基于心理旋轉(zhuǎn)的小學(xué)生物進化樹教學(xué)實驗報告

孔 藝,王 蕾,倪錦月

一、引言

進化樹,又稱系統(tǒng)發(fā)育樹,它以樹狀分支圖的形式展現(xiàn)了地球上物種的進化歷程以及親緣關(guān)系,[1]是達爾文共同祖先說的直接體現(xiàn),即地球上所有現(xiàn)存物種具有共同祖先,物種之間的親緣關(guān)系體現(xiàn)為呈輻射狀串起的進化樹。[2]讀懂進化樹是真正理解生物進化的必要條件。[3]小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準中列出的學(xué)習(xí)生物分類、了解動物與植物之間的相互關(guān)系以及認識生物的多樣性等均是生物進化的重要內(nèi)容。[4]然而生物進化的教學(xué)內(nèi)容較為抽象,僅通過教師的講解和教材中各種實例和圖片的呈現(xiàn),很難真正幫助學(xué)生進一步理解生物進化。[5]引入進化樹的教學(xué)一方面可以幫助學(xué)生組織生物多樣性的知識框架,[6]另一方面通過進化樹這種形象和直觀的形式可以促進學(xué)生理解生物進化的本質(zhì),有助于學(xué)生形成科學(xué)的思維方式、樹立科學(xué)的世界觀。[7]

我國關(guān)于進化樹教學(xué)方面的研究較少,目前已有研究者關(guān)注到解讀進化樹需要根據(jù)共同祖先的原則,[8]呼吁重視解讀進化樹所需要的“樹式思維”對進化論教育的作用,[9]然而當(dāng)前我國尚未重視進化樹在生物進化教學(xué)中的重要作用。為幫助小學(xué)生真正理解生物進化,依據(jù)當(dāng)前進化樹教學(xué)的研究成果,本研究制定了適用于小學(xué)階段的進化樹教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容和教學(xué)策略,并采用單組前后測設(shè)計檢驗其教學(xué)效果,以期為小學(xué)階段開展進化樹教學(xué)提供參考。

二、小學(xué)進化樹教學(xué)實驗設(shè)計

(一)實驗?zāi)Ｊ?/h3>

本研究采用單組前后測設(shè)計,實驗的自變量為基于心理旋轉(zhuǎn)的教學(xué)活動,因變量為學(xué)生的測驗成績。實驗程序分為四步:第一,對所有參與實驗的學(xué)生進行第一次測驗;第二,對實驗組學(xué)生開展進化樹教學(xué),對照組學(xué)生不參與教學(xué);第三,對所有參與實驗的學(xué)生采用同套測驗卷進行第二次測驗;第四,進行數(shù)據(jù)分析,檢測基于心理旋轉(zhuǎn)的進化樹教學(xué)的教學(xué)效果。

(二)實驗樣本

本研究選取東南部某市兩所市屬公立學(xué)校M小學(xué)和Q小學(xué)5—6年級的小學(xué)生,以班級為單位參與實驗。為控制無關(guān)變量的影響,所選取的實驗組與對照組需滿足前測成績并無顯著性差異。共計73名實驗組學(xué)生和68名對照組學(xué)生符合實驗要求。

(三)教學(xué)設(shè)計

1.教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容

本研究依據(jù)當(dāng)前國際上進化樹教學(xué)的研究成果,結(jié)合國內(nèi)課程標(biāo)準要求及學(xué)生發(fā)展特點制定小學(xué)進化樹教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容。Kong等人構(gòu)建了一個適用于基礎(chǔ)教育階段以及大學(xué)低年級階段的進化樹知識體系MUET模型,[10]該模型較為全面且系統(tǒng)地介紹了讀懂進化樹所需的知識模塊,是本研究選擇進化樹教學(xué)內(nèi)容的依據(jù)。Halverson等人[11]建議進化樹教學(xué)應(yīng)包含解讀單棵進化樹和比較多棵進化樹兩個環(huán)節(jié),同時Halverson[12]發(fā)現(xiàn)扭扭棒適合作為進化樹教學(xué)的教具,這些建議均被本研究采納。

