高中生物学前科学概念的转变策略分析

杜紫怡 王琦 胡选萍 彭建德

摘   要：通过对概念转变的必要性和前科学概念的特点进行分析，结合具体实例提出概念转变的五种策略，即创设教学情境，转变生活经验型前科学概念；巧设疑难问题，扭转望文生义型前科学概念；运用对比归纳，破除类化概念型前科学概念；构建概念图式，消除顾此失彼型前科学概念；组织实验探究，消灭逆向迁移型前科学概念。

关键词：高中生物学；前科学概念；转变策略

《普通高中生物学课程标准（2017版2020年修订）》中提出“内容聚焦大概念”的课程理念、“以生物学大概念、重要概念等主要知识为依托”的评价建议均明确指出概念是学生领会生物学现象及其本质特征的根基，是发展生物学核心素养的基础和核心[ 1 ]。但学习者在进入课堂学习前、课堂学习中或学习后，由于生活经验、认知浅薄、理解混乱、遗忘或负迁移等原因形成的前科学概念在头脑中的认知已根深蒂固，只有教师提供一定的矛盾刺激条件才能使学生重新思考对概念的理解，扭转错误认知[ 2 ]。鉴于此，笔者结合具体的实例，针对不同原因造成的前科学概念，运用合适的策略启发学生深刻理解生物学概念，为转变前科学概念、形成生物学核心素养夯实基础。

1  前科学概念研究的必要性分析

1.1  生物学课程标准的要求

随着教育部对课程标准的不断细化和更新，生物学课程标准对学生的学业提出了新的要求。其中，“内容聚焦大概念”这一课程理念要求学生以概念为核心展开对相关内容的学习，力求“少而精”，通过深刻领悟和应用生物学核心概念，促进学生生命观念核心素养的形成。课程标准中提出了“以生物学大概念、重要概念等主要知识为依托”这一建议，再次强调概念的重要性。但是在学生接受知识信息时会有很多的影响因素，使学生无意识的将一些不正确的观念或解释纳入原有的认知结构中形成前科学概念，但是这种错误的理解会影响学生理解其他内容，使学习效果大打折扣，影响生物学核心素养的形成。

1.2  生物学概念的独特性

生物学概念不仅数量繁多、零散、跨学科，学生不容易形成体系，而且大部分的前科学概念源于日常生活、知识的相互影响，且反反复复的出现。课程标准中将概念划分为了大概念、重要概念和基本概念三大类，其中基本概念是最核心、最基础的，是理解重要概念的基础，大概念是对下位概念的统领和概括。学生在学习新的内容时要以概念图等形式总结概念与概念之间的联系，将零散的概念成体系地构建出来，这样可以减少由于概念混乱或知识的负迁移而出现与科学理论相悖的解释。另外，生物学是一个跨学科的知识体系，例如“物质与能量观”，如果学生对“能量”理解的不透彻，可能就会形成前科学概念。

2  前科学概念的特点

2.1  日常性

学生在正式进入课堂学习前形成的原发性前科学概念大多都是从日常经验中获得的。例如：在学习反射之前，学生会认为人眨眼睛是条件反射；在学习光合作用前，学生会认为只有绿色的叶片可以进行光合作用；在学习微生物前，学生会认为所有的细菌都是有害的。

2.2  顽固性

学生在课堂学习之后形成的继发性前科学概念在教师有意识引导下已经发生扭转，但是随着知识的累积在后续的强化学习中又反反复复地出现。例如：学生在学习细胞核之后认为真核细胞只有一个细胞核，且细胞核只允许大分子物质进出。

2.3  多样性

学生的知识和能力水平以及生活经验的不同决定了概念理解的程度，同一个概念中会出现各种各样的前科学概念。例如：学生对减数分裂范围和图像的理解错误，有的学生认为生殖细胞只能进行减数分裂，有的学生认为减数第二次分裂与有丝分裂过程图完全相同。

2.4  负迁移性

先前学过的知识对后续理解新的知识产生消极影响而形成的前科学概念。例如，学生认为原核生物没有叶绿体，不能进行光合作用。将叶绿体作为进行光合作用的必要条件，就会产生知识的负迁移。学生应该明确是叶绿体中的光合色素吸收光能，因此，含有光合色素叶绿素就可以进行光合作用，如蓝藻。

3  概念转变的策略分析

3.1  创设教学情境，转变生活经验型前科學概念

在日常生活中，由习惯和经验形成的与科学本质不符的认知称为“生活经验型”前科学概念。通过创设情境既可以引发学生的认知冲突，促进概念的顺应，又可以拉进学生与学习内容的距离，激发探索兴趣，促使“生活经验型”前科学概念的有效转变。

