基于三重表征理論的生物學實驗教學

摘 要：本文基于三重表征理論，以“無氧呼吸”部分內容為例，通過真實情境導入實驗教學，從“宏觀－微觀－符號”三個維度引導學生設計實驗，培養學生的創新精神和實踐能力，進而達到提升學生科學思維和科學探究能力的目標。

關鍵詞：三重表征理論；無氧呼吸；實驗教學

文章編號：1003-7586（2024）07-0024-04 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

1 生物學三重表征理論的內涵

蘇格蘭格拉斯哥大學科學教育中心Johnstone教授首次提出，三重表征理論是基于科學學習的本質，即構建科學學習的思維層次三角形—宏觀、微觀、符號，以期降低科學學習的難度。［1］生物學作為一門研究生命現象及生命活動的科學，具有獨特的表征與內涵。宏觀表征指在生物學研究過程中，人類通過觀察與實驗，直接感知宏觀的生命現象；微觀表征指細胞的結構、生化反應和機理等人類難以直接觀察到的生命現象；符號表征主要指利用生物學特有的模型、字母等符號解釋宏觀及微觀的生命現象及規律。［2］三重表征理論指導生物學教學的過程是以生物學符號為工具，從宏觀與微觀相結合的視角認識生命世界。生物學的學科特點決定了其思維層次的推理應建立在感知宏觀線索之上，如果沒有觀察與實驗，概念的構建也將難以進行。

2 三重表征理論指導下的生物學實驗教學模式

基于對三重表征理論及生物學實驗教學的認識，本文歸納三重表征理論指導下的生物學實驗教學模式（見圖1）。其教學程序一般為：提出指向學科核心素養的核心問題—將核心問題拆分為子問題—從“宏觀－微觀－符號”三個維度設計子活動—真實情境中應用概念。教師在教學過程中開展多元性、持續性評價以檢測和調控學習過程，實時跟進學習目標的達成情況及核心素養的發展水平。

在設計教學活動時，教師應始終關注學生生物學學科核心素養的發展情況，始終維護學生在課堂中的主體地位。

3 三重表征生物學實驗教學模式的應用

3.1 前端分析，制定目標

人教版普通高中教科書《生物學·必修 1· 分子與細胞》（以下簡稱“教材”）第5章第3節主要包括：細胞呼吸的方式、有氧呼吸、無氧呼吸過程中物質和能量的變化，以及細胞呼吸原理在生產生活中的應用。從知識結構上看與前期所學細胞的生物膜系統、線粒體的結構與功能、物質的跨膜運輸方式、酶、ATP等內容都有緊密的聯系，同時又為后期學習光合作用等其他細胞代謝理論奠定基礎。本節內容可以讓學生更加深刻地理解細胞生命活動中物質與能量變化的內在聯系，培養學生的物質與能量觀。筆者為培養學生的實驗探究能力，對本節內容進行了拆解和重組，將其擴充為三個課時，如表1所示。

第一課時教師帶領學生利用酵母菌，探究其有氧呼吸過程中物質與能量的變化，歸納提煉有氧呼吸的實質和代謝過程。第二課時教師引導學生通過小組合作、討論，自主設計實驗探究酵母菌等常見微生物在無氧條件下的代謝反應，歸納總結無氧呼吸過程中物質與能量的變化。第三課時教師組織學生自主查閱資料，聯系生活實際，交流分析生產生活中應用細胞呼吸的實例，增強社會責任意識。本文以第二課時“無氧呼吸”為例展開設計，力求通過對教學環節的詳盡設計，引導學生探究無氧呼吸過程中物質與能量的變化，掌握無氧呼吸的原理。

3.2 教學目標

（1）能夠合作設計并實施探究實驗，闡明酵母菌無氧呼吸過程中物質與能量的變化，運用物質與能量觀歸納無氧呼吸的概念（生命觀念、科學思維、科學探究）。

（2）通過閱讀教材，分析概括無氧呼吸場所及不同階段的物質和能量變化，并能夠從進化與適應的角度，分析無氧呼吸的意義（生命觀念、科學思維）。

（3）探討細胞呼吸原理在生活情境中的應用，認識適量運動的意義，認同科學的健康運動方式，崇尚健康生活（社會責任）。

3.3 問題剖析，任務規劃

教師圍繞“無氧呼吸過程中物質與能量發生怎樣的變化”展開討論，將核心問題拆解為七個子問題（見圖2），根據問題逐一設計學生活動，引導學生完成任務，逐步解決問題，從而構建概念體系，突破教學重難點。

3.3 “宏觀—微觀—符號”課程設計

3.3.1 課前準備，布置任務，設計實驗

教師課前布置探究實驗題目，組織學生以小組合作的形式進行實驗方案的設計和探究。學生以小組為單位，在探究酵母菌有氧呼吸的實驗基礎上，設計酵母菌無氧呼吸實驗的探究方案，并在課堂上交流分享。

3.3.2 課堂引入，由宏觀到微觀

教師準備裝有酵母葡萄糖混合液的密封裝置，打開裝置，讓學生體驗聲音、氣味等實驗現象，引導學生結合生活實際提出問題。

教師引導學生回憶有氧呼吸過程中酵母菌的代謝方式，讓學生舉出對產物的猜想并提出以下問題：①酵母菌的無氧呼吸產物是否為酒精和二氧化碳；②二氧化碳的產生是在有氧還是無氧條件下；③所有生物是否都能在無氧條件下進行呼吸作用；④不同生物的無氧呼吸產物有何差異。