依據(jù)我國小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準的要求以及小學(xué)階段學(xué)生思維邏輯性和心理旋轉(zhuǎn)能力發(fā)展的具體特征,本研究選取MUET中“樹的表現(xiàn)形式”和“樹式思維”兩大知識模塊作為教學(xué)內(nèi)容,引導(dǎo)學(xué)生認識單棵進化樹的組成部分,運用“樹式思維”的方法解讀和比較進化樹間的關(guān)系,形成進化樹教學(xué)的目標(biāo)及內(nèi)容(見表1)。小學(xué)進化樹教學(xué)包含三個教學(xué)模塊:“認識進化樹的組成部分”“解讀進化樹”“比較各進化樹之間的關(guān)系”,各模塊教學(xué)內(nèi)容之間具備階段性、關(guān)聯(lián)性與連續(xù)性,其中“解讀進化樹”教學(xué)模塊是進化樹教學(xué)的核心。

表1 進化樹教學(xué)的目標(biāo)及內(nèi)容

2.教學(xué)策略及過程設(shè)計

(1)教學(xué)模塊一:認識進化樹的組成部分

A.結(jié)合生活情境,認識進化樹的內(nèi)涵

建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)理論表明,教學(xué)要將學(xué)生已有知識作為新知識的生長點,并強調(diào)學(xué)習(xí)的情境性。教學(xué)中可借助生活化的例子幫助學(xué)生理解抽象的進化樹概念。通過展示人類進化歷程和黑猩猩、大猩猩、獼猴等現(xiàn)存人類近親的圖片,設(shè)問:“什么方式既能展現(xiàn)我們?nèi)祟惖倪M化歷程又能展示人類與黑猩猩、大猩猩、獼猴等物種之間的親緣關(guān)系呢?”用以了解學(xué)生的知識基礎(chǔ),并引出進化樹的概念。這樣以學(xué)生熟悉的人類進化歷程及其近親為例,引入進化樹的抽象概念,使教學(xué)自然過渡到新知識的學(xué)習(xí)。

B.運用視覺感知,認識進化樹的組成部分

建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)理論強調(diào)學(xué)習(xí)是學(xué)生主動構(gòu)建知識的過程。進化樹是一種典型的視覺表征,學(xué)生需要觀察進化樹及其組成部分,在教師指導(dǎo)下,聯(lián)系已有知識經(jīng)驗,認識和理解進化樹組成部分及其內(nèi)涵。

教學(xué)中,教師先后展示圖1所示的兩棵進化樹,先介紹進化樹一般由根、分支、節(jié)點、末端四個部分組成,再分析各組成部分的基本內(nèi)涵。圖1A所示的進化樹展現(xiàn)了甲、乙、丙之間的親緣關(guān)系,進化樹的末端甲、乙、丙表示現(xiàn)存物種,節(jié)點表示乙與丙的最近共同祖先,根表示進化樹上所有物種的共同祖先,即甲、乙、丙的共同祖先,分支表示連接物種與節(jié)點及根的線段。教學(xué)中讓學(xué)生先學(xué)習(xí)圖1A再學(xué)習(xí)圖1B,通過增加進化樹的復(fù)雜性來幫助學(xué)生深入理解進化樹各組成部分的內(nèi)涵。

