摘 要:本文以“生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性”一節(jié)內(nèi)容為例,引導學生在探究“車陂涌”生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的貫穿情境中,完成“預(yù)學—共學—研學—拓學”的學習環(huán)節(jié),實現(xiàn)“認識動機—認識行為—認識方式—認識品質(zhì)”的科學思維發(fā)展。以期為中學生物學教學流程的改進提供參考。
關(guān)鍵詞:學程構(gòu)建;科學思維發(fā)展;模型與建模
文章編號:1003-7586(2024)11-0008-03 中圖分類號:G633.91 文獻標識碼:B
1 研究背景及設(shè)計思路
科學思維是指人對自然界中客觀事物的認識行為、認識方式和認識品質(zhì)的反映。在中學科學教育層面,科學思維還包含激發(fā)學生“崇尚真知,追求科學知識”的認識動機。[1]學程是指“學習發(fā)生的過程”,教師對學程構(gòu)建的關(guān)注可以促進課堂從“以教為中心”向“以學為中心”轉(zhuǎn)型。學生完成學程的出發(fā)點源于學習需要,學習需要則可以理解為在特定的學習情境下,學習者目前的學習狀態(tài)與所期望達成或應(yīng)該達成的狀態(tài)之間的差距,包括知識、能力和情感態(tài)度、價值觀等多方面。[2]
指向科學思維發(fā)展的學程構(gòu)建,是指教師基于學生的學習需要,構(gòu)建“預(yù)學—共學—研學—拓學”的學習環(huán)節(jié)。學生在主動參與學習的過程中,通過小組合作、自主探究、組間評價等方式分析問題、解決問題,并在解決真實問題的實踐過程中實現(xiàn)“認識動機—認識行為—認識方式—認識品質(zhì)”的科學思維發(fā)展目標。
“生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性”是人教版普通高中教科書《生物學·選擇性必修2·生物與環(huán)境》第3章第5節(jié)的內(nèi)容。筆者以此內(nèi)容為例,介紹學程構(gòu)建的具體過程,教學思路如圖1所示。
2 教學過程
2.1 預(yù)學:“實”調(diào)查,激發(fā)認識動機
本環(huán)節(jié)的學習需要屬于興趣需要。教師選取環(huán)繞本校的“車陂涌”河涌創(chuàng)設(shè)真實情境。“車陂涌”作為廣州市黑臭河水治理工程的典范,大多數(shù)學生都親眼見證了該河涌的治理過程。教師從實際問題出發(fā),能夠充分激發(fā)學生的學習興趣。
選定調(diào)查地點后,學生開展小組討論并進行可行性分析,確定調(diào)查“車陂涌”的主要生物、水質(zhì)狀況和治理政策。調(diào)查過程中,教師要充分發(fā)揮學生的特長:擅長使用手機的學生提供生物識別軟件;家里養(yǎng)魚的學生提供水質(zhì)檢測試紙;無人機社長使用無人機航拍記錄活動。通過調(diào)查活動,學生能夠?qū)崿F(xiàn)從“感覺水質(zhì)變好了”的感性認識向“用實際數(shù)據(jù)證實”的理性認識的轉(zhuǎn)變,激發(fā)自身“實踐探究,追求真理”的學習動機。
2.2 共學:“真”問題,驅(qū)動認識行為
本環(huán)節(jié)的學習需要屬于知識需要。本節(jié)課的教學目標之一是理解生態(tài)平衡的概念及其特征。學生已具備生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能等相關(guān)概念基礎(chǔ),有助于他們理解新概念“結(jié)構(gòu)平衡”和“功能平衡”。然而,新舊概念間具有一定相似性,可能會導致學生在理解過程中缺乏深度思維,造成表面理解的假象。
