“三重表征”理論在生物學(xué)基因分離定律教學(xué)中的實(shí)踐

閆白洋

摘? ?要“三重表征”中宏觀、微觀和符號(hào)的表征及相互轉(zhuǎn)化對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維有著重要的作用。本文以生物學(xué)科基因分離定律的教學(xué)為例，介紹“三重表征”在教學(xué)中的體現(xiàn)，并指出在基因分離定律教學(xué)中可采取“宏觀切入-微觀分析-符號(hào)表征”和“符號(hào)表征-微觀預(yù)測(cè)-宏觀驗(yàn)證”的方式，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。

關(guān)鍵詞? 三重表征 科學(xué)思維 基因分裂

隨著各個(gè)學(xué)科《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的頒布，新一輪的教學(xué)改革拉開了帷幕。此次教學(xué)改革圍繞“立德樹人”的根本任務(wù)，在學(xué)科教學(xué)中發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。生物學(xué)核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)探究、科學(xué)思維和社會(huì)責(zé)任。其中科學(xué)思維是支持學(xué)生獲取新知識(shí)，使用新知識(shí)，形成生命觀念和科學(xué)探究所必需的品質(zhì)。因此，庫(kù)恩認(rèn)為，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維是教育的核心，也是發(fā)展學(xué)生智力的目標(biāo)[1]。本文嘗試以基因分離定律的教學(xué)為例，利用“三重表征”理論進(jìn)行提升學(xué)生科學(xué)思維的教學(xué)實(shí)踐，希望為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的教學(xué)提供參考。

一、“三重表征”理論在生物學(xué)科教學(xué)應(yīng)用的依據(jù)

表征是認(rèn)知心理學(xué)的核心概念之一。表征系統(tǒng)是人們知覺(jué)和認(rèn)識(shí)世界的一套規(guī)則。著名認(rèn)知心理學(xué)家布魯納認(rèn)為，表征方式包括：表征直接觀察的現(xiàn)象、通過(guò)“遷移”方式表征物體或事件、利用符號(hào)來(lái)表征現(xiàn)象或原理。布魯納認(rèn)為，學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程就是通過(guò)直接觀察到“遷移”表征到符號(hào)表征的發(fā)展過(guò)程，是表征系統(tǒng)逐漸形成并完善的過(guò)程[2]。這一理論是符合人類認(rèn)知發(fā)展規(guī)律的。

“三重表征”理論是由蘇格蘭格拉斯哥大學(xué)科學(xué)教育中心的約翰斯頓教授提出的，認(rèn)為化學(xué)課程的學(xué)習(xí)要注重宏觀、微觀和符號(hào)三個(gè)水平，以及相互之間的轉(zhuǎn)化。約翰斯頓還認(rèn)為，生物、物理等課程的學(xué)習(xí)也可以應(yīng)用“三重表征”理論[3]。生物學(xué)科是一門研究生命現(xiàn)象及其規(guī)律的學(xué)科，不僅要研究生命的形態(tài)、行為等可觀察的宏觀現(xiàn)象，也要研究解釋宏觀現(xiàn)象的細(xì)胞、分子等微觀現(xiàn)象，并要用特有的生物學(xué)符號(hào)進(jìn)行表征。生物學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)決定了生物學(xué)科的學(xué)習(xí)必然要從宏觀、微觀和符號(hào)等水平進(jìn)行多重探究，進(jìn)而形成宏觀、微觀和符號(hào)的“三重表征”，并建立三者之間的聯(lián)系及轉(zhuǎn)化（見圖1）。

二、“三重表征”理論在生物學(xué)科中的體現(xiàn)

對(duì)于生物學(xué)科學(xué)習(xí)而言，“三重表征”是指“宏觀-微觀-符號(hào)”三類知識(shí)在頭腦中的加工過(guò)程和儲(chǔ)存形式。一方面，它是認(rèn)知結(jié)果在大腦中的儲(chǔ)存形式[4]。另一方面，它是學(xué)生在大腦中構(gòu)建、組合、表示當(dāng)前學(xué)習(xí)的知識(shí)，并將其組成有機(jī)整體，形成內(nèi)在聯(lián)系的認(rèn)知活動(dòng)過(guò)程[5]。在此過(guò)程中，學(xué)生要能夠基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法進(jìn)行論證和探究，這正是生物學(xué)核心素養(yǎng)中科學(xué)思維的實(shí)質(zhì)。如果學(xué)生利用“三重表征”理論進(jìn)行生物學(xué)概念的學(xué)習(xí)與建構(gòu)，并熟練地利用恰當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行微觀、宏觀和符號(hào)信息的轉(zhuǎn)化，必然能夠促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維能力的提升，更有效地掌握知識(shí)，分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。