圖1 進化樹及其組成部分

(2)教學(xué)模塊二:解讀進化樹

A.創(chuàng)設(shè)問題情境,引發(fā)學(xué)生的深度思考

建構(gòu)主義的學(xué)生觀認為,在知識學(xué)習(xí)和問題探究中,學(xué)生間的交流與質(zhì)疑是重要的學(xué)習(xí)資源。學(xué)生的學(xué)習(xí)和生活經(jīng)驗不同,一個問題可能會引出各種不同觀點,進而激發(fā)學(xué)生思考與交流。教師提供一棵展現(xiàn)鯨、人與魚親緣關(guān)系的進化樹,并提問鯨與誰的親緣關(guān)系更近。有學(xué)生根據(jù)鯨和魚的外形相似,認為鯨和魚的親緣關(guān)系比鯨和人的親緣關(guān)系近,還有學(xué)生根據(jù)鯨與人都屬于哺乳動物而持相反的觀點。教師引導(dǎo)學(xué)生在尊重他人觀點的基礎(chǔ)上進行辯論,這有利于激發(fā)學(xué)生的好奇心,引發(fā)學(xué)生深度思考,同時也可鍛煉學(xué)生在民主的氛圍下與他人相處的能力。

B.關(guān)注前概念的影響,通過認知沖突促進科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變

“前概念”也稱“前科學(xué)概念”,是學(xué)生在日常生活中對客觀世界中自然現(xiàn)象產(chǎn)生的看法,認識和合理地運用學(xué)生的“前概念”是建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論運用于科學(xué)教學(xué)的重要原則之一。[13]教師在教學(xué)中首先使用甲、乙、丙、丁等來代替進化樹上具體的物種,這樣可以排除前概念帶來的干擾。然后引入姐妹群和外群的概念。姐妹群是指進化樹上親緣關(guān)系最近的兩個物種,外群是指進化樹上與其他物種親緣關(guān)系最遠的物種。教師以圖1B為例,引導(dǎo)學(xué)生識別丙與丁為姐妹群、甲為外群,并引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)物種之間最近的共同祖先來解讀進化樹上物種之間的親緣關(guān)系遠近。最后,教師再次展示體現(xiàn)鯨、人與魚親緣關(guān)系的進化樹,讓學(xué)生依據(jù)最近共同祖先、姐妹群和外群等概念重新解讀三者之間的親緣關(guān)系。同時教師讓學(xué)生帶入自己的前概念,例如,“鯨與魚都生活在水里”“鯨與人都屬于哺乳動物”等,再次解讀進化樹,引發(fā)學(xué)生的認知沖突,通過新、舊知識和經(jīng)驗之間的相互作用,促進學(xué)生從前概念向科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變,形成正確解讀進化樹的能力。

(3)教學(xué)模塊三:比較各進化樹之間的關(guān)系

A.通過動手操作,獲取分支旋轉(zhuǎn)的知覺經(jīng)驗

由于小學(xué)生正處于形象思維向抽象思維發(fā)展的階段,在理解抽象概念和意義時需要借助直接經(jīng)驗。教學(xué)中使用合適的工具為學(xué)生提供將進化樹轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸嵤澜缰锌刹僮鞯氖挛?讓學(xué)生獲取知覺經(jīng)驗,為學(xué)生利用心理旋轉(zhuǎn)在頭腦中想象出進化樹分支旋轉(zhuǎn)的過程及結(jié)果打下基礎(chǔ)。教師首先展示教具扭扭棒(如圖2A),將其類比為展現(xiàn)蛇、鱷魚、鳥、雞親緣關(guān)系的進化樹,讓學(xué)生知道每個顏色代表的物種,然后向?qū)W生展示分支旋轉(zhuǎn)的方法,即分支繞節(jié)點旋轉(zhuǎn)(預(yù)期成果如圖2B)。教師要求學(xué)生按照分支旋轉(zhuǎn)的方法,手動旋轉(zhuǎn)扭扭棒,用黑筆在白紙上畫出分支旋轉(zhuǎn)后的進化樹的表現(xiàn)形式,并挑選學(xué)生在黑板上分享自己所畫的進化樹,力求黑板上呈現(xiàn)進化樹的各種不同表現(xiàn)形式。