教師可以借助學生獲得的調(diào)查數(shù)據(jù),制造認知沖突,以推動學生深度解讀新概念并構(gòu)建新舊概念間的聯(lián)系。教師設(shè)置以下問題串:①生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括什么要素?根據(jù)表1、表2內(nèi)容能否確定“車陂涌”處于結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài)?為什么?②“生產(chǎn)—消費—分解”的生態(tài)過程如何影響水中溶解氧的含量?③基于該調(diào)查結(jié)果,能否確定該地區(qū)處于功能平衡狀態(tài)?為什么?學生利用生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的相關(guān)知識,能夠解決部分問題。但仍有學生錯誤地認為,只要各種組分的測量值在標準值內(nèi)就是生態(tài)平衡。然而,這些看似理想的調(diào)查數(shù)據(jù)并不能證明“車陂涌”處于生態(tài)平衡狀態(tài),從而引發(fā)學生強烈的認知沖突,驅(qū)動學生深入解讀新概念,并展開激烈討論。在共同學習、分析討論后,學生能夠注意到概念中的“保持”一詞,認識到“保持平衡”是一個連續(xù)的、動態(tài)的過程,不能僅靠一次調(diào)查就下定論。在調(diào)查與反思的過程中,學生的穩(wěn)態(tài)與平衡觀的生命觀念能夠得到充分發(fā)展。
對于“收支平衡”這一全新概念的教學,教師首先采用模仿學習的方法,引導學生模仿教材中森林生態(tài)系統(tǒng)的收支分析,對“車陂涌”生態(tài)系統(tǒng)進行收支分析。隨后,教師制造認知沖突,補充說明“車陂涌”日均排污18.3萬噸,并設(shè)置問題:自然森林生態(tài)系統(tǒng)相比,該地區(qū)在有機物收支方面有何不同?學生完善了“車陂涌”生態(tài)系統(tǒng)的收支模型,豐富了“收支平衡”的內(nèi)涵,掌握了尋找生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量的來源與去路的模型分析方法。
2.3 研學:“建”模型,探索認識方式
本環(huán)節(jié)的學習需要屬于能力需要。生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)過程不僅是知識目標的重要組成部分,其核心的反饋調(diào)節(jié)機制更是培養(yǎng)學生模型與建模能力的絕佳素材。模型能力框架為教師提供了評估學生模型與建模能力的清晰指南(見表3)。根據(jù)該框架,教師發(fā)現(xiàn)多數(shù)學生的能力仍處于水平一或水平二,而水平三需要將模型作為理論重構(gòu)和科學研究的工具,是科學教育的能力目標之一。[3]
2.3.1 問題引導,初構(gòu)模型
教師通過河流維持自身穩(wěn)定的案例,設(shè)置以下問題鏈,引導學生分析復雜的數(shù)學模型(見圖2a):①變化的起因;②AB段需氧型細菌增加的原因及影響; ③BC段藻類增加的原因及影響。學生經(jīng)過曲線分析、信息提取、邏輯推理,揭示生態(tài)系統(tǒng)中各組分間的因果關(guān)系,構(gòu)建概念模型并進行闡釋:當污染程度在生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力范圍內(nèi)時,河流能夠依靠自身組分保持生態(tài)穩(wěn)定。從本質(zhì)上看,該模型將河流自潔的過程發(fā)展為理想化數(shù)據(jù);從建模目的上看,由“對河流自潔過程的描述”發(fā)展為“對生態(tài)系統(tǒng)中各組分間關(guān)系”的解釋。
2.3.2 深化情境,完善模型
教師提出假設(shè)和問題:如果日排污量增加到180萬噸,該地區(qū)的環(huán)境將如何變化?學生經(jīng)過分析、推理、判斷等過程重構(gòu)原模型,形成新的概念模型,以預(yù)測污染超出其自我調(diào)節(jié)能力時生態(tài)系統(tǒng)各組分的變化(見圖2b)。此過程中,學生對模型本質(zhì)和建模目的的理解程度達到模型能力框架的水平三。
