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利用概念学习进阶培养学生的生物学核心素养——以“细胞的多样性和统一性”为例

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  • 更新时间2022-11-28
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摘    要:围绕中学“光合作用”这一核心概念的构建,以初、高中“光合作用”的概念学习进阶为研究对象,探讨“光合作用”这一核心概念在初、高中不同学段的概念进阶情况,设计了概念进阶图,探索促进学生达成“光合作用”概念学习进阶目标的策略。


关键词:光合作用;概念学习进阶;实践研究;


中学生物学教学主要是围绕重要概念展开的,生物学课程内容的基本组成之一即为生物学概念。《义务教育生物学课程标准(2022年版)》要求课程设计重衔接,使初中阶段的生物学学习与小学和高中阶段的学习能够有效衔接、循序渐进、连贯一致[1]。每个学习主题的内容要求部分以大概念、重要概念和次位概念的形式呈现相应的概念体系,有利于教师的教和学生的学。《普通高中生物学课程标准(2017年版)》的课程理念之一为“课程内容聚焦大概念”[2],通过学生深刻理解和应用重要的生物学概念来发展学生的生物学学科核心素养。初中生和高中生在知识水平和思维水平上处在不同的发展阶段,在相同概念的学习认知中,从课标要求到课本内容呈现形式都体现出明显的进阶性,这也就要求教师在概念教学的过程中探索体现概念进阶性的教学策略。


一、学习进阶的概念分析

“概念学习进阶”实际上是对“应该为学生设定怎样的学习路径”这一问题的探索,它可以直观呈现各概念之间的发展路径及联系,显示概念学习的来龙去脉,为教师的教和学生的学提供可参考的目标,为最终理解核心概念提供“线路图”[3]。在不同学习阶段,学生的前概念、知识储备、思维水平不同,对概念的理解程度也存在差异,因此,在准确掌握学情的基础上,为学生设置环环相扣的概念阶梯,有利于通过层层递进的方式帮助学生深度理解概念内涵,构建概念体系,实现概念学习进阶。


二、中学生物教学中学习进阶的现状分析

(一)课标分析

在初、高中生物学学习中,有很多同一主题下的重要概念,例如在初中学习中有关细胞的结构和功能、细胞代谢、细胞的分裂分化、遗传的物质基础、遗传的规律、人和动物生命活动的调节等内容,在高中阶段的相应模块中都会有进一步的相关阐述。“光合作用”就是其中之一,其概念进阶性描述主要体现在:初中段侧重物质和能量的变化结果,高中段则以相应变化的具体过程作为概念核心。(表1)


  表1 初、高中阶段“光合作用”核心概念表述比较


结合课标的进阶要求,分析初、高中“光合作用”重要概念及其下位概念之间的逻辑关系,形成两个学段中聚焦“光合作用”概念学习进阶的概念体系。


(二)教材进阶分析

1. 关于“光合作用场所”概念的进阶

初、高中教材对“光合作用场所”的内容呈现出从显微结构水平到亚显微结构水平的认知变化特点。


初中阶段通过活动“观察叶片的结构”,在光学显微镜下观察到叶肉细胞中有许多绿色颗粒结构,并介绍该结构是光合作用的场所。其主要分布在叶片的叶肉细胞即栅栏组织和海绵组织中,在表皮细胞及叶脉中无叶绿体结构。


在高中教学中,通过系列活动帮助学生认识叶绿体的亚显微结构。如通过实验“绿叶中色素的提取和分离”帮助学生认识到绿叶中有四种色素,四种色素的含量不同。将绿叶中的4种色素溶液分别放在阳光和三棱镜之间,从连续光谱看到叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光,胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。通过资料分析可知,萨克斯的发现确定了光合作用的场所在叶绿体。通过电子显微镜下叶绿体结构的观察,认识叶绿体的亚显微结构,包括双层膜结构、叶绿体基质、类囊体堆叠而成的基粒等结构。


2. 关于光合作用探索历程科学史的进阶

对科学本质的认识,初、高中都以科学史作为事实基础,构建光合作用的原料、场所、产物、条件的相关概念。通过科学史及学生基本实验认识光合作用的原料、场所、产物、条件,通过科学史的学习能解释光合作用的物质具体是如何从无机物到有机物的,能量是如何从光能转变成化学能的。


