基于5D教学模型的迷思概念转变教学

谢庆余

摘 要 5D教学模型包括迷思探查、迷思肯定、冲突否定、概念建构、迷思瓦解5个环节，以“酶的作用”的概念转变教学为例，阐述如何运用5D教学模型促成迷思概念的转变。

关键词 迷思概念 概念转变 5D教学模型 酶的作用机理

中图分类号 Ｇ633. 91 文献标志码 B

1 基于概念转变的5D教学模型架构

学生在学习科学概念之前往往具有一定的迷思概念。这些概念是由社会文化影响个人认知形成的“日常概念”，一般具有顽固性、隐蔽性、异质性和普遍性等特点。概念转变教学是指在知晓学生前概念的前提下，设计针对迷思概念转变的教学活动或模型。

5D 教学模型由迷思探查（Deplore）、迷思肯定（Demonstrate）、冲突否定（Deny）、概念建构（Design）、迷思瓦解（Destroy）5个环节构成。迷思探查阶段可通过访谈、概念图法和多阶诊断测试题进行调查；迷思肯定阶段通过分析迷思探查的结果，归纳出学生产生的迷思概念类型和特点；冲突否定阶段主要是在教学活动中设计认知冲突环节，学生自主否定迷思概念；概念建构阶段则根据具身认知理论，设计概念建构的活动，激发深度学习；最终达到迷思概念瓦解的目标。

2 基于5D教学模型的具体实施

结合人教版高中生物学必修一“酶的作用机理”这节课例，对5D教学模型的应用和实践做详细阐述。

2.1 迷思探查

迷思概念可以通过访谈、概念图法或传统纸笔测验进行探查。其中，传统纸笔测验因题目类型丰富，数据处理便捷，成为一线教学最常用的探查工具，但其弊端是无法判断学生的真实作答心理和选择理由。而多阶诊断测试题，不仅能够弥补传统纸笔测验的缺陷，还能利用赋分形式评价学生迷思概念情况。为此，本研究设计了该课时的迷思概念四阶试题。

【题1】关于酶的作用和本质的说法下列描述准确的是（ ）（1分）

A. 酶不能脱离生物体起作用

B. 酶是活细胞产生的具有生物催化作用的蛋白质

C. 酶能够降低化学反应的活化能，也能为化学反应提供能量

D. 向过氧化氢溶液中加入三氯化铁和肝脏研磨液都能产生气泡，所以两者的催化效果相同

E. 以上说法都是错误的

【题2】你是否确定上述选择（ ）（0—2分）

A. 非常确定 B. 不太确定 C. 完全不清楚

【题3】（不定向选择）你做出选择的理由是（ ）（0—5分）

A. 细胞代谢发生在细胞中，细胞代谢的进行需要酶

B. 酶能够降低化学反应的活化能，但不是供能物质

C. 加入肝脏研磨液产生的气泡更多更快，所以酶的催化效率更高

D. 酶可以与双缩脲试剂反应产生紫色现象

【题4】你是否确定上述选择（ ）（0—2分）

A. 非常确定 B. 不太确定 C. 完全不清楚

赋分标准为： 【题1】选对E得1分，未选对直接判0分；【题2】选A得2分，选B得1分，选C得0分；【题3】全选对BC得5分，选对部分得3分，错选得0分；【题4】选A得2分，选B得1分，选C得0分。

四阶试题的优点在于能够挖掘学生选择的理由、动机和肯定程度，更加科学地判断学生迷思概念的情况。

2.2 迷思肯定

迷思概念的肯定是基于对迷思概念的探查分析和归纳得出的。根据赋分梯度表对学生的作答情况赋分（表1），归纳出学生具备的迷思概念有：① 酶只能在细胞外起作用；② 酶对化学反应的催化效率应该和无机催化剂差不多；③ 酶能为化学反应提供能量。

通过对调查结果的分析可得学生产生迷思概念的主要原因有：① 学生以偏概全产生了迷思概念；② 学生科学概念内涵发生了错换；③ 学生对科学概念内涵不明。综上，学生在课前普遍具有迷思概念，且不同学生的迷思概念不同，体现出迷思概念的普遍性和异质性。

2.3 冲突否定

Vosniadou从认知心理学角度提出了概念转变的心理模型建构论，其建构过程包括：① 激活原有心理模型中的错误概念；② 对模型中的元素产生不满（产生认知冲突）；③ 创建新模型；④ 使用新模型。因此在教学中，设计认知冲突活动是突破迷思概念的关键一环。

依据《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》、学业质量水平要求及学情，在“酶的作用机理”一节中，设计认知冲突活动，将本课时教学目标确定如下：

（1）通过观察“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验，归纳出“与无机催化剂相比酶的催化效率更高”的结论，转变“酶对化学反应的催化效率应该和无机催化剂差不多”的迷思概念；

（2）通过“跳皮筋”活动，初步感知不同高度跳跃的难度不同，类比化学反应中“发生反应需要分子从常态到活化态”的过程，说明加热、无机催化剂和酶加快化学反应的机理，归纳出“酶降低活化能的作用更显著”的结论，转变“酶能为化学反应提供能量”的迷思概念；

