耗散結(jié)構(gòu)理論視閾下的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)研究

王銘志

摘 要 闡述了學(xué)生的概念認(rèn)知結(jié)構(gòu)類(lèi)似于耗散結(jié)構(gòu)，學(xué)生的概念轉(zhuǎn)變是一個(gè)從“無(wú)序”的迷思概念到“有序”的科學(xué)概念的過(guò)程。教師要充分了解學(xué)生的迷思概念，利用小組討論、探究實(shí)驗(yàn)或反例等引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突和漲落，并通過(guò)概念圖促進(jìn)學(xué)生的自組織，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變。為保證概念的穩(wěn)定理解，教師還需幫助學(xué)生對(duì)概念進(jìn)行跟蹤式的鞏固復(fù)習(xí)。

關(guān)鍵詞 耗散結(jié)構(gòu)理論 概念轉(zhuǎn)變 教學(xué)策略 生物學(xué)教學(xué)

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

1 引言

1969年，比利時(shí)科學(xué)家伊利亞·普利高津提出耗散結(jié)構(gòu)理論，并于1977年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。普利高津認(rèn)為一個(gè)開(kāi)放的非線(xiàn)性系統(tǒng)在不斷的物質(zhì)和能量的輸入達(dá)到閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)從最初的無(wú)序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行驙顟B(tài)，這種遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的有序結(jié)構(gòu)稱(chēng)為耗散結(jié)構(gòu)。耗散結(jié)構(gòu)形成的條件可概括為：系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)；系統(tǒng)必須遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)；系統(tǒng)內(nèi)部存在非線(xiàn)性的相互作用；系統(tǒng)可以發(fā)生內(nèi)部漲落。耗散結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)完全是自組織的，人們無(wú)法創(chuàng)造耗散結(jié)構(gòu)，但可以創(chuàng)造出現(xiàn)耗散結(jié)構(gòu)的條件。

2 學(xué)生的概念認(rèn)知結(jié)構(gòu)作為耗散結(jié)構(gòu)所具有的特征

2.1 認(rèn)知結(jié)構(gòu)是一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)

建構(gòu)主義認(rèn)為，人的學(xué)習(xí)不是封閉于個(gè)人頭腦中的過(guò)程，而是同周?chē)h(huán)境中的工具、符號(hào)、語(yǔ)言乃至人際關(guān)系等媒體和功能性資源的交互過(guò)程中生成的過(guò)程，學(xué)生的學(xué)習(xí)依賴(lài)于認(rèn)知結(jié)構(gòu)。學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)一方面需要從外界環(huán)境輸入信息，作為具有自我能動(dòng)性的個(gè)體，學(xué)生通過(guò)紙質(zhì)文本、視頻、廣播等途徑獲得大量的信息輸入；另一方面，學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)信息進(jìn)行加工，完成對(duì)外的輸出，即對(duì)抽象的理性問(wèn)題或生活中一些實(shí)際問(wèn)題的解決。因此，學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)必然是一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)。

2.2 認(rèn)知結(jié)構(gòu)是一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的系統(tǒng)

學(xué)習(xí)者無(wú)法解決世界上所有的問(wèn)題。學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)與外部環(huán)境存在這樣一個(gè)矛盾，即問(wèn)題解決所需要的知識(shí)與學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中知識(shí)的不足或缺失之間的矛盾。這種矛盾導(dǎo)致學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離平衡態(tài)，矛盾越大，認(rèn)知結(jié)構(gòu)就離平衡態(tài)越遠(yuǎn)。這種矛盾促使學(xué)生不斷地完善認(rèn)知結(jié)構(gòu)，從而形成更高水平的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。另外，學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的各組成部分之間也存在較大差別，這種內(nèi)部組成部分間的差別也反映出學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)并非是一個(gè)由均一同質(zhì)的各部分所構(gòu)成的平衡系統(tǒng)。

