解剖前概念 促進(jìn)科學(xué)概念的重建

黃偉文

摘 要 通過(guò)教學(xué)案例的分析，研究前概念的成因及對(duì)學(xué)習(xí)生物概念的影響，減少前概念的負(fù)遷移，實(shí)現(xiàn)概念的順應(yīng)或轉(zhuǎn)化，促進(jìn)科學(xué)概念的形成。

關(guān)鍵詞 前概念 科學(xué)概念 解構(gòu) 重建

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

前概念是學(xué)生在接觸科學(xué)知識(shí)前，對(duì)現(xiàn)實(shí)生活現(xiàn)象所形成的經(jīng)驗(yàn)型概念。有的前概念與科學(xué)知識(shí)相似、有的與科學(xué)知識(shí)相?；虿槐M一致，但卻廣泛存在于每個(gè)人的思維中。如學(xué)習(xí)細(xì)胞周期概念時(shí)，學(xué)生頭腦中有關(guān)的前概念會(huì)對(duì)新概念的學(xué)習(xí)產(chǎn)生影響。美國(guó)著名教育心理學(xué)家?jiàn)W蘇伯爾說(shuō)：“影響學(xué)習(xí)最重要的因素是學(xué)生已經(jīng)知道什么，我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)學(xué)生前概念的狀況去教學(xué)。”

1 教學(xué)案例：DNA的復(fù)制

1.1 引入前概念、建構(gòu)模型、引發(fā)認(rèn)知沖突

學(xué)生在學(xué)習(xí)“DNA的復(fù)制”這一節(jié)課之前，對(duì)于“復(fù)制”的概念并不是一張白紙，而是充滿了影響學(xué)生觀察和理解的各種關(guān)于“復(fù)制”的前概念。于是，教師請(qǐng)學(xué)生舉例說(shuō)出所了解的“復(fù)制”現(xiàn)象：如日常生活中在復(fù)印機(jī)上復(fù)印一張?jiān)嚲?，電腦里“復(fù)制”文件，用U盤(pán)來(lái)拷貝一首歌；生物體內(nèi)細(xì)胞分裂過(guò)程中染色體的復(fù)制形成兩條姐妹染色單體等。由此學(xué)生得出DNA復(fù)制的即一個(gè)親代DNA形成兩個(gè)相同子代DNA。

那么DNA以何種方式復(fù)制呢？——學(xué)習(xí)小組建構(gòu)DNA復(fù)制的模型，具體要求包括：（1） 先用紅色的脫氧核苷酸，構(gòu)建一個(gè)親代DNA的片段。（2） 以白色（或藍(lán)色）的脫氧核苷酸為原料，構(gòu)建合成兩個(gè)子代DNA的片段，并說(shuō)出自己所建構(gòu)的DNA模型的理由。

學(xué)生進(jìn)行小組合作，觀察結(jié)果有兩種復(fù)制的方式，請(qǐng)小組上黑板展示，如圖1所示（即可概括為“半保留”和“全保留”）。

對(duì)于建構(gòu)“半保留”復(fù)制模型，學(xué)生解釋為：根據(jù)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，復(fù)制時(shí)DNA分子的雙螺旋將解開(kāi)，再根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)，形成子鏈，子鏈和原來(lái)對(duì)應(yīng)的母鏈構(gòu)成一個(gè)新的DNA分子，即為半保留復(fù)制，如圖1A所示。對(duì)于建構(gòu)“全保留”復(fù)制模型，甲小組解釋為像染色體的復(fù)制一樣，形成兩條染色單體，一條是舊的，一條是新的；乙小組解釋為就像復(fù)印資料一樣，再?gòu)?fù)制出一個(gè)相同的DNA分子，其中一個(gè)是舊的DNA，一個(gè)是新的DNA，如圖1B所示。

1.2 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證假說(shuō)、解構(gòu)前概念

究竟DNA復(fù)制是半保留復(fù)制，還是全保留復(fù)制呢？

教師引導(dǎo)學(xué)生從最終的目的出發(fā)，目的是要去區(qū)分子代DNA中是否含有親代的母鏈，即要把親代鏈和子代鏈區(qū)分開(kāi)。

學(xué)生甲：可以應(yīng)用我們證明DNA是遺傳物質(zhì)時(shí)所用的同位素標(biāo)記法。

教師：如果科學(xué)家用同位素15N標(biāo)記親代的鏈，用14N標(biāo)記子代的鏈，結(jié)合圖示半保留中子代DNA分子與親代DNA分子的不同主要是分子質(zhì)量的不同，那么如何區(qū)分子代DNA和親代DNA的呢？

