基于心理旋转的小学生物进化树教学实验报告

孔 艺,王 蕾,倪锦月

一、引言

进化树,又称系统发育树,它以树状分支图的形式展现了地球上物种的进化历程以及亲缘关系,[1]是达尔文共同祖先说的直接体现,即地球上所有现存物种具有共同祖先,物种之间的亲缘关系体现为呈辐射状串起的进化树。[2]读懂进化树是真正理解生物进化的必要条件。[3]小学科学课程标准中列出的学习生物分类、了解动物与植物之间的相互关系以及认识生物的多样性等均是生物进化的重要内容。[4]然而生物进化的教学内容较为抽象,仅通过教师的讲解和教材中各种实例和图片的呈现,很难真正帮助学生进一步理解生物进化。[5]引入进化树的教学一方面可以帮助学生组织生物多样性的知识框架,[6]另一方面通过进化树这种形象和直观的形式可以促进学生理解生物进化的本质,有助于学生形成科学的思维方式、树立科学的世界观。[7]

我国关于进化树教学方面的研究较少,目前已有研究者关注到解读进化树需要根据共同祖先的原则,[8]呼吁重视解读进化树所需要的“树式思维”对进化论教育的作用,[9]然而当前我国尚未重视进化树在生物进化教学中的重要作用。为帮助小学生真正理解生物进化,依据当前进化树教学的研究成果,本研究制定了适用于小学阶段的进化树教学目标、内容和教学策略,并采用单组前后测设计检验其教学效果,以期为小学阶段开展进化树教学提供参考。

二、小学进化树教学实验设计

(一)实验模式

本研究采用单组前后测设计,实验的自变量为基于心理旋转的教学活动,因变量为学生的测验成绩。实验程序分为四步:第一,对所有参与实验的学生进行第一次测验;第二,对实验组学生开展进化树教学,对照组学生不参与教学;第三,对所有参与实验的学生采用同套测验卷进行第二次测验;第四,进行数据分析,检测基于心理旋转的进化树教学的教学效果。

(二)实验样本

本研究选取东南部某市两所市属公立学校M小学和Q小学5—6年级的小学生,以班级为单位参与实验。为控制无关变量的影响,所选取的实验组与对照组需满足前测成绩并无显著性差异。共计73名实验组学生和68名对照组学生符合实验要求。

(三)教学设计

1.教学目标和内容

本研究依据当前国际上进化树教学的研究成果,结合国内课程标准要求及学生发展特点制定小学进化树教学目标和内容。Kong等人构建了一个适用于基础教育阶段以及大学低年级阶段的进化树知识体系MUET模型,[10]该模型较为全面且系统地介绍了读懂进化树所需的知识模块,是本研究选择进化树教学内容的依据。Halverson等人[11]建议进化树教学应包含解读单棵进化树和比较多棵进化树两个环节,同时Halverson[12]发现扭扭棒适合作为进化树教学的教具,这些建议均被本研究采纳。

依据我国小学科学课程标准的要求以及小学阶段学生思维逻辑性和心理旋转能力发展的具体特征,本研究选取MUET中“树的表现形式”和“树式思维”两大知识模块作为教学内容,引导学生认识单棵进化树的组成部分,运用“树式思维”的方法解读和比较进化树间的关系,形成进化树教学的目标及内容(见表1)。小学进化树教学包含三个教学模块:“认识进化树的组成部分”“解读进化树”“比较各进化树之间的关系”,各模块教学内容之间具备阶段性、关联性与连续性,其中“解读进化树”教学模块是进化树教学的核心。

表1 进化树教学的目标及内容

2.教学策略及过程设计

(1)教学模块一:认识进化树的组成部分

A.结合生活情境,认识进化树的内涵

建构主义的学习理论表明,教学要将学生已有知识作为新知识的生长点,并强调学习的情境性。教学中可借助生活化的例子帮助学生理解抽象的进化树概念。通过展示人类进化历程和黑猩猩、大猩猩、猕猴等现存人类近亲的图片,设问:“什么方式既能展现我们人类的进化历程又能展示人类与黑猩猩、大猩猩、猕猴等物种之间的亲缘关系呢?”用以了解学生的知识基础,并引出进化树的概念。这样以学生熟悉的人类进化历程及其近亲为例,引入进化树的抽象概念,使教学自然过渡到新知识的学习。