2.3 認(rèn)知結(jié)構(gòu)存在非線(xiàn)性的相互作用

認(rèn)知結(jié)構(gòu)由認(rèn)知形式、認(rèn)知策略與方法、知識(shí)經(jīng)驗(yàn)及其結(jié)構(gòu)、認(rèn)知風(fēng)格和解悟認(rèn)知等5個(gè)小系統(tǒng)組成。這五個(gè)小系統(tǒng)中還可細(xì)分為更小的組成部分。認(rèn)知結(jié)構(gòu)的功能不等于各部分功能的簡(jiǎn)單加和。在學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程中，認(rèn)知結(jié)構(gòu)的各組成部分之間存在復(fù)雜的相互影響和相互作用。這種復(fù)雜的作用說(shuō)明認(rèn)知結(jié)構(gòu)各組成部分之間存在極為復(fù)雜的非線(xiàn)性作用，而非簡(jiǎn)單的線(xiàn)性作用。

2.4 認(rèn)知結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在漲落

在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)受到很多信息的刺激，如文字、聲音、圖片等。在概念學(xué)習(xí)過(guò)程中，教師為學(xué)生提供了指向概念轉(zhuǎn)變的多種信息，創(chuàng)造出多元的對(duì)話(huà)活動(dòng)和情景。這些外在刺激能夠使學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)發(fā)生微漲落。微漲落通過(guò)非線(xiàn)性的相干作用和連鎖效應(yīng)不斷放大，當(dāng)達(dá)到一定的閾值時(shí)，學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)就會(huì)巨漲落。此時(shí)，概念發(fā)生轉(zhuǎn)變，認(rèn)知結(jié)構(gòu)的水平層次提高。因?yàn)殚撝凳强梢酝ㄟ^(guò)試探性嘗試找到的，因此在教學(xué)中具有操作性。

綜上所述，學(xué)生的概念認(rèn)知結(jié)構(gòu)具有耗散結(jié)構(gòu)特征，具備耗散結(jié)構(gòu)形成的必要條件。

3 耗散結(jié)構(gòu)理論視閾下的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)策略

概念轉(zhuǎn)變的過(guò)程類(lèi)似于耗散結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)過(guò)程，學(xué)生獲得生物學(xué)概念的過(guò)程實(shí)際上就是經(jīng)歷從“無(wú)序”的迷思概念概念轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝行颉钡目茖W(xué)概念的過(guò)程。因?yàn)楦拍钷D(zhuǎn)變是通過(guò)學(xué)生自組織實(shí)現(xiàn)的，因此教師在教學(xué)中需要?jiǎng)?chuàng)造學(xué)生概念轉(zhuǎn)變的必要條件，幫助學(xué)生自主構(gòu)建起對(duì)科學(xué)概念的理解，從而使學(xué)生實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變。

以高中生物學(xué)概念“細(xì)胞呼吸”為例，耗散結(jié)構(gòu)理論視閾下的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)策略可以按以下環(huán)節(jié)進(jìn)行。

3.1 充分了解學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的“無(wú)序”：迷思概念

學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的無(wú)序狀態(tài)是指學(xué)生所具有的迷思概念。迷思概念是學(xué)生在進(jìn)入課堂學(xué)習(xí)前所具有的對(duì)某事物或事件不完全合理的認(rèn)識(shí)、想法。學(xué)生迷思概念的無(wú)序體現(xiàn)在：（1） 迷思概念具有片面的、零碎的內(nèi)容，在知識(shí)聯(lián)系上缺乏適當(dāng)?shù)年P(guān)聯(lián)；（2） 學(xué)生面對(duì)情景不同的同一類(lèi)型問(wèn)題時(shí)，往往會(huì)有不同的解釋?zhuān)唬?） 有些迷思概念前后不一致，而有些迷思概念則十分穩(wěn)定，極難改變。在教學(xué)中，教師應(yīng)該調(diào)查和了解學(xué)生在學(xué)習(xí)“細(xì)胞呼吸”概念之前所具有的迷思概念，并做為教學(xué)的起點(diǎn)和突破口。