1.宏觀表征

宏觀表征是宏觀現(xiàn)象在學(xué)生大腦中的呈現(xiàn)方式，包括可觀察的宏觀事物或現(xiàn)象。生物學(xué)科中的宏觀表征是由生活中的生命現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)結(jié)果在學(xué)生頭腦中的反映形成的。例如，秋冬季節(jié)植物葉片變成黃色，黃山迎客松的向光生長(zhǎng)，不同溫度（pH）下淀粉、淀粉酶和碘液混合后出現(xiàn)的顏色差異，去除大腦的牛蛙腳趾放入鹽酸中的反應(yīng)，黃色圓粒豌豆和綠色皺粒豌豆雜交后代的表現(xiàn)型等。宏觀表征是由學(xué)生通過(guò)觀察、實(shí)驗(yàn)等方式獲得的宏觀的生物學(xué)現(xiàn)象，能夠引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的探究潛力。宏觀表征的具體性，使學(xué)生在真實(shí)問(wèn)題情境中很容易識(shí)別和再現(xiàn)。

2.微觀表征

微觀表征是微觀現(xiàn)象在學(xué)生大腦中的呈現(xiàn)方式，在生物學(xué)科中主要是指不能通過(guò)直接觀察或?qū)嶒?yàn)獲得的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、分子組成、化學(xué)反應(yīng)和機(jī)理等微觀信息在學(xué)生大腦中的反應(yīng)。微觀表征不是簡(jiǎn)單的現(xiàn)象描述，而是理性地、深入地對(duì)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和理解，它是在認(rèn)知概念基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)科學(xué)探究實(shí)現(xiàn)的。在此過(guò)程中，歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等科學(xué)思維至關(guān)重要。微觀表征的形成是宏觀表征由感性向理性思維的上升。例如，秋冬季節(jié)植物葉片變成黃色的微觀解釋是葉肉細(xì)胞中4種色素含量受溫度影響差異，黃山迎客松的向光生長(zhǎng)微觀解釋是單側(cè)光下生長(zhǎng)素向背光側(cè)運(yùn)輸，不同溫度（pH）下淀粉、淀粉酶和碘液混合后出現(xiàn)的顏色差異的微觀解釋是淀粉酶在不同溫度（pH）下蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)變化等。

3.符號(hào)表征

符號(hào)表征是用符號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息在學(xué)生大腦中的呈現(xiàn)，具有抽象性和概括性，是較為高級(jí)的表征方式。在生物學(xué)科中，符號(hào)表征主要是利用生物學(xué)特有的字母、圖形等符號(hào)表示宏觀或微觀現(xiàn)象和規(guī)律。符號(hào)表征是將宏觀和微觀信息抽象、概括為最簡(jiǎn)煉的符號(hào)信息。例如，DNA→mRNA→蛋白質(zhì)（遺傳信息的表達(dá)）、XBXb×XBY→F1：XBXB∶XBXb∶XBY∶XbY=1∶1∶1∶1、光合作用暗反應(yīng)符號(hào)表征（見圖2）等。生物符號(hào)是用簡(jiǎn)潔的方式記載著豐富的生物學(xué)知識(shí)與信息，用直觀的形式揭示著生命體內(nèi)變化的規(guī)律和機(jī)理，只有準(zhǔn)確地利用生物學(xué)符號(hào)對(duì)生物學(xué)宏觀和微觀現(xiàn)象進(jìn)行分析和表達(dá)，才能更好地建構(gòu)生物學(xué)科知識(shí)，提升學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)。

三、“三重表征”理論在生物學(xué)科中的教學(xué)實(shí)踐

基因的分離定律是《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》模塊2中大概念“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”的內(nèi)容，也是上?！渡茖W(xué)》教材第三冊(cè)第八章的內(nèi)容，在高中生物教學(xué)中有著重要的地位。此節(jié)內(nèi)容首先通過(guò)觀察、閱讀和實(shí)驗(yàn)等手段獲得紫花豌豆和白花豌豆雜交試驗(yàn)后代表現(xiàn)型的宏觀事件，運(yùn)用遺傳信息、減數(shù)分裂等微觀信息分析與解釋宏觀事實(shí)，并利用符號(hào)進(jìn)行表達(dá)。其次，根據(jù)基因分離定律，結(jié)合微觀信息和符號(hào)表達(dá)對(duì)雜交結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)等方法對(duì)預(yù)測(cè)進(jìn)行宏觀證實(shí)或證偽。最后，編擬一套生物學(xué)符號(hào)或術(shù)語(yǔ)來(lái)表示基因分離定律的事實(shí)、規(guī)律與理論。綜上分析，在基因的分離定律教學(xué)中可以采取“宏觀切入—微觀分析—符號(hào)表征”和“符號(hào)表征—微觀預(yù)測(cè)—宏觀驗(yàn)證”的生物學(xué)知識(shí)表征方式及相互轉(zhuǎn)化方式，在此過(guò)程中促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。

