耗散結構理論視閾下的概念轉(zhuǎn)變教學研究

王銘志

摘 要 闡述了學生的概念認知結構類似于耗散結構，學生的概念轉(zhuǎn)變是一個從“無序”的迷思概念到“有序”的科學概念的過程。教師要充分了解學生的迷思概念，利用小組討論、探究實驗或反例等引發(fā)學生的認知沖突和漲落，并通過概念圖促進學生的自組織，進而實現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變。為保證概念的穩(wěn)定理解，教師還需幫助學生對概念進行跟蹤式的鞏固復習。

關鍵詞 耗散結構理論 概念轉(zhuǎn)變 教學策略 生物學教學

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

1 引言

1969年，比利時科學家伊利亞·普利高津提出耗散結構理論，并于1977年獲得諾貝爾化學獎。普利高津認為一個開放的非線性系統(tǒng)在不斷的物質(zhì)和能量的輸入達到閾值時，系統(tǒng)會從最初的無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行驙顟B(tài)，這種遠離平衡狀態(tài)的有序結構稱為耗散結構。耗散結構形成的條件可概括為：系統(tǒng)是一個開放的系統(tǒng)；系統(tǒng)必須遠離平衡狀態(tài)；系統(tǒng)內(nèi)部存在非線性的相互作用；系統(tǒng)可以發(fā)生內(nèi)部漲落。耗散結構的出現(xiàn)完全是自組織的，人們無法創(chuàng)造耗散結構，但可以創(chuàng)造出現(xiàn)耗散結構的條件。

2 學生的概念認知結構作為耗散結構所具有的特征

2.1 認知結構是一個開放的系統(tǒng)

建構主義認為，人的學習不是封閉于個人頭腦中的過程，而是同周圍環(huán)境中的工具、符號、語言乃至人際關系等媒體和功能性資源的交互過程中生成的過程，學生的學習依賴于認知結構。學生的認知結構一方面需要從外界環(huán)境輸入信息，作為具有自我能動性的個體，學生通過紙質(zhì)文本、視頻、廣播等途徑獲得大量的信息輸入；另一方面，學生的認知結構通過對信息進行加工，完成對外的輸出，即對抽象的理性問題或生活中一些實際問題的解決。因此，學生的認知結構必然是一個開放的系統(tǒng)。

2.2 認知結構是一個遠離平衡態(tài)的系統(tǒng)

學習者無法解決世界上所有的問題。學生的認知結構與外部環(huán)境存在這樣一個矛盾，即問題解決所需要的知識與學生認知結構中知識的不足或缺失之間的矛盾。這種矛盾導致學生的認知結構遠離平衡態(tài)，矛盾越大，認知結構就離平衡態(tài)越遠。這種矛盾促使學生不斷地完善認知結構，從而形成更高水平的認知結構。另外，學生認知結構中的各組成部分之間也存在較大差別，這種內(nèi)部組成部分間的差別也反映出學生認知結構并非是一個由均一同質(zhì)的各部分所構成的平衡系統(tǒng)。

2.3 認知結構存在非線性的相互作用

認知結構由認知形式、認知策略與方法、知識經(jīng)驗及其結構、認知風格和解悟認知等5個小系統(tǒng)組成。這五個小系統(tǒng)中還可細分為更小的組成部分。認知結構的功能不等于各部分功能的簡單加和。在學生的學習過程中，認知結構的各組成部分之間存在復雜的相互影響和相互作用。這種復雜的作用說明認知結構各組成部分之間存在極為復雜的非線性作用，而非簡單的線性作用。

2.4 認知結構內(nèi)部存在漲落

在學習過程中，學生的認知結構受到很多信息的刺激，如文字、聲音、圖片等。在概念學習過程中，教師為學生提供了指向概念轉(zhuǎn)變的多種信息，創(chuàng)造出多元的對話活動和情景。這些外在刺激能夠使學生的認知結構發(fā)生微漲落。微漲落通過非線性的相干作用和連鎖效應不斷放大，當達到一定的閾值時，學生的認知結構就會巨漲落。此時，概念發(fā)生轉(zhuǎn)變，認知結構的水平層次提高。因為閾值是可以通過試探性嘗試找到的，因此在教學中具有操作性。