圖2 進化樹教具扭扭棒的旋轉(zhuǎn)實例

B.運用心理旋轉(zhuǎn),比較各進化樹之間的關(guān)系

心理旋轉(zhuǎn)是人在頭腦中對表象進行旋轉(zhuǎn)的過程,[14]利用心理旋轉(zhuǎn)能力可以在頭腦中對進化樹的分支進行旋轉(zhuǎn),為比較不同進化樹間的關(guān)系打下基礎(chǔ)。通過上一階段的動手操作,學(xué)生獲得一定的知覺經(jīng)驗,本階段需要引導(dǎo)學(xué)生運用心理旋轉(zhuǎn)能力,想象進化樹的分支旋轉(zhuǎn)的過程和結(jié)果,從而能夠理解分支旋轉(zhuǎn)后進化樹的親緣關(guān)系不變的概念。從上一階段學(xué)生分享的進化樹中,教師任意挑選其中兩棵(如圖3A和圖3B),并請學(xué)生描述圖3A轉(zhuǎn)換成圖3B的分支旋轉(zhuǎn)過程,引導(dǎo)學(xué)生從表現(xiàn)形式和親緣關(guān)系兩個角度,比較這兩棵進化樹間的異同,分析并得出“分支旋轉(zhuǎn)后進化樹展現(xiàn)的親緣關(guān)系不變”的結(jié)論。在學(xué)生已掌握一種類型進化樹的基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生運用知識遷移能力,解讀其他表現(xiàn)形式的進化樹,從而理解進化樹有多種表現(xiàn)形式。教師展示圖3C和圖3D,請學(xué)生比較這兩棵進化樹間的異同,再引導(dǎo)學(xué)生觀察黑板上所有的進化樹,得出“黑板上所有的進化樹都表達了相同的物種親緣關(guān)系”的結(jié)論,幫助學(xué)生理解進化樹有多種表現(xiàn)形式來展現(xiàn)相同的物種親緣關(guān)系。

圖3 展現(xiàn)蛇、鱷魚、雞與鳥親緣關(guān)系的進化樹的多種表現(xiàn)形式

(四)評價工具

1.測驗卷的編制

本研究采用終結(jié)性評價的方式,在課后采用自編測驗卷對學(xué)生的進化樹認知水平進行測驗,進化樹測驗卷命題內(nèi)容的選擇和題目分值的確定以進化樹教學(xué)的目標(biāo)及內(nèi)容為依據(jù),并根據(jù)安德森修訂的布魯姆認知教育目標(biāo)[15]確定測驗內(nèi)容的3個考查目標(biāo)層次:理解概念性知識、分析概念性知識、應(yīng)用程序性知識,最終形成10道測驗題,包含判斷題、簡答題和作圖題3個類型,總分24分。其中“認識進化樹的組成部分”考查分值為4分,占總體分值的16.67%;“解讀進化樹”考查分值為12分,占總體分值的50%;“比較各進化樹之間的關(guān)系”考查分值為8分,占總體分值的33.33%。

2.評分標(biāo)準的制定

該套自編測驗卷的簡答題和作圖題以SOLO分類評價理論作為依據(jù)。SOLO分類評價理論表明學(xué)生的認知發(fā)展具有5個水平,即前結(jié)構(gòu)、單點結(jié)構(gòu)、多點結(jié)構(gòu)、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)、抽象拓展。根據(jù)SOLO認知發(fā)展階段研究,[16]5—6年級的學(xué)生正發(fā)展多點結(jié)構(gòu)水平,因而在評分標(biāo)準設(shè)置中達到多點結(jié)構(gòu)水平及以上的學(xué)生可獲得滿分。當(dāng)學(xué)生所處的SOLO結(jié)構(gòu)水平越高,其聯(lián)系的相關(guān)知識就越多,得分就越高。具體來講,在簡答題中,處于前結(jié)構(gòu)水平得0分,處于單點結(jié)構(gòu)及以上水平的學(xué)生依據(jù)答案的完整性可得1—2分。