初中的光合作用科学史包括:17世纪以前,人们认为植物生长在土壤中,一定是从土壤中获得生长需要的各种物质;海尔蒙特的木桶种柳树实验;普利斯特利通过实验证明绿色植物能够净化因蜡烛燃烧或动物呼吸而变得污浊的空气;英格豪斯通过实验证明绿色植物只有在光下才能净化空气;瑟讷比埃通过实验证明植物在光下放出氧气的同时,还要吸收空气中的二氧化碳;索绪尔发现绿色植物在光下同时还要消耗水,这和海尔蒙特的结论相吻合;萨克斯通过实验证明绿色植物在光照下不仅能够释放氧气,而且能够合成淀粉等物质,供给植物生长发育等生命活动能量;1897年,科学家首次提出光合作用等。


通过系列发现史实验,帮助学生认识光合作用的原料、产物、条件,形成光合作用的一般概念:光合作用的原料需要二氧化碳和水;光合作用的产物包括水和淀粉等有机物;光合作用需要在光照条件下进行。


高中的光合作用科学史在初中涉及的普利斯特利、英格豪斯、梅耶、萨克斯实验基础上增加了恩格尔曼通过水绵和好氧细菌实验证明光合作用的场所在叶绿体;鲁宾和卡门利用同位素标记法证明光合作用释放的氧气来自水;卡尔文用同位素标记法探明了CO2中碳在光合作用中转化成有机物中的碳的途径,这一途径称为卡尔文循环。在初中认识光合作用原料、产物、条件的基础上进一步探明光合作用的具体场所,物质和能量转换的具体路径。形成一般概念:植物光合作用时能将光能转换成化学能储存起来;光合作用的产物有氧气和淀粉;光合作用的场所在叶绿体;光合作用释放的氧气来自水;卡尔文循环。


3. 关于光合作用影响因素的进阶

教材对光合作用影响因素的阐述体现出从初中阶段的感性、定性探究,到高中阶段的理性、定量探究的进阶特点。


初中段通过“验证绿叶在光下合成淀粉”“检验光合作用释放氧气”“检验光合作用需要二氧化碳”等一系列实验,使学生获得大量直观的感性认识,为学生进一步构建核心概念奠定基础。


高中生物通过“绿叶中色素的提取和分离”“探究环境因素对光合作用强度的影响”等系列实验帮助构建核心概念体系。高中段实验较初中有明显减少,更多的是在感性认识的基础上强调理性思维,强调根据现象分析原因,构建数学模型,对学生的逻辑思维能力要求更高。


三、中学生物教学中学习进阶的教学策略

(一)升级观察材料,升级结构认知

在构建概念“叶绿体是光合作用的场所”过程中,初中教师需要提供更多事实性材料作为支撑。例如引导学生利用光学显微镜观察各种植物叶片材料,通过材料的多样性观察让学生认识到叶绿体的结构并不都是一样的。在发展学生“结构和功能观”的同时也培养学生比较与分类等科学思维能力。高中阶段,可以让学生观察电子显微镜下的叶绿体或者叶绿体的亚显微结构图片,帮助学生构建概念体系,同时培养学生的结构功能观。


(二)丰富探究历史,完善过程理解

需要充分利用科学史帮助学生了解光合作用的发现过程。教师要充分引导学生站在科学家的思维角度,再现科学家的科学探究过程和思维历程,分析实验、得出结论。高中段的科学史增加了以同位素标记法为手段的科学实验,这是建立在学生物理、化学知识达到一定水平基础上的,充分体现了学科的融合性。为了帮助学生更为全面地认识光合作用的发现过程,建立更为完善的认知结构,高中教师可以补充光合作用发现史实验,如希尔用离体的叶绿体在具有NADP+的水溶液中且无CO2的条件下给予光照有O2放出;阿尔农向反应体系中供给ADP、Pi和NADP+,同时给离体的叶绿体照光,体系中就会有ATP和NADPH产生。


(三)分析实验原理,提升探究精度

实现概念的进阶也离不开科学探究实验,通过探究实验能培养学生的科学思维,提高学生的学科素养,帮助学生构建概念。教师要充分利用身边资源帮助学生开展探究活动。初中段需要学生能通过实验的设计与实施,了解、熟悉科学探究的基本步骤。高中段学生开展探究活动时要侧重引导学生理性分析实验过程中出现的现象及出现该现象的根本原因,以及影响实验结果的因素等更深层次的问题,进一步结合呼吸作用原理,通过模型建构的方法分析生产实践中的具体问题,并提出相应的解决措施,提升学生应用知识进行实践从而解决实际问题的能力。


参考文献

[1] 教育部.义务教育生物课程标准(2022年版)[M].北京:北京师范大学出版社,2022:2.

[2] 中教育部.普通高中生物课程标准(2017版)[M].北京:人民教育出版社,2020:7.

[3] 徐畅中学化学与进阶学习中“氧化还原反应"核心概念的研究[D]武汉:华中师范大学, 2018.