綜上所述，學生的概念認知結構具有耗散結構特征，具備耗散結構形成的必要條件。

3 耗散結構理論視閾下的概念轉(zhuǎn)變教學策略

概念轉(zhuǎn)變的過程類似于耗散結構的出現(xiàn)過程，學生獲得生物學概念的過程實際上就是經(jīng)歷從“無序”的迷思概念概念轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝行颉钡目茖W概念的過程。因為概念轉(zhuǎn)變是通過學生自組織實現(xiàn)的，因此教師在教學中需要創(chuàng)造學生概念轉(zhuǎn)變的必要條件，幫助學生自主構建起對科學概念的理解，從而使學生實現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變。

以高中生物學概念“細胞呼吸”為例，耗散結構理論視閾下的概念轉(zhuǎn)變教學策略可以按以下環(huán)節(jié)進行。

3.1 充分了解學生認知結構中的“無序”：迷思概念

學生認知結構中的無序狀態(tài)是指學生所具有的迷思概念。迷思概念是學生在進入課堂學習前所具有的對某事物或事件不完全合理的認識、想法。學生迷思概念的無序體現(xiàn)在：（1） 迷思概念具有片面的、零碎的內(nèi)容，在知識聯(lián)系上缺乏適當?shù)年P聯(lián)；（2） 學生面對情景不同的同一類型問題時，往往會有不同的解釋；（3） 有些迷思概念前后不一致，而有些迷思概念則十分穩(wěn)定，極難改變。在教學中，教師應該調(diào)查和了解學生在學習“細胞呼吸”概念之前所具有的迷思概念，并做為教學的起點和突破口。

“細胞呼吸”屬于微觀的細胞水平的內(nèi)容，學生主要是通過教材和教師的介紹，獲得有關的了解。浙教版初中教材八年級下冊第三章第五節(jié)“生物的呼吸和呼吸作用”通過汽車內(nèi)部燃料與氧氣發(fā)生化學反應的類比，向?qū)W生介紹了動物、植物和微生物體內(nèi)葡萄糖和氧氣發(fā)生反應的呼吸作用過程。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學生對“細胞呼吸”具有以下迷思概念：

（1） 細胞呼吸是葡萄糖的氧化分解過程；

（2） 細胞呼吸的發(fā)生必須有氧氣的參與；

（3） 細胞呼吸的產(chǎn)物都是二氧化碳和水；

（4） 在動物、植物和微生物的體內(nèi)都可以進行葡萄糖與氧氣的反應。

3.2 提出問題，小組討論，暴露學生的不平衡狀態(tài)

社會建構主義強調(diào)概念的學習不應只是強調(diào)個體心智的主動建構，而更應該兼顧社群和集體中的對話、互動和切磋。

在“細胞呼吸”的教學中，教師首先提出問題：細胞呼吸是否就是指細胞內(nèi)葡萄糖和氧氣發(fā)生的生化反應呢？然后，組織學生以小組形式進行討論。因為初中教材中對呼吸作用介紹是通過類比汽車燃料與氧氣反應呈現(xiàn)的，所以導致很多學生堅定地認為細胞呼吸的底物只能是葡萄糖。雖然有些小組的學生回憶起初中階段提到的三大能源物質(zhì)，但是由于缺乏細胞呼吸明確的概念內(nèi)容，難以大膽做出假設性的推斷。此時，教師給出“細胞呼吸”的概念：細胞呼吸就是細胞內(nèi)進行的將糖類等有機物分解為無機物或小分子有機物，并且釋放出能量的過程。然后，組織學生再次討論。因為有了概念的明確內(nèi)容作為依據(jù)，小組內(nèi)學生通過交流、討論，認識到糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等物質(zhì)的氧化分解都屬于細胞呼吸的范疇。

接下來，教師引導學生一起對“細胞呼吸”的概念進行解構，找出概念的關鍵詞。教師對應關鍵詞提出相應的問題，繼續(xù)讓學生小組討論，并說出判斷依據(jù)（表1）。

學生對“分解”有不同的看法。教師可以提供有關化學知識作為“腳手架”，向?qū)W生解釋說明：物質(zhì)分解的化學反應沒有氧氣參加依然可以發(fā)生，依然會釋放能量。

為了進一步幫助學生明確細胞呼吸的底物可以是多種類型的有機物，教師可以呈現(xiàn)糖類、脂肪和蛋白質(zhì)等食物分子分解的過程示意圖。

通過對“細胞呼吸”概念的解構，教師可以幫助學生梳理出概念的關鍵要素，然后對應概念的關鍵要素，設置相應的問題，讓學生在對問題的思考和解決過程中加深對概念的整體理解。