三、小學(xué)進化樹教學(xué)的實驗結(jié)果分析

(一)實驗組與對照組的前后測成績比較

通過比較實驗組和對照組前后測成績發(fā)現(xiàn):實驗組后測成績(M=16.62,SD=3.234)顯著高于前測成績(M=11.27,SD=3.660)(t=-10.163,p=0.000<0.01),對照組前后測并無顯著變化(t=0.769,p=0.444>0.05)。這表明進化樹教學(xué)能顯著提高學(xué)生的進化樹認知水平。

通過分析實驗前后測各教學(xué)模塊的成績發(fā)現(xiàn),實驗組各個教學(xué)模塊的后測成績均顯著高于前測成績,而對照組各教學(xué)模塊的前后測成績無顯著變化(見表1)。這表明進化樹教學(xué)的各教學(xué)模塊均能有效達成教學(xué)目標(biāo)。其中,實驗組在“認識進化樹的組成部分”教學(xué)模塊前后測表現(xiàn)中,平均分和標(biāo)準差均有較大變化,學(xué)生的平均成績提高了,但是學(xué)生的成績分布相對來說更加離散,這表明學(xué)生對認識進化樹各組成部分的認知存在差異性。

表1 實驗組、對照組前后測各模塊成績比較(M±SD)

(二)實驗組學(xué)生不同認知目標(biāo)層面的前后測成績比較

通過比較實驗組學(xué)生在不同認知目標(biāo)層面的前后測得分情況發(fā)現(xiàn),學(xué)生在理解概念性知識認知目標(biāo)層面的后測成績均顯著高于前測成績(t=-12.244,p=0.000<0.001),在分析概念性知識認知目標(biāo)層面的后測成績均顯著高于前測成績(t=-3.892,p=0.000<0.001),在應(yīng)用程序性知識認知目標(biāo)層面的后測成績均顯著高于前測成績(t=-5.680,p=0.000<0.001),即學(xué)生在各認知層面均有提升。理解概念性知識認知目標(biāo)層面以簡答題作為考查類型題目,依據(jù)SOLO分類評價理論的評分標(biāo)準,學(xué)生所處的進化樹學(xué)習(xí)結(jié)果的結(jié)構(gòu)層次越高,其得分越高。因此,實驗組后測成績顯著高于前測成績表明,經(jīng)過教學(xué)干預(yù),實驗組學(xué)生中處于前結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生減少,處于單點結(jié)構(gòu)及以上水平的學(xué)生增多,這表明更多的學(xué)生已經(jīng)掌握了進化樹的基本概念并形成了解讀進化樹的能力。

在分析概念性知識認知目標(biāo)層面,學(xué)生僅在判斷不同類型進化樹表達的親緣關(guān)系的后測表現(xiàn)比前測表現(xiàn)有了顯著提高(t=-4.964,p=0.000<0.001),而在“解讀進化樹”教學(xué)模塊和判斷同一類型分支旋轉(zhuǎn)前后進化樹表達的親緣關(guān)系的前后測表現(xiàn)并無顯著變化(p>0.05)。由此可見,本次教學(xué)干預(yù)對分析相同類型進化樹上物種親緣關(guān)系的認知水平并無顯著提高,但是對分析不同類型進化樹上物種親緣關(guān)系的認知水平有顯著提高。這可能與學(xué)生使用已有的知識和經(jīng)驗來答題有關(guān)。例如,在判斷海獅、海豹、熊三者親緣關(guān)系時,學(xué)生基于自己已有的知識和經(jīng)驗也能準確判斷出物種間的關(guān)系。

學(xué)生在“應(yīng)用程序性知識”認知目標(biāo)層面成績顯著提高(t=-5.680,p=0.000<0.001),但學(xué)生的整體平均分較低。這表明處于單點結(jié)構(gòu)和多點結(jié)構(gòu)的學(xué)生數(shù)量有所增加,部分學(xué)生能夠在正確讀懂進化樹的基礎(chǔ)上畫出進化樹,能理解各種不同表現(xiàn)形式的進化樹之間的關(guān)系,具備繪制進化樹的能力。部分未得分學(xué)生可能未理解題意或者混淆了進化樹與真實的樹,即學(xué)生對題目的錯誤理解和學(xué)生已有的知識和經(jīng)驗可能是影響學(xué)生答題表現(xiàn)的因素。