B.运用视觉感知,认识进化树的组成部分

建构主义的学习理论强调学习是学生主动构建知识的过程。进化树是一种典型的视觉表征,学生需要观察进化树及其组成部分,在教师指导下,联系已有知识经验,认识和理解进化树组成部分及其内涵。

教学中,教师先后展示图1所示的两棵进化树,先介绍进化树一般由根、分支、节点、末端四个部分组成,再分析各组成部分的基本内涵。图1A所示的进化树展现了甲、乙、丙之间的亲缘关系,进化树的末端甲、乙、丙表示现存物种,节点表示乙与丙的最近共同祖先,根表示进化树上所有物种的共同祖先,即甲、乙、丙的共同祖先,分支表示连接物种与节点及根的线段。教学中让学生先学习图1A再学习图1B,通过增加进化树的复杂性来帮助学生深入理解进化树各组成部分的内涵。

图1 进化树及其组成部分

(2)教学模块二:解读进化树

A.创设问题情境,引发学生的深度思考

建构主义的学生观认为,在知识学习和问题探究中,学生间的交流与质疑是重要的学习资源。学生的学习和生活经验不同,一个问题可能会引出各种不同观点,进而激发学生思考与交流。教师提供一棵展现鲸、人与鱼亲缘关系的进化树,并提问鲸与谁的亲缘关系更近。有学生根据鲸和鱼的外形相似,认为鲸和鱼的亲缘关系比鲸和人的亲缘关系近,还有学生根据鲸与人都属于哺乳动物而持相反的观点。教师引导学生在尊重他人观点的基础上进行辩论,这有利于激发学生的好奇心,引发学生深度思考,同时也可锻炼学生在民主的氛围下与他人相处的能力。

B.关注前概念的影响,通过认知冲突促进科学概念的转变

“前概念”也称“前科学概念”,是学生在日常生活中对客观世界中自然现象产生的看法,认识和合理地运用学生的“前概念”是建构主义学习理论运用于科学教学的重要原则之一。[13]教师在教学中首先使用甲、乙、丙、丁等来代替进化树上具体的物种,这样可以排除前概念带来的干扰。然后引入姐妹群和外群的概念。姐妹群是指进化树上亲缘关系最近的两个物种,外群是指进化树上与其他物种亲缘关系最远的物种。教师以图1B为例,引导学生识别丙与丁为姐妹群、甲为外群,并引导学生依据物种之间最近的共同祖先来解读进化树上物种之间的亲缘关系远近。最后,教师再次展示体现鲸、人与鱼亲缘关系的进化树,让学生依据最近共同祖先、姐妹群和外群等概念重新解读三者之间的亲缘关系。同时教师让学生带入自己的前概念,例如,“鲸与鱼都生活在水里”“鲸与人都属于哺乳动物”等,再次解读进化树,引发学生的认知冲突,通过新、旧知识和经验之间的相互作用,促进学生从前概念向科学概念的转变,形成正确解读进化树的能力。

(3)教学模块三:比较各进化树之间的关系

A.通过动手操作,获取分支旋转的知觉经验

由于小学生正处于形象思维向抽象思维发展的阶段,在理解抽象概念和意义时需要借助直接经验。教学中使用合适的工具为学生提供将进化树转变为真实世界中可操作的事物,让学生获取知觉经验,为学生利用心理旋转在头脑中想象出进化树分支旋转的过程及结果打下基础。教师首先展示教具扭扭棒(如图2A),将其类比为展现蛇、鳄鱼、鸟、鸡亲缘关系的进化树,让学生知道每个颜色代表的物种,然后向学生展示分支旋转的方法,即分支绕节点旋转(预期成果如图2B)。教师要求学生按照分支旋转的方法,手动旋转扭扭棒,用黑笔在白纸上画出分支旋转后的进化树的表现形式,并挑选学生在黑板上分享自己所画的进化树,力求黑板上呈现进化树的各种不同表现形式。

