基于三重表征理论的生物学深度学习实践路径研究
2023-12-15苏晓玲
苏晓玲
(福建省南安国光中学 福建泉州 362321)
1 问题的提出
深度学习是指在教学中学生积极参与、全身心投入、获得健康发展的、有意义的学习过程,是针对浅层学习而提出。刘月霞等构建了深度学习教学实践模型2.0(图1)。该模型强调,在深度学习过程中要凸显学习目标的素养导向、学习主题的引领性、学习任务或活动的挑战性、学习评价的持续性。通过学习活动,学生能够掌握学科基础知识与基本方法,体会学科基本思想,综合运用知识和方法创造性地解决问题,形成积极的内在学习动机、高级的社会性情感和正确的价值观,成为既有扎实学识基础、又有独立思考能力,善于合作、有社会责任感、具备创新精神和实践能力、能够创造美好未来的社会实践的主人。传统生物学课堂往往是教师按照课前设计的教学程序讲解,牵着学生接受一个又一个结论,即便教师提出的问题具有一定的思维空间,但常常又不能给学生充足的思考时间,导致教师讲解多,学生深度探索交流少的问题。重结论轻探究的结果导致学生在解决问题方面存在比较严重的模仿性和依赖性,缺乏独立性和创造性。因此,如何着眼于学科的基本思想和方法,引导学生亲身经历知识发现、发生、发展的过程,促进知识的实践转化和综合应用,是实现深度学习亟需解决的问题。
图1 深度学习教学实践模型2.0
因此本项目以深度学习理论为指导,依据生物学学科特质,尝试在阐述生物学三重表征内涵的基础上构建基于三重表征理论的生物学深度学习的教学实践路径。
2 生物学三重表征理论的内涵
2.1 生物学三重表征的内涵
1991年苏格兰格拉斯哥大学科学教育中心的Johnstone 教授首次提出从宏观、微观和符号3 个水平理解科学可以减少学习科学的困难,并构建了宏观-微观-符号的思维三角形(图2)。国内外研究者将此进一步界定为“三重表征”。
图2 Johnstone 的思维三角形
表征是一个认知心理学的概念,分为外部表征和内部表征。外部表征指信息本身记载和呈现方式,是一种客观存在;内部表征指信息在人脑中记载和呈现方式,是人脑对信息的加工理解抽象,也称为心理表征。生物学是研究生命现象、生命活动规律的学科。学习者要以生物学符号为工具,从宏观和微观相结合的视角认识生命世界。生物学三重表征具有外部表征和内部表征双重涵义。从外部表征看,生物学三重表征指生物学宏观知识、微观知识、符号知识的外在呈现方式;从内部表征看,生物学三重表征是指宏观、微观、符号,三类知识在人脑中的加工呈现形式。
具体而言,生物学的宏观表征是指人类感知器官可以通过观察、实验等方式直接感知到的生命现象,如生物体的繁衍、生长、衰老等现象;微观表征主要是指不能通过直接观察或实验获得的细胞结构、分子组成、化学反应和机理等;符号表征主要指利用生物学特有的字母、图形等符号表示宏观或微观现象和规律。而内部表征只能通过学习者的描述和使用结果来断定。
因此在教学中,教师要合理呈现生物学知识的三重外部表征,帮助学习者完成三重内部表征的建构,通过适当的情境任务评价学习者内部表征的准确性和表征转换的能力。
2.2 生物学三重表征的关系
三重表征理论认为三种表征不是简单的拼凑和随机的使用,而是一个相互联系的有机整体。三种表征对生物学概念建构都是不可或缺的一部分。生物学学习的特点是从众多的纷繁复杂的宏观的生命现象入手,深入探索其微观的生命本质和规律,最终抽象概括为生物学概念。在宏观与微观领域的分界面,符号表征起到了联系的中介和桥梁作用。符号表征既能表现宏观领域中的生命现象,又能表现出微观领域中的生命结构分子机理,是理解宏观表征和微观表征的工具。因此,在生物学学习过程中,要围绕某一概念建立宏观、微观、符号三种表征之间的内在联系,通过多种方式实现三个层次的自由转换和有机融合,达到概念的深度理解。