四、總結(jié)與討論

本研究利用學(xué)生已有的生活經(jīng)驗向?qū)W生介紹進化樹的概念及其基本組成部分,通過合理利用學(xué)生的前概念幫助學(xué)生科學(xué)地認知進化樹上物種的親緣關(guān)系,經(jīng)歷動手操作和心理旋轉(zhuǎn)的過程使學(xué)生理解了不同表現(xiàn)形式的進化樹之間的關(guān)系。采用傳統(tǒng)測驗卷的方式用于評價進化樹教學(xué)的效果,幫助教師了解學(xué)生的進化樹認知水平。單因素等組前后測驗的實驗研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),依據(jù)本研究的進化樹教學(xué)設(shè)計進行教學(xué)能顯著提高小學(xué)5—6年級學(xué)生的進化樹認知水平,這為學(xué)生進一步理解生物進化打下了基礎(chǔ)。

雖然該進化樹教學(xué)設(shè)計可顯著提升學(xué)生的進化樹認知水平,但是在教學(xué)實踐中仍存在一定問題。第一,教具的使用問題。教學(xué)工具扭扭棒的使用激發(fā)了學(xué)生參與課堂的熱情,學(xué)生卻很難將分支正確圍繞節(jié)點進行旋轉(zhuǎn),不能準確地畫出分支旋轉(zhuǎn)后進化樹的表現(xiàn)形式。因此,教具的使用不能僅注重學(xué)生的親身參與和體驗,還應(yīng)建立起教具和教學(xué)內(nèi)容的進一步聯(lián)系,以幫助小學(xué)生正確理解進化樹的教學(xué)內(nèi)容。第二,教學(xué)目標(biāo)中對進化歷程重視不足。從學(xué)生的課堂和測驗表現(xiàn)來看,出現(xiàn)了表示現(xiàn)代物種的進化樹末端并未繪制在同一水平線上的問題,這可能與教學(xué)忽視了物種之間的進化歷程有關(guān)。因此教學(xué)不僅要重視進化樹上物種之間親緣關(guān)系的解讀,還應(yīng)注重解讀物種之間的進化歷程。第三,教學(xué)評價未完全排除前概念的干擾。在教學(xué)評價中出現(xiàn)了學(xué)生基于自己已有的知識和經(jīng)驗判斷物種親緣關(guān)系的可能,使得教師無法準確掌握學(xué)生解讀進化樹的真實能力。因此,在對學(xué)生解讀進化樹的能力進行評價時,有必要使用代碼或標(biāo)記來代替真實的物種,以避免學(xué)生前概念所帶來的干擾。

進化樹教學(xué)旨在通過使用進化樹這類視覺表征幫助學(xué)生進一步理解生物進化。雖然當(dāng)前國際上有較豐富的進化樹教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)建議,但缺乏制定不同發(fā)展階段的學(xué)習(xí)目標(biāo)的指導(dǎo)依據(jù),以及適應(yīng)不同發(fā)展階段的教學(xué)策略和教學(xué)工具,進化樹教學(xué)的連續(xù)性和拓展性還應(yīng)進一步研究。另一方面,進化樹的教學(xué)僅通過傳統(tǒng)課堂教學(xué)的方式是不夠的,還需利用自然博物館、動植物園、水族館、科技館等非正式教學(xué)環(huán)境,讓學(xué)生運用進化樹這一工具,深入認識物種之間的相互關(guān)系及理解生物的多樣性,促進學(xué)生科學(xué)知識的系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)化,發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力,進而提高其科學(xué)素養(yǎng)。