解剖前概念 促进科学概念的重建

黄伟文

摘 要 通过教学案例的分析，研究前概念的成因及对学习生物概念的影响，减少前概念的负迁移，实现概念的顺应或转化，促进科学概念的形成。

关键词 前概念 科学概念 解构 重建

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

前概念是学生在接触科学知识前，对现实生活现象所形成的经验型概念。有的前概念与科学知识相似、有的与科学知识相悖或不尽一致，但却广泛存在于每个人的思维中。如学习细胞周期概念时，学生头脑中有关的前概念会对新概念的学习产生影响。美国著名教育心理学家奥苏伯尔说：“影响学习最重要的因素是学生已经知道什么，我们应当根据学生前概念的状况去教学。”

1 教学案例：DNA的复制

1.1 引入前概念、建构模型、引发认知冲突

学生在学习“DNA的复制”这一节课之前，对于“复制”的概念并不是一张白纸，而是充满了影响学生观察和理解的各种关于“复制”的前概念。于是，教师请学生举例说出所了解的“复制”现象：如日常生活中在复印机上复印一张试卷，电脑里“复制”文件，用U盘来拷贝一首歌；生物体内细胞分裂过程中染色体的复制形成两条姐妹染色单体等。由此学生得出DNA复制的即一个亲代DNA形成两个相同子代DNA。

那么DNA以何种方式复制呢？——学习小组建构DNA复制的模型，具体要求包括：（1） 先用红色的脱氧核苷酸，构建一个亲代DNA的片段。（2） 以白色（或蓝色）的脱氧核苷酸为原料，构建合成两个子代DNA的片段，并说出自己所建构的DNA模型的理由。

学生进行小组合作，观察结果有两种复制的方式，请小组上黑板展示，如图1所示（即可概括为“半保留”和“全保留”）。

对于建构“半保留”复制模型，学生解释为：根据DNA的双螺旋结构，复制时DNA分子的双螺旋将解开，再根据碱基互补配对，形成子链，子链和原来对应的母链构成一个新的DNA分子，即为半保留复制，如图1A所示。对于建构“全保留”复制模型，甲小组解释为像染色体的复制一样，形成两条染色单体，一条是旧的，一条是新的；乙小组解释为就像复印资料一样，再复制出一个相同的DNA分子，其中一个是旧的DNA，一个是新的DNA，如图1B所示。

1.2 设计实验、验证假说、解构前概念

究竟DNA复制是半保留复制，还是全保留复制呢？

教师引导学生从最终的目的出发，目的是要去区分子代DNA中是否含有亲代的母链，即要把亲代链和子代链区分开。

学生甲：可以应用我们证明DNA是遗传物质时所用的同位素标记法。

教师：如果科学家用同位素15N标记亲代的链，用14N标记子代的链，结合图示半保留中子代DNA分子与亲代DNA分子的不同主要是分子质量的不同，那么如何区分子代DNA和亲代DNA的呢？

学生乙：用差速离心（密度梯度离心）。

教师：如何根据假说来预设实验结果呢？

学生讨论：首先把大肠杆菌放在15N的培养基上培养几代，再将大肠杆菌转移到14N的培养基中培养。然后，将提取的DNA进行密度梯度离心，记录离心后试管中DNA的位置。根据所建构不同模型预测离心后的实验结果（图2）。

教师：实验验证由梅塞尔森和斯塔尔以大肠杆菌为实验材料，运用同位素示踪技术和密度梯度离心技术，进行了实验，实验结果与半保留复制预期结果一样，在试管中出现了DNA的这三条带，从而证明了DNA的复制是半保留复制。

1.3 重构模型、认识本质、建构科学概念

DNA究竟如何进行半保留复制的呢？——引发学生对DNA复制过程本质的探究。

某学习小组合作，建构DNA半保留复制的模型。教师提出以下要求：① 建构模型的过程能体现出DNA半保留复制的过程；② 其他学生认真观察，注意指出建构过程中做得好的地方和存在的不足之处；③ 重新修改，建构自己的模型；④ 总结DNA复制的过程、条件、特点及DNA分子准确复制的原因。