1.宏觀切入—微觀分析—符號(hào)表征

基因分離定律教學(xué)設(shè)計(jì)均以學(xué)生為主體，教師的作用是提供資源、評(píng)價(jià)、矯正，重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生科學(xué)思維方式的提升。首先，根據(jù)教師提供的“孟德爾試驗(yàn)中的紫花豌豆和白花豌豆雜交的試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果”等多個(gè)一對(duì)相對(duì)性狀的雜交試驗(yàn)，展示方式可以是動(dòng)畫或者圖片，學(xué)生歸納概括，表述一對(duì)相對(duì)性狀雜交試驗(yàn)的規(guī)律，并進(jìn)行宏觀表征，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到生物學(xué)規(guī)律或概念都是基于科學(xué)事實(shí)經(jīng)過(guò)論證形成的。然后，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)基因本質(zhì)、基因通過(guò)控制蛋白質(zhì)合成控制生物性狀、等位基因位于同源染色體上、減數(shù)分裂中同源染色體的行為、減數(shù)分裂形成配子過(guò)程、精卵隨機(jī)結(jié)合的受精過(guò)程等微觀現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生利用推理與演繹、批判與創(chuàng)造等科學(xué)思維方式對(duì)宏觀現(xiàn)象進(jìn)行解釋，形成微觀表征。最后，利用“P”“×”“？茚”“F1”“F2”“→”等遺傳學(xué)獨(dú)特的符號(hào)進(jìn)行符號(hào)表征一對(duì)相對(duì)性狀雜交試驗(yàn)的過(guò)程與機(jī)理。具體教學(xué)流程見圖3。

2.符號(hào)表征—微觀預(yù)測(cè)—宏觀驗(yàn)證

通過(guò)“三重表征”之間轉(zhuǎn)化實(shí)踐基因分離定律的驗(yàn)證。首先，以孟德爾的高莖豌豆和矮莖豌豆測(cè)交試驗(yàn)為資料設(shè)計(jì)真實(shí)情境，學(xué)生在問(wèn)題情境中運(yùn)用適當(dāng)?shù)乃季S方法進(jìn)行情境問(wèn)題的符號(hào)表征。然后，利用基因分離定律、基因本質(zhì)、減數(shù)分裂時(shí)染色體的行為、雌雄配子隨機(jī)結(jié)合、細(xì)胞的分裂與分化等微觀信息對(duì)情境中子一代高莖與矮莖進(jìn)行雜交，后代高莖和矮莖的比例進(jìn)行預(yù)測(cè)、表達(dá)和闡明其內(nèi)涵。最后，利用真實(shí)的子一代高莖和矮莖雜交試驗(yàn)結(jié)果∶高莖豌豆30株，矮莖豌豆34株，結(jié)果接近1∶1，通過(guò)宏觀表征進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。具體教學(xué)流程見圖4。

四、“三重表征”理論教學(xué)實(shí)踐反思

在基因分離定律教學(xué)中，“宏觀—微觀—符號(hào)”三重表征及相互轉(zhuǎn)化需要學(xué)生在新的問(wèn)題情境中，基于事實(shí)和證據(jù)，采用歸納與概括、演繹與推理等適當(dāng)?shù)目茖W(xué)思維方法去宏觀表征、微觀表征，并相互轉(zhuǎn)化，從而揭示基因的分離定律，同時(shí)利用遺傳學(xué)符號(hào)進(jìn)行表征和表達(dá)，闡明其內(nèi)涵。經(jīng)過(guò)課堂教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，“三重表征”理論的教學(xué)能夠促進(jìn)學(xué)生知識(shí)的結(jié)構(gòu)化，激發(fā)學(xué)生的探究意識(shí)，提升學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)。

在生物學(xué)教學(xué)中，除了基因分離定律之外，膝跳反射的原理、中心法則及補(bǔ)充、伴性遺傳定律、基因的自由組合定律、基因的連鎖互換定律、微生物抑菌過(guò)程等內(nèi)容均涉及到宏觀、微觀和符號(hào)的表征及相互轉(zhuǎn)化。因此，“三重表征”理論在生物學(xué)教學(xué)中具有重要價(jià)值，需要一線教師不斷地去探索、實(shí)踐和完善。

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【責(zé)任編輯? 郭振玲】