“細(xì)胞呼吸”屬于微觀的細(xì)胞水平的內(nèi)容，學(xué)生主要是通過(guò)教材和教師的介紹，獲得有關(guān)的了解。浙教版初中教材八年級(jí)下冊(cè)第三章第五節(jié)“生物的呼吸和呼吸作用”通過(guò)汽車(chē)內(nèi)部燃料與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的類(lèi)比，向?qū)W生介紹了動(dòng)物、植物和微生物體內(nèi)葡萄糖和氧氣發(fā)生反應(yīng)的呼吸作用過(guò)程。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)“細(xì)胞呼吸”具有以下迷思概念：

（1） 細(xì)胞呼吸是葡萄糖的氧化分解過(guò)程；

（2） 細(xì)胞呼吸的發(fā)生必須有氧氣的參與；

（3） 細(xì)胞呼吸的產(chǎn)物都是二氧化碳和水；

（4） 在動(dòng)物、植物和微生物的體內(nèi)都可以進(jìn)行葡萄糖與氧氣的反應(yīng)。

3.2 提出問(wèn)題，小組討論，暴露學(xué)生的不平衡狀態(tài)

社會(huì)建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào)概念的學(xué)習(xí)不應(yīng)只是強(qiáng)調(diào)個(gè)體心智的主動(dòng)建構(gòu)，而更應(yīng)該兼顧社群和集體中的對(duì)話(huà)、互動(dòng)和切磋。

在“細(xì)胞呼吸”的教學(xué)中，教師首先提出問(wèn)題：細(xì)胞呼吸是否就是指細(xì)胞內(nèi)葡萄糖和氧氣發(fā)生的生化反應(yīng)呢？然后，組織學(xué)生以小組形式進(jìn)行討論。因?yàn)槌踔薪滩闹袑?duì)呼吸作用介紹是通過(guò)類(lèi)比汽車(chē)燃料與氧氣反應(yīng)呈現(xiàn)的，所以導(dǎo)致很多學(xué)生堅(jiān)定地認(rèn)為細(xì)胞呼吸的底物只能是葡萄糖。雖然有些小組的學(xué)生回憶起初中階段提到的三大能源物質(zhì)，但是由于缺乏細(xì)胞呼吸明確的概念內(nèi)容，難以大膽做出假設(shè)性的推斷。此時(shí)，教師給出“細(xì)胞呼吸”的概念：細(xì)胞呼吸就是細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的將糖類(lèi)等有機(jī)物分解為無(wú)機(jī)物或小分子有機(jī)物，并且釋放出能量的過(guò)程。然后，組織學(xué)生再次討論。因?yàn)橛辛烁拍畹拿鞔_內(nèi)容作為依據(jù)，小組內(nèi)學(xué)生通過(guò)交流、討論，認(rèn)識(shí)到糖類(lèi)、脂肪、蛋白質(zhì)等物質(zhì)的氧化分解都屬于細(xì)胞呼吸的范疇。

接下來(lái)，教師引導(dǎo)學(xué)生一起對(duì)“細(xì)胞呼吸”的概念進(jìn)行解構(gòu)，找出概念的關(guān)鍵詞。教師對(duì)應(yīng)關(guān)鍵詞提出相應(yīng)的問(wèn)題，繼續(xù)讓學(xué)生小組討論，并說(shuō)出判斷依據(jù)（表1）。

學(xué)生對(duì)“分解”有不同的看法。教師可以提供有關(guān)化學(xué)知識(shí)作為“腳手架”，向?qū)W生解釋說(shuō)明：物質(zhì)分解的化學(xué)反應(yīng)沒(méi)有氧氣參加依然可以發(fā)生，依然會(huì)釋放能量。

為了進(jìn)一步幫助學(xué)生明確細(xì)胞呼吸的底物可以是多種類(lèi)型的有機(jī)物，教師可以呈現(xiàn)糖類(lèi)、脂肪和蛋白質(zhì)等食物分子分解的過(guò)程示意圖。