如果将三种表征分割开来,学习者对概念的理解将是片面的零碎的,难以形成大概念。如果三种表征之间建立内在逻辑联系,学习者就可以对概念进行多角度全方位的认识。当学习者可以从宏观微观符号三个层次自由理解某一概念,那么他就真正掌握了这个概念的内涵。日常教学也常常涉及宏观、微观、符号三种表征类型的学习,但是直觉性经验性的教学往往问题不够聚焦,表征载体使用分散,缺乏内在逻辑性,导致表征功能没有有效发挥。因此,三重表征理论强调针对同一事物或概念,根据三种表征之间的内在逻辑联系,运用多种方式多个层次进行表征,达到对某一事物或概念的完整理解,在学习过程中,为学习者提供更开阔的心理视野,引导学习者像科学家一样认识思考问题。
3 基于三重表征理论的生物学深度学习实践路径
基于三重表征理论和深度学习理论的认识,结合布鲁纳的发现学习观点和生物学科教学实践,本项目的教学构建了基于三重表征理论的高中生物学深度学习实践模型(图3)。
图3 基于三重表征理论的高中生物学深度学习实践模型
该模型主张从学科内容的整体理解着手,以单元或主题为学习单位。首先,教师以发展素养为导向确定学习目标,提炼具有挑战性的学习任务并提出关键性问题;其次,围绕关键性问题,依据三重表征的内在逻辑开展有序的学习活动,构建概念;接着,在新情境活动中迁移应用深化概念并检测评价学习者的内部表征;最后,在整个学习活动过程中通过持续性评价反思修正调控学习过程。
该模型旨在通过评价调控学习,通过三重表征学习构建概念,通过概念构建培养科学思维、学科思想和方法,通过迁移应用形成核心素养,从而将生物学学科素养落实在一系列的学习活动中。
3.1 如何提出关键性问题
提出指向核心概念的关键性问题,不是学习某一个知识点,而是通过这个关键性问题的学习覆盖相关问题的学习,学会学科的思想方法。将该关键性问题作为学习任务,围绕这个任务设计开展一系列学习活动,需要厘清《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称《课程标准》)中各级概念的内容要求,对教学内容进行分析和结构化处理,然后基于学科本质提炼具有挑战性的学习任务。
教学内容的结构化处理是促进学科知识转向学科核心素养的关键。在进行教材分析过程中,教师首先确定各个知识要点的类型如事实性知识、概念性知识、程序性知识、元认知知识等,然后利用纲要法、表格、图示、概念图和思维导图等建模方式,构建其层次结构或网络结构,把握知识要点之间的内在逻辑联系,最后形成概念构建的结构化思维。
比如人教版新教材《必修2·遗传与进化》第二章第三节“伴性遗传”,教师通过梳理各知识要点的内在联系(图4),发现红绿色盲的相关研究是学生认识伴性遗传的关键。学生理解红绿色盲的遗传特点和研究方法,便可迁移到伴性遗传的其他类型,于是提出关键性问题:红绿色盲的遗传有什么特点?如何研究红绿色盲?接着,教师围绕这个问题设计相应的学习活动。在结构化过程中,既可以是把单一知识点转化为结构性知识,也可以是对学科核心知识与现实社会和科技最新发展成果的结构化,还可以是学科核心知识与学生经验的结构化。在此基础上确定“引领性学习主题”并提出挑战性的关键问题,师生共同对学科核心知识进行有深度、有宽度的加工,对学科核心知识的价值和意义有更深刻的理解,进而全面深入地体验学科本质,充分领悟学科的功能作用。
图4 “伴性遗传”教学内容的结构化处理
3.2 如何设计“宏观-微观-符号”多重视角的学习活动
学习活动是发展核心素养的主体部分,它主要服务于学习目标的有效达成。在学习活动的设计过程中,要使其与学习目标保持高度的一致,同时还应兼顾活动的自主度,对学生提出有一定挑战性的学习任务,围绕该学习任务设计开展一系列学习活动。
从三重表征的视角来看,学习活动的实质是获取关键性问题的宏观表征载体,分析其微观表征,构建其符号表征的过程。宏观表征的载体来源可以是调查、实验、实践活动的数据和实验现象,教师可以通过分析文本资料、图片、图表、动画、视频等探索微观本质,通过模型构建、图表设计等进行符号表达。