教師從學生提出的問題出發，利用生活中常見兩種微生物，酵母菌和乳酸菌，探究其無氧條件下的代謝過程。教師通過宏觀的生活現象導入，引導學生對微觀的生命活動原理產生疑問，搭建“宏觀－微觀”的思維橋梁。在此過程中，學生通過觀察現象，提出有價值的探究性問題。

3.3.3 問題引導探究過程

教師引導學生思考，進一步突破實驗設計的關鍵問題：①該實驗設計的自變量、因變量、無關變量分別是什么；②如何設置該實驗的對照組和實驗組；③如何控制無氧條件；④如何保證酵母菌在整個實驗過程中的正常生命活動；⑤如何對反應前后的產物（二氧化碳、酒精、乳酸）和能量變化進行檢測。

學生完成實驗方案的設計后，合作搭建實驗裝置，過程中學生將微觀現象的探究過程轉化為流程符號，又將流程符號轉變為宏觀實驗裝置。小組完成實驗設計后，展開分享和討論，并由其他小組進行評價和補充。評價需從以下幾個維度考量：①該實驗是否遵循生物學實驗的設計原則；②實驗設計是具有否可行性；是否具有創新性。

之后由小組合作，逐步完善實驗探究方案。第一步為制造無氧條件。

教師帶領學生分析教材中實驗裝置的不足之處如下：無法精準測量放置時間，時間過長會導致營養物質消耗殆盡，而時間過短則會導致氧氣消耗不完全。因此引導學生采用無菌密封輸液袋對教材實驗裝置進行改進（見圖3）。

第二步為物質檢測方法。

酒精的檢測：使用酒精檢測儀直接讀數，操作安全、簡便。二氧化碳的檢測：密封輸液袋的配套針管，取一定溴麝香草酚藍水溶液于針管中，并插入輸液袋中抽取氣體，觀察針管中溶液顏色的變化。乳酸的檢測：用針管將紫色石蕊溶液直接打入輸液袋，直接觀察液體顏色的變化。

第三步為檢測能量變化。學生

選用比熱容較大的水作為介質，吸收熱量并測量水溫的變化；也可以將熱能轉變為壓強的變化，再用壓強傳感器進行測量（見圖4），測量結果如表2所示。

第四步為展現實驗結果，分析結論。無氧呼吸過程中，物質和能量發生了怎樣的變化？教師展示興趣小組完成的實驗裝置，通過小組合作，檢測實驗裝置中物質與能量的變化。學生根據檢測結果，分析得出實驗結論，提出無氧呼吸概念，并構建無氧呼吸的化學反應式。從宏觀實驗現象出發，學生通過抽象與概括，認識微觀生命活動，感知無氧呼吸的原理，并用生物學符號進行表示。在構建概念的過程中，發展學生的科學思維與科學探究能力。

3.3.4 由符號到微觀，提升概念

教師從無氧呼吸的化學反應式出發，引導學生通過教材，深度思考微觀層面的問題：①無氧呼吸發生的場所是什么？②無氧呼吸分為幾個階段？③無氧呼吸過程中ATP的產生發生在第幾階段？學生討論完成后，教師追問：相比于有氧呼吸，無氧呼吸有何意義？學生通過分析材料，從進化和適應的角度，更深入地理解無氧呼吸的本質與意義，落實對學生生命觀念和科學思維的培養。

3.3.5 從微觀到宏觀，真實情境評價

教師展示橫紋肌溶解的相關材料，引導學生結合細胞呼吸的原理分析原因，并思考長期運動的人群是否會出現類似現象，從而培養學生熱愛生命、積極運動。學生用微觀的生命現象解釋宏觀的真實生活情境，調動不同維度的知識，學以致用，提升自身的材料分析能力及社會責任意識。

3.3.6 課后歸納，由微觀到符號

教師課后布置任務，引導學生獨立思考，對比并總結有氧呼吸和無氧呼吸的異同點。將之前所學課時的內容進行歸納和比較，提升科學思維。

3.4 多元評價，實時監控

教師在整個課程設計中，通過多種形式的評價，對課堂效果進行實時把控：以學生之間的評價、師生之間的評價達到評價多元化；以實驗設計、實驗操作來評價科學思維、科學探究水平；以真實情境評價生命觀念和社會責任意識。同時進行評價激勵和及時反饋，重視評價的診斷作用和激勵作用，在評價中關注學生的個體差異和發展需求，幫助學生認識自我、建立自信，促進其生物學學科核心素養的發展。

4 教學反思

本節課以小組合作為主要模式，以問題情境為主線，引導學生設計實驗，解決實驗環節的各種問題，同時加深學生對酵母菌細胞呼吸的理解和實驗探究能力的培養。教師引導學生從紛繁復雜的宏觀現象入手，通過實驗，探究微觀生命世界的本質，運用科學思維，借助生物學符號這一媒介，具體概括出抽象的生物學概念。

總體來看，對比常規的實驗教學，基于“宏觀－微觀－符號”三重表征理論的實驗教學設計更有利于學生全面、深刻、透徹地內化生物學概念，進而構建生命觀念。學生在實驗探究過程中，主動思考問題、解決問題，沉浸在科學探究的情境中。這種實驗教學設計能夠充分調動學生的學習興趣，幫助學生更好地理解和應用所學知識，在一定程度上發展了學生的生物學學科核心素養。

參考文獻

［1］JOHNSTONE A H. Why is science difficult to learn？ Things are seldom what they seem［J］.Journal of Computer Assisted Learning， 1991（7） ：75-83．

［2］蘇曉玲. 基于三重表征理論的生物學深度學習實踐路徑研究［J］.中學生物學， 2023， 39（5）： 5-7+10.