學(xué)生乙：用差速離心（密度梯度離心）。

教師：如何根據(jù)假說(shuō)來(lái)預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果呢？

學(xué)生討論：首先把大腸桿菌放在15N的培養(yǎng)基上培養(yǎng)幾代，再將大腸桿菌轉(zhuǎn)移到14N的培養(yǎng)基中培養(yǎng)。然后，將提取的DNA進(jìn)行密度梯度離心，記錄離心后試管中DNA的位置。根據(jù)所建構(gòu)不同模型預(yù)測(cè)離心后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖2）。

教師：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證由梅塞爾森和斯塔爾以大腸桿菌為實(shí)驗(yàn)材料，運(yùn)用同位素示蹤技術(shù)和密度梯度離心技術(shù)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與半保留復(fù)制預(yù)期結(jié)果一樣，在試管中出現(xiàn)了DNA的這三條帶，從而證明了DNA的復(fù)制是半保留復(fù)制。

1.3 重構(gòu)模型、認(rèn)識(shí)本質(zhì)、建構(gòu)科學(xué)概念

DNA究竟如何進(jìn)行半保留復(fù)制的呢？——引發(fā)學(xué)生對(duì)DNA復(fù)制過(guò)程本質(zhì)的探究。

某學(xué)習(xí)小組合作，建構(gòu)DNA半保留復(fù)制的模型。教師提出以下要求：① 建構(gòu)模型的過(guò)程能體現(xiàn)出DNA半保留復(fù)制的過(guò)程；② 其他學(xué)生認(rèn)真觀察，注意指出建構(gòu)過(guò)程中做得好的地方和存在的不足之處；③ 重新修改，建構(gòu)自己的模型；④ 總結(jié)DNA復(fù)制的過(guò)程、條件、特點(diǎn)及DNA分子準(zhǔn)確復(fù)制的原因。

該小組重構(gòu)模型的成功之處：① 能把DNA的兩條模板鏈解開(kāi)作為模板；② 能進(jìn)行堿基互補(bǔ)配對(duì)；③ 子代DNA中含有一條母鏈和一條子鏈。不足之處：DNA雙鏈解開(kāi)后，學(xué)生是從原料中找到一個(gè)基本單位后，即放在與模板鏈互補(bǔ)配對(duì)的位置，沒(méi)有注意根據(jù)模板鏈的順序，依次去找到相應(yīng)的脫氧核苷酸與模板鏈配對(duì)。

學(xué)生在修改建構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，再通過(guò)觀察DNA復(fù)制的動(dòng)畫(huà)演示，總結(jié)DNA復(fù)制的過(guò)程、條件、特點(diǎn)及DNA準(zhǔn)確復(fù)制的原因。① DNA復(fù)制過(guò)程：解旋以母鏈為模板配對(duì)合成子鏈，母鏈和子鏈形成子代DNA。② DNA復(fù)制的條件：模板（兩條母鏈）、酶（解旋酶和DNA聚合酶）、原料（脫氧核苷酸）、能量（ATP）。③ DNA復(fù)制的特點(diǎn)：邊解旋邊復(fù)制、半保留地復(fù)制。④ DNA復(fù)制準(zhǔn)確性的原因：DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)為復(fù)制提供精確的模板；堿基互補(bǔ)配對(duì)保證了復(fù)制的準(zhǔn)確性。這樣使學(xué)生對(duì)復(fù)制的知識(shí)結(jié)構(gòu)在不斷地完善，DNA復(fù)制的科學(xué)概念不斷形成。

教師不回避學(xué)生認(rèn)知中的前概念的影響，讓學(xué)生在活動(dòng)中體驗(yàn)、感受DNA復(fù)制與生活中“文件”等的復(fù)制不同，從而建構(gòu)出DNA復(fù)制的科學(xué)概念。

2 前概念的形成原因和影響

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為學(xué)生已有的前概念大多來(lái)自于日常經(jīng)驗(yàn)或以前的科學(xué)課程，是每個(gè)新知識(shí)學(xué)習(xí)的起點(diǎn)。當(dāng)前概念和新概念相近時(shí)，會(huì)對(duì)新概念的學(xué)習(xí)產(chǎn)生一定的影響。

一方面，這種影響可能是積極的，新概念易被原有知識(shí)體系所融化，稱為概念的同化。例如學(xué)生在已建立“無(wú)機(jī)催化劑”概念的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)酶概念，很容易把新概念納入原有認(rèn)知系統(tǒng)的適當(dāng)位置。學(xué)生認(rèn)知系統(tǒng)中可利用的觀念越多，新舊觀念的性質(zhì)越接近，就越容易發(fā)生同化，新概念的理解就會(huì)越容易。教師在教學(xué)中要充分利用這些學(xué)生已有的概念，使新概念與之建立聯(lián)系，促進(jìn)同化。