（3）认同“正是在酶的作用下，细胞代谢才能快速进行”的事实，转变“细胞代谢的场所可生在消化道内”和“酶只能在细胞外起作用”的迷思概念。

2.4 概念建构

概念建构的活动融入了冲突否定的设计，并结合具身认知理论，设计具体活动：从构建物理模型的初步感知，到數学模型的表征，最后完成科学概念的完整构建。

2.4.1 创设情境，启发探究

教师展示资料：日常生活中，受伤后医生对伤口用过氧化氢进行消毒。过氧化氢需要在遮光、不高于 20℃下保存。教师根据资料创设的情境提出问题：① 温度过高会对过氧化氢贮藏造成什么影响呢？如何设计实验探究？② 实验分为几组？处理有何不同？③ 不同的处理会导致哪些结果？观测指标是什么？④ 还有哪些因素会影响实验结果，该如何处理？⑤ 有哪些可能影响过氧化氢分解的条件？学生根据教师的提问，理清实验设计思路，尝试控制变量，设计科学探究实验，完成实验方案设计；根据实验设计开展实验，并在教师指导下用气球收集气体；根据自变量和因变量的推理，概括出实验结论：加热能加快过氧化氢分解。教师针对学生的实验设计与开展情况进行评价，主要关注学生是否设置了对照组、看到了什么现象、得出了什么结论。

教师进一步提出问题：过氧化氢的保存会不会受到其他因素的影响呢？并展示资料：① 过氧化氢在储运过程中有特殊的要求，严禁与Fe 3+ 等金属化合物混存混运。② 细胞代谢过程中会产生过氧化氢，对细胞有毒害作用。细胞中含有过氧化氢酶能够将过氧化氢及时分解起到解毒的作用，特别是新鲜的肝脏细胞含有较多的过氧化氢酶。教师引导学生尝试设计实验，探究影响过氧化氢保存的因素。学生以小组为单位，根据探究内容，分析自变量和因变量，设计并开展实验，并运用气球收集气体，记录实验内容，对实验结果进行分析。

设计意图：通过创设情境，激发学生探索学习的兴趣；在实验设计环节中设计认知冲突（是否设置了对照组），突破迷思概念“酶只能在细胞外起作用；酶对化学反应的催化效率应该和无机催化剂差不多”，认同对照实验的科学性，并能尝试设计实验探究中的对照组和实验组，控制无关变量。

2.4.2 组织跳皮筋活动，构建概念

教师组织学生进行“跳皮筋”活动：找两位高个子学生举皮筋，先高后低举着，让一组身高不同的学生尝试跨越过去。（皮筋越低，跨过去的学生越多；皮筋越高，跨过去的学生越少。）根据活动中观察到的现象，教师提问：当皮筋高举的时候，没有学生能跨过去，那应该怎么做呢？类比化学反应的过程，推理催化剂催化化学反应的原理是什么？学生根据实验现象，尝试绘出加入过氧化氢酶和三氯化铁的反应能量变化曲线（图1）。

设计意图：通过“跳皮筋”活动，初步感知不同高度跳跃的难度不同，类比化学反应中“发生反应需要分子从常态到活化态”的过程，说明加热、无机催化剂和酶加快化学反应的机理，归纳出“酶降低活化能的作用更显著”的结论。转变“酶对化学反应的催化效率应该和无机催化剂差不多”和“酶能为化学反应提供能量”的迷思概念。

2.5 迷思瓦解

科学概念构建后需要反思迷思概念的产生原因，比较迷思概念和科学概念，通过构建数学模型，运用比较、归纳和抽象概括的思维方法，进一步巩固科学概念，瓦解迷思概念。

教师提问：酶能加快化学反应速率，会影响反应的结果吗？教师引导学生观察手中气球的最终大小，尝试画出加入三氯化铁和过氧化氢酶时产物的量随时间变化的曲线。

学生根据现象得出结论：酶（催化剂）只加快了反应速率，没有改变反应的结果，并绘出产物的量在不同条件下随时间的变化曲线（图2）解释结论。

设计意图：学生依据事实，抽象概括出酶的作用特点，并比较和归纳无机催化剂和酶的作用特点，进行数学模型构建，瓦解迷思概念。

3 总结与启示

学生在学习科学概念前具有的迷思概念是学情分析的一个重要方面，通过迷思探查和迷思肯定，分析出迷思概念具有普遍性、异质性和顽固性的特点，且在教学中存在难以转变和转变后易反复的情况，对此将概念转变教学和5D教学模型结合，能够突出概念转变教学的优势，取得较好的教学效果。

参考文献：

［1］李高峰.科学教育中的“前科学概念”［J］.教育学术月刊，2010，218 （9）：12-14.

［2］张亚明.基于迷思概念转化的 5D 教学模型構建与案例［J］.中学物理，2021 （8）：5-8.

［3］Vosniadou S，Brewer W F. Mental models of the earth：A study of conceptual change in childhood［J］.Cognitive Psychology，1992，24 （4）：535-585.

［4］马栓.高中生“遗传与进化”前概念的诊断及转变的研究［D］.西安：陕西师范大学，2018.