图2 进化树教具扭扭棒的旋转实例

B.运用心理旋转,比较各进化树之间的关系

心理旋转是人在头脑中对表象进行旋转的过程,[14]利用心理旋转能力可以在头脑中对进化树的分支进行旋转,为比较不同进化树间的关系打下基础。通过上一阶段的动手操作,学生获得一定的知觉经验,本阶段需要引导学生运用心理旋转能力,想象进化树的分支旋转的过程和结果,从而能够理解分支旋转后进化树的亲缘关系不变的概念。从上一阶段学生分享的进化树中,教师任意挑选其中两棵(如图3A和图3B),并请学生描述图3A转换成图3B的分支旋转过程,引导学生从表现形式和亲缘关系两个角度,比较这两棵进化树间的异同,分析并得出“分支旋转后进化树展现的亲缘关系不变”的结论。在学生已掌握一种类型进化树的基础上,引导学生运用知识迁移能力,解读其他表现形式的进化树,从而理解进化树有多种表现形式。教师展示图3C和图3D,请学生比较这两棵进化树间的异同,再引导学生观察黑板上所有的进化树,得出“黑板上所有的进化树都表达了相同的物种亲缘关系”的结论,帮助学生理解进化树有多种表现形式来展现相同的物种亲缘关系。

图3 展现蛇、鳄鱼、鸡与鸟亲缘关系的进化树的多种表现形式

(四)评价工具

1.测验卷的编制

本研究采用终结性评价的方式,在课后采用自编测验卷对学生的进化树认知水平进行测验,进化树测验卷命题内容的选择和题目分值的确定以进化树教学的目标及内容为依据,并根据安德森修订的布鲁姆认知教育目标[15]确定测验内容的3个考查目标层次:理解概念性知识、分析概念性知识、应用程序性知识,最终形成10道测验题,包含判断题、简答题和作图题3个类型,总分24分。其中“认识进化树的组成部分”考查分值为4分,占总体分值的16.67%;“解读进化树”考查分值为12分,占总体分值的50%;“比较各进化树之间的关系”考查分值为8分,占总体分值的33.33%。

2.评分标准的制定

该套自编测验卷的简答题和作图题以SOLO分类评价理论作为依据。SOLO分类评价理论表明学生的认知发展具有5个水平,即前结构、单点结构、多点结构、关联结构、抽象拓展。根据SOLO认知发展阶段研究,[16]5—6年级的学生正发展多点结构水平,因而在评分标准设置中达到多点结构水平及以上的学生可获得满分。当学生所处的SOLO结构水平越高,其联系的相关知识就越多,得分就越高。具体来讲,在简答题中,处于前结构水平得0分,处于单点结构及以上水平的学生依据答案的完整性可得1—2分。

三、小学进化树教学的实验结果分析

(一)实验组与对照组的前后测成绩比较

通过比较实验组和对照组前后测成绩发现:实验组后测成绩(M=16.62,SD=3.234)显著高于前测成绩(M=11.27,SD=3.660)(t=-10.163,p=0.000<0.01),对照组前后测并无显著变化(t=0.769,p=0.444>0.05)。这表明进化树教学能显著提高学生的进化树认知水平。

通过分析实验前后测各教学模块的成绩发现,实验组各个教学模块的后测成绩均显著高于前测成绩,而对照组各教学模块的前后测成绩无显著变化(见表1)。这表明进化树教学的各教学模块均能有效达成教学目标。其中,实验组在“认识进化树的组成部分”教学模块前后测表现中,平均分和标准差均有较大变化,学生的平均成绩提高了,但是学生的成绩分布相对来说更加离散,这表明学生对认识进化树各组成部分的认知存在差异性。

表1 实验组、对照组前后测各模块成绩比较(M±SD)