另一方面，已有概念對(duì)新概念學(xué)習(xí)的影響也可能是消極的，可能會(huì)成為生物學(xué)概念學(xué)習(xí)的障礙。例如糖的概念，有很多學(xué)生潛意識(shí)中認(rèn)為都是甜的，同時(shí)認(rèn)為甜的物質(zhì)都是糖；水里游的是魚(yú)；天上飛的是鳥(niǎo)；蘑菇是植物……這些錯(cuò)誤概念對(duì)學(xué)生以后學(xué)習(xí)產(chǎn)生很大影響，是學(xué)生接受正確概念的障礙和阻力。

若教師并沒(méi)有及時(shí)意識(shí)到學(xué)生的“前概念”，最容易在之后的教學(xué)中出現(xiàn)相減的結(jié)果。無(wú)疑，教師又得回頭再進(jìn)行復(fù)習(xí)與講解，但此時(shí)學(xué)生思維中的相減模式已經(jīng)存在，兩者之間差別沒(méi)有及時(shí)被區(qū)分，并且這種知識(shí)已經(jīng)存在在學(xué)生的腦海中，有一定的根基。教師再去糾正，就有一定困難。

3 精心設(shè)計(jì)教學(xué)，促進(jìn)前概念的轉(zhuǎn)化和重建

學(xué)生對(duì)概念的認(rèn)知來(lái)源廣泛，復(fù)雜多樣，前概念具有頑固性、自發(fā)性、隱蔽性和反復(fù)性的特點(diǎn)。要避免和消除前概念對(duì)學(xué)習(xí)的負(fù)遷移，教師必須精心設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生辨析、理解、厘清并內(nèi)化概念的內(nèi)涵和外延，從而促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的重建。

3.1 缺陷的前概念，在暴露后完善

教學(xué)應(yīng)首先是“診斷”，其次才是“治療”。在以往的教學(xué)中，教師常常是從DNA分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)出發(fā)，引出沃森和克里克提出了DNA復(fù)制的假說(shuō)：DNA在復(fù)制時(shí)首先兩條鏈之間的氫鍵斷裂，兩條鏈分開(kāi)，然后每一條鏈分別做模板各自合成一條新的DNA鏈，這樣新合成的子代DNA分子中一條鏈來(lái)自親代DNA，另一條鏈?zhǔn)切潞铣傻模@種復(fù)制方式為半保留復(fù)制?？雌饋?lái)這種推理的假說(shuō)順理成章，學(xué)生也能聽(tīng)懂，但其實(shí)是教師把自己的觀點(diǎn)或科學(xué)家的觀點(diǎn)強(qiáng)加給了學(xué)生，忽視了學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，更忽視了學(xué)生固有前概念的存在。教師應(yīng)該先了解學(xué)生的認(rèn)知情況，按其想法或思路歸納出與事實(shí)自相矛盾或與定律相悖的結(jié)論，進(jìn)而引發(fā)學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，暴露學(xué)生在概念理解上的缺陷，在修正中形成正確概念，在糾正中完善。

3.2 類似的前概念在對(duì)比中辨析

生物概念不是孤立的，有些概念間是形像而神則不像。教師通過(guò)比較概念的核心字句，進(jìn)行相互間的異同點(diǎn)辨析，才能消除學(xué)生對(duì)相似因素的混淆，使他們深刻把握概念的內(nèi)涵與外延，分清概念的不同含義和應(yīng)用范圍。

例如姐妹染色單體和同源染色體在學(xué)生認(rèn)知的前概念中，“姐妹”是同一父母生出來(lái)的（那來(lái)源相同）而性狀相近但不同的兩個(gè)個(gè)體，同源則應(yīng)該是來(lái)源相同。但生物學(xué)中的“姐妹染色單體”是在細(xì)胞有絲分裂（包括減數(shù)分裂）的間期進(jìn)行自我復(fù)制，形成由一個(gè)著絲點(diǎn)連接著的兩條完全相同的染色單體（若著絲點(diǎn)分裂，則就各自成為一條染色體了）?！巴慈旧w”是指在減數(shù)分裂過(guò)程中，兩兩配對(duì)的染色體形狀、大小一般相同，一條來(lái)自父體，一條來(lái)自母體的兩條染色體。在學(xué)習(xí)“減數(shù)分裂”時(shí)，教師可以結(jié)合有絲分裂的過(guò)程，充分辨析這兩個(gè)概念，再通過(guò)具體的例題加以應(yīng)用，在比較中促進(jìn)學(xué)生形成科學(xué)概念。