该小组重构模型的成功之处：① 能把DNA的两条模板链解开作为模板；② 能进行碱基互补配对；③ 子代DNA中含有一条母链和一条子链。不足之处：DNA双链解开后，学生是从原料中找到一个基本单位后，即放在与模板链互补配对的位置，没有注意根据模板链的顺序，依次去找到相应的脱氧核苷酸与模板链配对。

学生在修改建构模型的基础上，再通过观察DNA复制的动画演示，总结DNA复制的过程、条件、特点及DNA准确复制的原因。① DNA复制过程：解旋以母链为模板配对合成子链，母链和子链形成子代DNA。② DNA复制的条件：模板（两条母链）、酶（解旋酶和DNA聚合酶）、原料（脱氧核苷酸）、能量（ATP）。③ DNA复制的特点：边解旋边复制、半保留地复制。④ DNA复制准确性的原因：DNA的双螺旋结构为复制提供精确的模板；碱基互补配对保证了复制的准确性。这样使学生对复制的知识结构在不断地完善，DNA复制的科学概念不断形成。

教师不回避学生认知中的前概念的影响，让学生在活动中体验、感受DNA复制与生活中“文件”等的复制不同，从而建构出DNA复制的科学概念。

2 前概念的形成原因和影响

建构主义学习理论认为学生已有的前概念大多来自于日常经验或以前的科学课程，是每个新知识学习的起点。当前概念和新概念相近时，会对新概念的学习产生一定的影响。

一方面，这种影响可能是积极的，新概念易被原有知识体系所融化，称为概念的同化。例如学生在已建立“无机催化剂”概念的基础上学习酶概念，很容易把新概念纳入原有认知系统的适当位置。学生认知系统中可利用的观念越多，新旧观念的性质越接近，就越容易发生同化，新概念的理解就会越容易。教师在教学中要充分利用这些学生已有的概念，使新概念与之建立联系，促进同化。

另一方面，已有概念对新概念学习的影响也可能是消极的，可能会成为生物学概念学习的障碍。例如糖的概念，有很多学生潜意识中认为都是甜的，同时认为甜的物质都是糖；水里游的是鱼；天上飞的是鸟；蘑菇是植物……这些错误概念对学生以后学习产生很大影响，是学生接受正确概念的障碍和阻力。

若教师并没有及时意识到学生的“前概念”，最容易在之后的教学中出现相减的结果。无疑，教师又得回头再进行复习与讲解，但此时学生思维中的相减模式已经存在，两者之间差别没有及时被区分，并且这种知识已经存在在学生的脑海中，有一定的根基。教师再去纠正，就有一定困难。

3 精心设计教学，促进前概念的转化和重建

学生对概念的认知来源广泛，复杂多样，前概念具有顽固性、自发性、隐蔽性和反复性的特点。要避免和消除前概念对学习的负迁移，教师必须精心设计教学活动，引导学生辨析、理解、厘清并内化概念的内涵和外延，从而促进学生对科学概念的重建。

3.1 缺陷的前概念，在暴露后完善

教学应首先是“诊断”，其次才是“治疗”。在以往的教学中，教师常常是从DNA分子结构的特点出发，引出沃森和克里克提出了DNA复制的假说：DNA在复制时首先两条链之间的氢键断裂，两条链分开，然后每一条链分别做模板各自合成一条新的DNA链，这样新合成的子代DNA分子中一条链来自亲代DNA，另一条链是新合成的，这种复制方式为半保留复制。看起来这种推理的假说顺理成章，学生也能听懂，但其实是教师把自己的观点或科学家的观点强加给了学生，忽视了学生是学习的主体，更忽视了学生固有前概念的存在。教师应该先了解学生的认知情况，按其想法或思路归纳出与事实自相矛盾或与定律相悖的结论，进而引发学生产生认知冲突，暴露学生在概念理解上的缺陷，在修正中形成正确概念，在纠正中完善。