以必修一中“光合作用”的概念为例，学生在学习前已经形成了“只有绿色植物的叶片可以进行光合作用”的前科学概念。对此，教师在讲解时创设实物情境：以生活中常见的盆栽绿萝和仙人掌为例展示，指导学生从外观上观察这两种形态不一的植物，以视觉冲击引起学生的有意注意，调动学生的主观能动性。在观察的同时学生会有意识的提出困惑：绿萝和大部分植物一样都具有根、茎、叶，但是仙人掌为什么没有叶片？仙人掌进行光合作用的器官是什么？通过自设疑问发觉认知误区，主动探索概念的本质。然后，提示学生从植物的器官是否含有进行光合作用的细胞器分析问题，引导学生得出绿色植物能进行光合作用的真正原因。最后，以蓝细菌具有叶绿素这一特征强化学生对光合作用概念的认识，得出“并非只有绿色植物的叶片可以进行光合作用”的科学概念。

3.2  巧设疑难问题，扭转望文生义型前科学概念

未深入解析生命现象的本质，只是根据概念的字面意思理解，并对概念做出牵强的解释称为“望文生义型”前科学概念。教师以问题为导向，依据学习目标精心设计一连串的问题，引导学生剖析概念的深层含义，扭转“望文生义型”前科学概念。

以选择性必修一中“细胞外液”和“细胞内液”这两个概念为例，解读概念的字面意思，学生容易形成“细胞外液是外界液态环境，内环境是细胞内液”的前科学概念。首先，针对“细胞外液”设置一系列的问题：问题1，个体与细胞的关系是怎样的？引导学生以必修一学习过的生命系统的结构层次为出发点进行思考，与已有的知识建立联系。问题2，回忆必修一学过的细胞的衰老和个体的衰老是否一样并举例说明？以问题类比的方式，进一步思考细胞与个体的联系，引出细胞生活的环境与个体生活环境的区别。问题3：细胞的外界和个体的外界是否相同？学生归纳总结，发现理解误区，重新审视对概念的错误解释。教师紧接着提出问题4：将生活在血浆中的血细胞、组织液中的细胞或淋巴液中的淋巴细胞拿到体外，不提供特殊的环境时，细胞能否正常生存？联系实际，发现这些细胞直接放到外界环境中则无法生存，由此暴露出学生对细胞外液的狭义理解。学生提出“细胞在体内可以正常生活，在体外无法正常生活”的解释，进而得出“细胞外液并非外界环境，而是细胞直接生活的液体环境”的结论，扭转对“细胞外液”的曲解。然后，针对细胞内液提出问题：组成细胞外液的各个成分之间有什么内在联系？引导学生从整体观的角度思考内环境的含义。教师解释说明内环境的内并非细胞内部，而是指细胞外液构成的液体环境。利用问题串，揭开科学概念的真实面貌。

3.3  运用对比分析，破除类化概念型前科学概念

名称相近、含义相似或属性相关的概念之间相互干扰而形成的与原有含义不相符的观念称为“类化概念型”前科学概念[ 3 ]。针对相近的概念，运用对比归纳的方法，总结归纳概念和概念之间的不同之处，不仅可以帮助学生厘清概念的区别，而且可以发展科学思维能力。

以必修二中“基因重组”和“染色体易位”这两个含义相近的概念为例，仅仅是对两个概念的含义进行解释，学生容易形成“染色体易位和基因重组都是部分染色体发生交换形成的突变”的前科学概念。首先，提供猫毛色变异和果蝇花斑眼的示意图，学生首先会想到为什么会出现这样的现象？教师引导学生将案例与概念相联系，从两种变异产生的结果进行分辨。以实例引起疑惑，激起学生探索两种变异区别的好奇心。接着展示上述实例的微观示意图，提示学生这两种现象能否用光学显微镜观察，并让学生从染色体与基因两个微观的角度分析两种变异的区别。然后，引导学生联系“减数分裂”的内容，从发生时间的差异上进行概念辨别。最后，列举我国培育金鱼的例子及人类染色体易位的例子，引导学生从变异带来的影响分析两个相似概念的差异。在进行概念转变的过程中，不断地以两者的差异刺激学生的思维认知，以对比分析、归纳总结的思维方式促进学生对概念的重新建构，转变学生的错误理解，扭转“类化概念型”前科学概念。