通過(guò)對(duì)“細(xì)胞呼吸”概念的解構(gòu)，教師可以幫助學(xué)生梳理出概念的關(guān)鍵要素，然后對(duì)應(yīng)概念的關(guān)鍵要素，設(shè)置相應(yīng)的問(wèn)題，讓學(xué)生在對(duì)問(wèn)題的思考和解決過(guò)程中加深對(duì)概念的整體理解。

3.3 通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)和反例，促使“漲落”，實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變

耗散結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為漲落是耗散結(jié)構(gòu)的觸發(fā)器。漲落只有出現(xiàn)在遠(yuǎn)離平衡態(tài)的區(qū)域時(shí)，才起到觸發(fā)器的作用。因此，教師在暴露出學(xué)生的不平衡狀態(tài)后，應(yīng)進(jìn)一步創(chuàng)造條件促進(jìn)其概念認(rèn)知結(jié)構(gòu)的漲落。

對(duì)于細(xì)胞呼吸是否需要氧氣的問(wèn)題，教師可以讓學(xué)生進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)——“探究酵母菌的細(xì)胞呼吸的方式”。學(xué)生通過(guò)自主設(shè)置有氧條件和無(wú)氧條件，探究并檢測(cè)酵母菌在不同條件下的呼吸產(chǎn)物，最終得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：酵母菌在有氧條件下產(chǎn)生二氧化碳和水；在無(wú)氧條件下產(chǎn)生二氧化碳和乙醇。學(xué)生通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)真實(shí)經(jīng)歷了的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，認(rèn)識(shí)到細(xì)胞呼吸在有氧和無(wú)氧條件下都可以發(fā)生。因?yàn)橛兄庇^、真切的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生“小漲落”形成“巨漲落”，從而推翻了之前的觀點(diǎn)：① 細(xì)胞呼吸的發(fā)生必須有氧氣的參與；② 細(xì)胞呼吸的產(chǎn)物都是二氧化碳和水。

為了進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生的理解，教師繼續(xù)提供反例材料：乳酸菌在無(wú)氧條件下可以使牛奶發(fā)酵成酸牛奶或奶酪。在此過(guò)程中乳酸菌能夠?qū)⑵咸烟前l(fā)酵成乳酸，具體反應(yīng)如下：C6H12O6→2C3H6O3（乳酸）+少量能量。學(xué)生通過(guò)分析，拓展了“細(xì)胞呼吸”的概念外延。學(xué)生通過(guò)總結(jié)，認(rèn)識(shí)到在無(wú)氧條件細(xì)胞呼吸的產(chǎn)物可以是乙醇和二氧化碳，也可以是乳酸，呼吸產(chǎn)物的種類(lèi)取決于生物的類(lèi)型。

教師繼續(xù)提供專(zhuān)性好氧菌的例子：有些細(xì)菌如銅綠假單胞菌、放線(xiàn)菌等必須在較高濃度分子氧的條件下才能生長(zhǎng)，它們有完整的呼吸鏈，以分子氧作為最終氫受體，沒(méi)有氧氣則不能生長(zhǎng)。通過(guò)讓學(xué)生閱讀這樣的材料，他們能夠發(fā)現(xiàn)有些微生物只能進(jìn)行需氧呼吸，從幫助拓展對(duì)細(xì)胞呼吸的認(rèn)識(shí)。

此時(shí)，教師繼續(xù)追問(wèn)：動(dòng)物、植物和微生物都可以進(jìn)行葡萄糖與氧氣的反應(yīng)嗎？再次，組織學(xué)生進(jìn)行小組討論，然后發(fā)表觀點(diǎn)。經(jīng)過(guò)之前的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以比較充分地做出判斷：動(dòng)物和植物可以進(jìn)行需氧呼吸和厭氧呼吸；有些微生物既可以進(jìn)行有氧呼吸，又可以進(jìn)行厭氧呼吸，有些微生物只能進(jìn)行需氧呼吸或厭氧呼吸。