3.3 錯(cuò)誤的前概念在澄清后轉(zhuǎn)化

要改變學(xué)生錯(cuò)誤的想法，教師需澄清原有認(rèn)知上的缺失，引發(fā)學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，借助批判性思維，糾正學(xué)生的錯(cuò)誤概念，轉(zhuǎn)變其頭腦中固有的認(rèn)知模式，在矯正錯(cuò)誤中實(shí)現(xiàn)概念的轉(zhuǎn)化。

如學(xué)生有“鯨能在水中游所以是魚(yú)”的前概念，教師要突出魚(yú)的最本質(zhì)特征——用鰓呼吸，而鯨卻是用肺呼吸。又如“細(xì)菌都是有害的”“遺傳病是一生下來(lái)就有的病”等，這些也都是錯(cuò)誤的前概念。教師必須列舉一些典型例子：人體內(nèi)的有的細(xì)菌是有害的，但大部分細(xì)菌是有益的，在人的腸道內(nèi)有正常的菌群，如雙岐桿菌、乳酸桿菌等，能合成多種人體生長(zhǎng)發(fā)育必須的維生素，腸道中的大腸桿菌可以幫助人體分解食物，而人體又可以為這些細(xì)菌提供生存的場(chǎng)所和食物，二者彼此依賴，共同生活，是共生關(guān)系。關(guān)于遺傳病可以例舉如有的先心病與懷孕期間病毒感染有關(guān)，并不一定是遺傳病，遺傳病的本質(zhì)是由于遺傳物質(zhì)改變而引起的疾病。

教師在教學(xué)中進(jìn)行分析，揭示概念的最本質(zhì)特質(zhì)，糾正學(xué)生頭腦中的錯(cuò)誤概念，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)概念的形成。

3.4 科學(xué)的新概念在體驗(yàn)中構(gòu)建

“體驗(yàn)”是人最基本的學(xué)習(xí)形式，是指人在實(shí)踐活動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)反復(fù)觀察、實(shí)踐、練習(xí)，最終認(rèn)識(shí)到某些可以言說(shuō)或未必能夠言說(shuō)的知識(shí)，掌握某些技能，養(yǎng)成某些行為習(xí)慣，乃至形成某些情感、態(tài)度、觀念的過(guò)程。

圖3所示為學(xué)習(xí)金字塔，從圖中可以看出，體驗(yàn)式的學(xué)習(xí)方式可以使知識(shí)的保持率很高，因?yàn)閷W(xué)生在小組討論、實(shí)踐和向他人教授的過(guò)程中，可以暴露存在的問(wèn)題，從而促進(jìn)自己主動(dòng)學(xué)習(xí)。例如在學(xué)習(xí)有絲分裂和減數(shù)分裂的過(guò)程、DNA的分子結(jié)構(gòu)等知識(shí)過(guò)程都是通過(guò)建構(gòu)模型，學(xué)生親自體驗(yàn)，來(lái)解決學(xué)習(xí)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在DNA復(fù)制的教學(xué)過(guò)程中，對(duì)DNA復(fù)制方式的推測(cè)、DNA復(fù)制的過(guò)程等知識(shí)，也都在學(xué)生的模型建構(gòu)的體驗(yàn)中構(gòu)建DNA復(fù)制的科學(xué)概念。所以真正的主動(dòng)學(xué)習(xí)、難點(diǎn)突破，不是靠教師的語(yǔ)言，而是靠活動(dòng)，靠體驗(yàn)，讓學(xué)生親身經(jīng)歷。

因此，要實(shí)現(xiàn)前概念的合理利用和轉(zhuǎn)化，不能僅憑教師的經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)雖然是寶貴的，但有時(shí)經(jīng)驗(yàn)是枷鎖，很大程度上限制著思維的創(chuàng)新。教師必須要了解學(xué)情，即學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)、學(xué)生的思維，即在了解學(xué)生概念產(chǎn)生的根源的基礎(chǔ)上，采用多種教學(xué)方法激起學(xué)生新舊思維之間的矛盾，造成學(xué)生的認(rèn)知沖突，用合適的教學(xué)策略和方法補(bǔ)充，完善學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，使原有認(rèn)知和經(jīng)驗(yàn)系統(tǒng)有所增長(zhǎng)（同化）或發(fā)生調(diào)整和改變，促進(jìn)前概念的解構(gòu)和重建，從而提高教學(xué)的有效性。

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