3.2 类似的前概念在对比中辨析

生物概念不是孤立的，有些概念间是形像而神则不像。教师通过比较概念的核心字句，进行相互间的异同点辨析，才能消除学生对相似因素的混淆，使他们深刻把握概念的内涵与外延，分清概念的不同含义和应用范围。

例如姐妹染色单体和同源染色体在学生认知的前概念中，“姐妹”是同一父母生出来的（那来源相同）而性状相近但不同的两个个体，同源则应该是来源相同。但生物学中的“姐妹染色单体”是在细胞有丝分裂（包括减数分裂）的间期进行自我复制，形成由一个着丝点连接着的两条完全相同的染色单体（若着丝点分裂，则就各自成为一条染色体了）。“同源染色体”是指在减数分裂过程中，两两配对的染色体形状、大小一般相同，一条来自父体，一条来自母体的两条染色体。在学习“减数分裂”时，教师可以结合有丝分裂的过程，充分辨析这两个概念，再通过具体的例题加以应用，在比较中促进学生形成科学概念。

3.3 错误的前概念在澄清后转化

要改变学生错误的想法，教师需澄清原有认知上的缺失，引发学生产生认知冲突，借助批判性思维，纠正学生的错误概念，转变其头脑中固有的认知模式，在矫正错误中实现概念的转化。

如学生有“鲸能在水中游所以是鱼”的前概念，教师要突出鱼的最本质特征——用鳃呼吸，而鲸却是用肺呼吸。又如“细菌都是有害的”“遗传病是一生下来就有的病”等，这些也都是错误的前概念。教师必须列举一些典型例子：人体内的有的细菌是有害的，但大部分细菌是有益的，在人的肠道内有正常的菌群，如双岐杆菌、乳酸杆菌等，能合成多种人体生长发育必须的维生素，肠道中的大肠杆菌可以帮助人体分解食物，而人体又可以为这些细菌提供生存的场所和食物，二者彼此依赖，共同生活，是共生关系。关于遗传病可以例举如有的先心病与怀孕期间病毒感染有关，并不一定是遗传病，遗传病的本质是由于遗传物质改变而引起的疾病。

教师在教学中进行分析，揭示概念的最本质特质，纠正学生头脑中的错误概念，促进学生科学概念的形成。

3.4 科学的新概念在体验中构建

“体验”是人最基本的学习形式，是指人在实践活动过程中，通过反复观察、实践、练习，最终认识到某些可以言说或未必能够言说的知识，掌握某些技能，养成某些行为习惯，乃至形成某些情感、态度、观念的过程。

图3所示为学习金字塔，从图中可以看出，体验式的学习方式可以使知识的保持率很高，因为学生在小组讨论、实践和向他人教授的过程中，可以暴露存在的问题，从而促进自己主动学习。例如在学习有丝分裂和减数分裂的过程、DNA的分子结构等知识过程都是通过建构模型，学生亲自体验，来解决学习中的重点和难点。在DNA复制的教学过程中，对DNA复制方式的推测、DNA复制的过程等知识，也都在学生的模型建构的体验中构建DNA复制的科学概念。所以真正的主动学习、难点突破，不是靠教师的语言，而是靠活动，靠体验，让学生亲身经历。

因此，要实现前概念的合理利用和转化，不能仅凭教师的经验，因为经验虽然是宝贵的，但有时经验是枷锁，很大程度上限制着思维的创新。教师必须要了解学情，即学生的经验、学生的思维，即在了解学生概念产生的根源的基础上，采用多种教学方法激起学生新旧思维之间的矛盾，造成学生的认知冲突，用合适的教学策略和方法补充，完善学生的认知结构，使原有认知和经验系统有所增长（同化）或发生调整和改变，促进前概念的解构和重建，从而提高教学的有效性。

参考文献：

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[4] 吴生才主编.著名特级教师教学思想录[M].江苏：江苏教育出版社，2012.