3.4 建構(gòu)概念圖，促進(jìn)學(xué)生的自組織

概念轉(zhuǎn)變是學(xué)生內(nèi)部認(rèn)知結(jié)構(gòu)自組織的過(guò)程。概念轉(zhuǎn)變需要學(xué)生構(gòu)建起完整的概念框架。概念圖作為學(xué)生概念組織的體現(xiàn)和概念水平的評(píng)價(jià)途徑，可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)概念認(rèn)知水平的提高。

教師引導(dǎo)學(xué)生先進(jìn)行組間討論交流，小組合作畫(huà)出“細(xì)胞呼吸”的概念圖，然后各小組之間補(bǔ)充、修正，最終形成完整的概念圖（圖1）。

3.5 跟蹤式的鞏固練習(xí)或變式訓(xùn)練，維持科學(xué)概念的穩(wěn)定理解

耗散結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為耗散結(jié)構(gòu)需要持續(xù)的能量和信息的輸入才能保持其有序狀態(tài)。因此在概念教學(xué)中，長(zhǎng)期跟蹤式的鞏固練習(xí)或變式訓(xùn)練是極為必要。這樣的長(zhǎng)期鞏固復(fù)習(xí)能保證科學(xué)概念水平的穩(wěn)定，防止學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的理解回到迷思概念的狀態(tài)。

鞏固練習(xí)或變式訓(xùn)練可以是對(duì)“細(xì)胞呼吸”某個(gè)概念要素的考查。這種類(lèi)型的考查能夠幫助學(xué)生對(duì)概念關(guān)鍵要素的復(fù)習(xí)和理解。另外，鞏固練習(xí)或變式訓(xùn)練可也可以是開(kāi)放的問(wèn)題，例如細(xì)胞呼吸的意義是什么。這樣的問(wèn)題只有在學(xué)生了解細(xì)胞呼吸的反應(yīng)物、過(guò)程和產(chǎn)物后才能做出回答，從而促進(jìn)學(xué)生對(duì)概念的復(fù)習(xí)和理解。教師還可以提出：“動(dòng)物、植物和微生物的細(xì)胞呼吸的異同點(diǎn)有哪些？”這樣的問(wèn)題要求學(xué)生對(duì)整個(gè)細(xì)胞呼吸的過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)復(fù)習(xí)，回扣以往的知識(shí)點(diǎn)。這就保證對(duì)概念的持續(xù)穩(wěn)定理解。

4 小結(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論視閾下的概念轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變教學(xué)不是讓學(xué)生僅僅記住概念的內(nèi)容或概念涉及的一些生物學(xué)事實(shí)，而是要幫助學(xué)生摒棄迷思概念，并理解科學(xué)概念所包含的某些生物學(xué)事實(shí)的總體特征和規(guī)律的東西。教師需要?jiǎng)?chuàng)造概念轉(zhuǎn)變的條件，不斷地引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，促進(jìn)漲落和學(xué)生自組織，建構(gòu)起合理的概念框架，最終促使學(xué)生從迷思概念到科學(xué)概念的概念轉(zhuǎn)變。為了保證學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的持續(xù)穩(wěn)定的理解，教師需要提供多元的問(wèn)題解決情景，長(zhǎng)期跟進(jìn)關(guān)注學(xué)生的概念水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳彤.耗散結(jié)構(gòu)理論的自組織方法論研究[J].科學(xué)技術(shù)與辯證法.1998，15（6）：19-24.

[2] 鐘啟泉.知識(shí)建構(gòu)與教學(xué)創(chuàng)新——社會(huì)建構(gòu)主義知識(shí)論及其啟示[J].全球教育展望.2006，35（8）：12-18.

[3] 李紅.論認(rèn)知結(jié)構(gòu)——系統(tǒng)的分析[J].心理學(xué)探新.1988， （4）：45-48.

[4] 彭聰.我國(guó)概念轉(zhuǎn)變教學(xué)策略的研究綜述[J].教育導(dǎo)刊. 2015，（9）：54-57.