的多個感知通道同步工作。豐富的情境學習，多模態交互學習的方式，這些都能幫助學生在具身學習中主動構建核心概念，讓深度學習自然發生，學生的思維也會經歷由低階向高階的轉變，從而進一步提升學生核心素養。

例如，本節課教師指導學生在實驗時，通過“找種皮”“剝種皮”“拉種皮”“掰豆瓣”“觀結構”等幾個步驟，調動學生多感官，在動手動腦中認識生物的結構；再如，在觀察木本植物莖的結構中，調動學生的多感官來認識木本植物莖的結構，通過“縱剝樹皮”“撕拉樹皮”“掐一掐木質部”“扎一扎髓”等幾個步驟，不僅引導學生從視覺上由外到內認識莖的結構，也讓學生從觸覺上感知莖各部分結構的特點，幫助學生進一步建立結構與功能觀。

4.2 依托現代信息技術，助力具身認知學習活動

具身認知強調身體在認知中的重要作用，學習工具和材料的使用是對身體的延伸，實感、實境具身學習方式能為學生提供“感同身受”的學習效果。教育技術和工具，如虛擬交互技術、運動傳感器、手勢交互支持、數據可視化工具、互動白板系統等正在成為具身學習的重要支持，也是未來應當進一步拓展應用的領域。

例如，實驗操作的步驟和細節可以通過微課進行指導，通過軟件實現實時投屏共享實驗現象，利用數字傳感器將采集的數據可視化，難以實際開展的實驗可以利用NOBOOK等虛擬實驗平臺進行虛擬實驗，利用3D模型軟件展示生物立體結構等。

4.3 豐富實驗材料，學生自主選擇體驗探究

具身認知理論認為，學習的本質就是認知活動，思維、認知的發生不僅涉及身體構造、神經結構、感官和運動系統的參與，還涉及身體的感受、體驗等的嵌入。因此，尊重學生的個體差異，尊重學生的獨特性，給予學生身體上的自由，才能更好地激發學生潛能，激發認知涌現，促進學生主動建構知識。

例如，在課前，學生可以自由選擇種子材料自主創作“種子畫”，充分展示學生的個性。在實驗中，教師提供不同的植物的種子，學生可以自主選擇實驗材料進行解剖觀察，并且通過對比、分析、歸納等思維方法，發現生物結構的統一性。再如，在學習植物的果實結構時，提供豌豆、葡萄、桃子、花生、獼猴桃、番茄等多種植物的果實，學生自主選擇實驗材料觀察，在和諧的學習環境中去主動體驗、主動認知。

總之，基于具身認知理論開展教學活動，可以促使教師轉變教學觀念，重視學習環境，滲透教育技術的使用，實現學科的育人價值。

基金項目：南京市第十四期教育科學規劃課題“基于具身認識理論的中學生物學主題學習實踐研究”（L/2022/026）。