(二)实验组学生不同认知目标层面的前后测成绩比较

通过比较实验组学生在不同认知目标层面的前后测得分情况发现,学生在理解概念性知识认知目标层面的后测成绩均显著高于前测成绩(t=-12.244,p=0.000<0.001),在分析概念性知识认知目标层面的后测成绩均显著高于前测成绩(t=-3.892,p=0.000<0.001),在应用程序性知识认知目标层面的后测成绩均显著高于前测成绩(t=-5.680,p=0.000<0.001),即学生在各认知层面均有提升。理解概念性知识认知目标层面以简答题作为考查类型题目,依据SOLO分类评价理论的评分标准,学生所处的进化树学习结果的结构层次越高,其得分越高。因此,实验组后测成绩显著高于前测成绩表明,经过教学干预,实验组学生中处于前结构水平的学生减少,处于单点结构及以上水平的学生增多,这表明更多的学生已经掌握了进化树的基本概念并形成了解读进化树的能力。

在分析概念性知识认知目标层面,学生仅在判断不同类型进化树表达的亲缘关系的后测表现比前测表现有了显著提高(t=-4.964,p=0.000<0.001),而在“解读进化树”教学模块和判断同一类型分支旋转前后进化树表达的亲缘关系的前后测表现并无显著变化(p>0.05)。由此可见,本次教学干预对分析相同类型进化树上物种亲缘关系的认知水平并无显著提高,但是对分析不同类型进化树上物种亲缘关系的认知水平有显著提高。这可能与学生使用已有的知识和经验来答题有关。例如,在判断海狮、海豹、熊三者亲缘关系时,学生基于自己已有的知识和经验也能准确判断出物种间的关系。

学生在“应用程序性知识”认知目标层面成绩显著提高(t=-5.680,p=0.000<0.001),但学生的整体平均分较低。这表明处于单点结构和多点结构的学生数量有所增加,部分学生能够在正确读懂进化树的基础上画出进化树,能理解各种不同表现形式的进化树之间的关系,具备绘制进化树的能力。部分未得分学生可能未理解题意或者混淆了进化树与真实的树,即学生对题目的错误理解和学生已有的知识和经验可能是影响学生答题表现的因素。

四、总结与讨论

本研究利用学生已有的生活经验向学生介绍进化树的概念及其基本组成部分,通过合理利用学生的前概念帮助学生科学地认知进化树上物种的亲缘关系,经历动手操作和心理旋转的过程使学生理解了不同表现形式的进化树之间的关系。采用传统测验卷的方式用于评价进化树教学的效果,帮助教师了解学生的进化树认知水平。单因素等组前后测验的实验研究结果发现,依据本研究的进化树教学设计进行教学能显著提高小学5—6年级学生的进化树认知水平,这为学生进一步理解生物进化打下了基础。

虽然该进化树教学设计可显著提升学生的进化树认知水平,但是在教学实践中仍存在一定问题。第一,教具的使用问题。教学工具扭扭棒的使用激发了学生参与课堂的热情,学生却很难将分支正确围绕节点进行旋转,不能准确地画出分支旋转后进化树的表现形式。因此,教具的使用不能仅注重学生的亲身参与和体验,还应建立起教具和教学内容的进一步联系,以帮助小学生正确理解进化树的教学内容。第二,教学目标中对进化历程重视不足。从学生的课堂和测验表现来看,出现了表示现代物种的进化树末端并未绘制在同一水平线上的问题,这可能与教学忽视了物种之间的进化历程有关。因此教学不仅要重视进化树上物种之间亲缘关系的解读,还应注重解读物种之间的进化历程。第三,教学评价未完全排除前概念的干扰。在教学评价中出现了学生基于自己已有的知识和经验判断物种亲缘关系的可能,使得教师无法准确掌握学生解读进化树的真实能力。因此,在对学生解读进化树的能力进行评价时,有必要使用代码或标记来代替真实的物种,以避免学生前概念所带来的干扰。

进化树教学旨在通过使用进化树这类视觉表征帮助学生进一步理解生物进化。虽然当前国际上有较丰富的进化树教学内容和教学建议,但缺乏制定不同发展阶段的学习目标的指导依据,以及适应不同发展阶段的教学策略和教学工具,进化树教学的连续性和拓展性还应进一步研究。另一方面,进化树的教学仅通过传统课堂教学的方式是不够的,还需利用自然博物馆、动植物园、水族馆、科技馆等非正式教学环境,让学生运用进化树这一工具,深入认识物种之间的相互关系及理解生物的多样性,促进学生科学知识的系统化和结构化,发展学生的科学思维能力,进而提高其科学素养。