2.3.3 提煉綜合,抽象模型
學生通過對具體概念模型中的核心要素和關(guān)系進行提煉、歸納與整合,得出更具普適性的“反饋調(diào)節(jié)”模型(見圖2c),辨析正、負反饋的區(qū)別、聯(lián)系和意義,標志著學生的模型思維達到更高的水平。
隨著情境的逐漸深化,學生經(jīng)歷了從認識、理解、應(yīng)用數(shù)學模型到構(gòu)建、修改、抽象概念模型的轉(zhuǎn)變,這一過程深化了學生對模型本質(zhì)和建模目的的理解,并促進其模型與建模的科學思維能力的發(fā)展。
2.4 拓學:“搭”舞臺,塑造認識品質(zhì)
本環(huán)節(jié)的學習需要屬于價值需要。當學習效果外顯化并且可以創(chuàng)造出更顯著的價值時,學生將產(chǎn)生更強的學習動力和更持久的學習行為?!吧鷳B(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性”一節(jié)具有十分重要的社會價值,學生不應(yīng)只是知識的接受者,更應(yīng)成為生態(tài)系統(tǒng)的保護者、宣傳者、監(jiān)督者。
教師精選學生收集的數(shù)據(jù),形成了2014年與2021年“車陂涌”治理方案的對比表(見表4)。學生通過對比兩年數(shù)據(jù)的異同,思考治理方案背后的科學依據(jù)。借助概念模型,學生對“治源頭”和“放養(yǎng)吞吃浮游動物的鰱魚、鳙魚”等措施進行理性分析。面對學生“為何選擇鏈魚、鳙魚而非其他魚種”的疑問,教師補充資料“四大‘家’魚和外來物種入侵”。
在問題解答過程中,學生拓展了對“增加生態(tài)系統(tǒng)組分以提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定”的認識,理解了增加組分要考慮多方面因素,如投放物種的適應(yīng)性和生態(tài)位以及避免外來物種入侵等。學生對于2021年治理方案的改變感到困惑,教師補充資料“廣州探索低成本可持續(xù)的低碳生態(tài)治水之路”。學生能夠由此理解降水位、少清淤、不搞人工化等措施背后的科學依據(jù),同時認識到環(huán)境治理方案的制訂不僅要考慮生態(tài)問題,還要考慮經(jīng)濟成本。
學生將所學的理論知識與真實的治理方案相結(jié)合,顯化了自身的認識,也認識到了原有想法的局限性,從而在知識拓展的過程中,不斷發(fā)展自身的批判性思維,塑造“尊重事實和證據(jù)”的科學思維品質(zhì),形成尊重自然、保護環(huán)境的價值觀和“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)文明觀。
3 結(jié)語
在“預(yù)學—共學—研學—拓學”的教學過程中,教師需尊重學生的個體差異,針對問題難度策劃多樣化的學習活動,如自主閱讀、小組討論、互相評價等,確保不同水平的學生均有學程發(fā)生,推動其思維發(fā)展。
為了縮小學習需要與教學目標之間的差別,教師不僅要看到學生應(yīng)達到的水平,更要清楚學生現(xiàn)在所處的水平。當教師將目光從教學目標轉(zhuǎn)向?qū)W習需要時,能夠設(shè)計出激發(fā)學生參與熱情的真活動,產(chǎn)生真問題,觸發(fā)真思維。因此,教師不僅要關(guān)注學生的興趣需要、知識需要、能力需要和價值需要,以形成學生學習的內(nèi)部動機,也要重視課堂評價環(huán)節(jié),及時開展自評、互評和師評,形成學生學習的外部動機。
筆者以“車陂涌”為例創(chuàng)設(shè)貫穿課堂的真實情境,不僅有利于學生的深度學習和科學思維發(fā)展,還能充分發(fā)揮本地資源的育人價值。教師應(yīng)在課堂上引起學生情感共鳴后,搭建課后延伸活動,引導學生關(guān)注社會議題,參與社會實踐,承擔起“保護自然、造福人類”的社會責任。
參考文獻
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