3.4  構建概念图式，消除顾此失彼型前科学概念

教学中反复强化重点内容，旁支内容随着知识的积累被遗忘而形成的内容缺失称为“顾此失彼型”前科学概念。这与学生的概念体系缺乏系统性有关[ 4 ]。以概念图作为支架转变学生这类前科学概念，不仅可以使学生的概念体系逻辑化、系统化，而且概念图将学生的思维可视化，有利于教师从概念图中获得反馈信息，更好地组织教学。

以必修一“脂质的元素组成”为例，在学习糖类、脂质、蛋白质和核酸时均涉及到了元素组成，但往往将蛋白质和核酸作为重点内容，长此以往学生可能会形成“既然细胞中的糖类和脂质可以发生转化，说明两者的化学组成均为C、H、O”的前科学概念。首先，教师编制四阶测验题诊断前科学概念，预测学生的目标技能起点能力。其次，复习旧知，产生矛盾。教师引导学生回忆糖类、核酸、蛋白质和脂质的元素组成，再次暴露出学生对脂质的理解存在问题。针对这一问题，教师引导学生说出脂质的种类包括：脂肪、磷脂和固醇。学生意识到脂质不同，其元素组成也会有差异，由此引发学生的认知矛盾，激发学生探索的好奇心。然后，小组讨论，找出与脂质相关的概念。将概念按照包含性大小排列，如一级概念为脂质，二级概念是脂质的种类，三级概念是不同脂质对应的元素组成。最后，通过连接词将不同层级概念联系起来，形成脂质概念图。学生在自主建构概念图的过程中创造性思维得到发展，对重点内容和旁系内容的记忆均会更加深刻，减少内容的记忆缺失，消除“顾此失彼型”的前科学概念。

3.5  组织实验探究，消灭逆向迁移型前科学概念

已有知识与新知识之间、本学科与跨学科之间可能会发生消极影响而产生知识的逆向迁移形成的错误理解称为“逆向迁移型”前科学概念。在教学过程中利用实验法可以帮助学生验证认知的准确性，消灭前科学概念，使学生认同实践是检验真理的唯一标准，提高学生的实践能力。

以必修一“细胞呼吸的方式”为例，在第二章已经学习了线粒体是进行光合作用的主要场所，由于知识的逆向迁移学生会形成“原核生物没有线粒体就不能进行有氧呼吸，只能进行无氧呼吸”的前科学概念。这主要是学生没有掌握细胞呼吸的本质造成的。首先，回顾旧知：线粒体的结构和功能。强化学生已有的知识体系，保证学生的错误理解不是由于遗忘造成的。其次，播放“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验视频，总结真核生物进行细胞呼吸的过程，学生根据实验视频在小组内讨论问题：细胞呼吸的场所及能够将葡萄糖彻底氧化分解的是什么？如果没有这些物质能不能发生呼吸作用？分析学生的答案可以暴露出前科学概念，教师再引导学生总结呼吸作用发生的必要条件是线粒体内膜和基质中多种呼吸酶的存在，转变学生的错误认识。然后，小组合作讨论并设计以原核生物作为实验对象，探究原核生物能否进行有氧呼吸的实验方案。通过自主设计方案，验证上一步得出的结论，提高学生的实践能力，为概念转变做准备。最后，播放“探究大肠杆菌细胞呼吸方式”的实验视频，利用真实的实验情境验证原核生物大肠杆菌在没有线粒体的情况下也可以进行有氧和无氧呼吸的主要原因是因为含有呼吸酶系统，巩固获得的正确结论，消灭“逆向迁移型”前科学概念。

4  小结

前科学概念是教师教学的重要资源，是个体在认识事物的过程中难以避免的认知结果[ 5 ]。正确的前科学概念有利于教师开展教学内容，但是错误的前科学概念是教学的阻力，因此，教师在教学过程中要重视学生的错误理解。教师在概念转变过程中要注意任何一种前科学概念的形成都不是单一因素作用的结果，对于不同类型的前科学概念的转变也不只有一种策略，选择恰当的策略组合教学才能有效转变学生的错误观念，形成科学概念。

参考文献：

［1］ 中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：5-6.

［2］ 李高峰，刘恩山.“前科学概念”的术语和定义的综述[J].宁波大学学报（教育科学版），2006（6）：43-45.

［3］ 李高峰，唐艳婷.科学概念教学五要素[J].生物学教学，2010，35（2）：9-11.

［4］ 廖龙强.高中生物学教学中前科学概念的转化研究[J].中学生物教学，2019（18）：19-20.

［5］ 李高峰.科学教育中的“前科学概念”[J].教育学术月刊，2010（9）：12-14.