比如要探究红绿色盲的遗传特点,学生需要先明白红绿色盲的发病率和遗传方式,通过社会调查和家系调查,掌握人类性别决定的相关知识。同时,学生需要准确运用遗传学符号书写遗传图解,将宏观的表型、微观的基因组成、符号表达三者有机联系起来,梳理出解决问题的方案。因此,教师需要清楚设计开展哪些学习活动,明确学习活动的安排次序,再根据活动需求精选所需的表征载体。
外部表征载体有三个关键功能:补充、约束(限制)和构造(建构)。补充指的是不同的表征载体包含的信息有所不同,当它们同时呈现时,学习者可以从不同载体中获取不同的信息。约束或称为限制是指一种表征的信息会限制对另一个表征的解释,比如在描述花的结构时,呈现出一朵花的照片,通常会受到照片所选取花的种类的限制,进而限制对花的结构的描述。构造又称为建构,是指通过整合多种表征抽象表征的结果。构造可分为扩展和联系两种形式,扩展指学习者通过整合多种表征从已知推理获得未知信息的方式,联系指两个表征在不进行知识重组的情况下再次联系在一起的过程。
在呈现具体的学习活动时,要联系表征功能,按照一定的逻辑关系有机地进行组合,例如“已知到未知”“现象到本质到拓展应用”“宏观到微观”“事实到概念到观念”等。要使表征充分有效地发挥功能,还应该在呈现表征的同时提出明确的学习任务,以准确引导学生通过任务主动参与到学习活动之中。因此,任务的类型和水平就体现了对学科核心素养的要求层次,学生完成任务的情况就体现了学科核心素养素养的发展水平。
3.3 如何设计和实施持续性评价
开展持续性评价的目的是监测和调控学习过程,随时了解学习目标的达成情况,判断学生素养的发展水平,从而及时反馈改进教学,促进每个学生能够最大限度地积极参与、全身心投入到学习活动中,获得健康发展。因此,评价标准应该根据素养发展的目标制定,评价的内容包括学生的思维发展状况、学习态度、过程表现等,评价的形式可以是学生自评、小组互评、教师评价等等。
比如红绿色盲的社会调查和家系调查,目的是获取调查数据,教师应该重点关注学生在活动中的科学态度和合作精神,采用学生自评和小组互评的方式展开教学。探究红绿色盲的遗传方式,教师可以通过概念检测,观察提问了解学生的学习情况。探究红绿色盲的遗传特点,是教学的重难点,教师应该通过设计关联宏观微观符号的遗传图解(图5),通过小组互评、纠错、修正,关注学生遗传学符号使用的规范性和准确性。最后在迁移应用环节通过设计已知双亲表型预测子代、运用系谱分析判断遗传方式、通过表型推知性别或通过性别预测性状、设计杂交实验确定基因在性染色体或常染色体上等四个方面的新情境,检测评价学生概念理解和应用情况,判断学生素养的发展水平,然后进一步调整改进教学策略。
图5 关联宏观-微观-符号的遗传图解
4 结语
宏观微观符号三种表征形式影响着学习者注意、知觉、表象、记忆、思维和语言等认知过程,各个水平对知识的感知促使这些感知在学习者认知心理上形成丰富的内化表征形式,有利于学习者对知识全面而透彻地认识和理解。三重表征理论指导下的教学模式从核心问题出发,根据概念构建过程遇到的问题分解成若干子问题,根据三种表征之间的内在逻辑关系安排学习活动,直至完成构建概念。整个过程从学生视角出发,以学生探究为中心,教师则用提问的方式推动学习过程。从开始到结束,知识逐渐深入,学习者像科学家一样主动认识思考解决问题,沉浸式探究。三重表征理论指导下的教学模式为学习者学习生物学提供了更为开阔更为有序的心理视野,有助于提髙学习者多角度观察分析和解决问题的能力。
在深度学习的教学中,还需要教师聚焦《课程标准》,整体把握学科体系与关键教学内容,提升教学设计的站位,营造民主平等的学习氛围,给学生表达见解展现思维的机会。