3.3 通過探究實驗和反例，促使“漲落”，實現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變

耗散結構理論認為漲落是耗散結構的觸發(fā)器。漲落只有出現(xiàn)在遠離平衡態(tài)的區(qū)域時，才起到觸發(fā)器的作用。因此，教師在暴露出學生的不平衡狀態(tài)后，應進一步創(chuàng)造條件促進其概念認知結構的漲落。

對于細胞呼吸是否需要氧氣的問題，教師可以讓學生進行探究性實驗——“探究酵母菌的細胞呼吸的方式”。學生通過自主設置有氧條件和無氧條件，探究并檢測酵母菌在不同條件下的呼吸產(chǎn)物，最終得出實驗結論：酵母菌在有氧條件下產(chǎn)生二氧化碳和水；在無氧條件下產(chǎn)生二氧化碳和乙醇。學生通過探究實驗真實經(jīng)歷了的整個實驗過程，認識到細胞呼吸在有氧和無氧條件下都可以發(fā)生。因為有直觀、真切的實驗結果，學生“小漲落”形成“巨漲落”，從而推翻了之前的觀點：① 細胞呼吸的發(fā)生必須有氧氣的參與；② 細胞呼吸的產(chǎn)物都是二氧化碳和水。

為了進一步促進學生的理解，教師繼續(xù)提供反例材料：乳酸菌在無氧條件下可以使牛奶發(fā)酵成酸牛奶或奶酪。在此過程中乳酸菌能夠?qū)⑵咸烟前l(fā)酵成乳酸，具體反應如下：C6H12O6→2C3H6O3（乳酸）+少量能量。學生通過分析，拓展了“細胞呼吸”的概念外延。學生通過總結，認識到在無氧條件細胞呼吸的產(chǎn)物可以是乙醇和二氧化碳，也可以是乳酸，呼吸產(chǎn)物的種類取決于生物的類型。

教師繼續(xù)提供專性好氧菌的例子：有些細菌如銅綠假單胞菌、放線菌等必須在較高濃度分子氧的條件下才能生長，它們有完整的呼吸鏈，以分子氧作為最終氫受體，沒有氧氣則不能生長。通過讓學生閱讀這樣的材料，他們能夠發(fā)現(xiàn)有些微生物只能進行需氧呼吸，從幫助拓展對細胞呼吸的認識。

此時，教師繼續(xù)追問：動物、植物和微生物都可以進行葡萄糖與氧氣的反應嗎？再次，組織學生進行小組討論，然后發(fā)表觀點。經(jīng)過之前的學習，學生可以比較充分地做出判斷：動物和植物可以進行需氧呼吸和厭氧呼吸；有些微生物既可以進行有氧呼吸，又可以進行厭氧呼吸，有些微生物只能進行需氧呼吸或厭氧呼吸。

3.4 建構概念圖，促進學生的自組織

概念轉(zhuǎn)變是學生內(nèi)部認知結構自組織的過程。概念轉(zhuǎn)變需要學生構建起完整的概念框架。概念圖作為學生概念組織的體現(xiàn)和概念水平的評價途徑，可以促進學生對概念認知水平的提高。

教師引導學生先進行組間討論交流，小組合作畫出“細胞呼吸”的概念圖，然后各小組之間補充、修正，最終形成完整的概念圖（圖1）。

3.5 跟蹤式的鞏固練習或變式訓練，維持科學概念的穩(wěn)定理解

耗散結構理論認為耗散結構需要持續(xù)的能量和信息的輸入才能保持其有序狀態(tài)。因此在概念教學中，長期跟蹤式的鞏固練習或變式訓練是極為必要。這樣的長期鞏固復習能保證科學概念水平的穩(wěn)定，防止學生對科學概念的理解回到迷思概念的狀態(tài)。

鞏固練習或變式訓練可以是對“細胞呼吸”某個概念要素的考查。這種類型的考查能夠幫助學生對概念關鍵要素的復習和理解。另外，鞏固練習或變式訓練可也可以是開放的問題，例如細胞呼吸的意義是什么。這樣的問題只有在學生了解細胞呼吸的反應物、過程和產(chǎn)物后才能做出回答，從而促進學生對概念的復習和理解。教師還可以提出：“動物、植物和微生物的細胞呼吸的異同點有哪些？”這樣的問題要求學生對整個細胞呼吸的過程進行詳細復習，回扣以往的知識點。這就保證對概念的持續(xù)穩(wěn)定理解。

4 小結

耗散結構理論視閾下的概念轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變教學不是讓學生僅僅記住概念的內(nèi)容或概念涉及的一些生物學事實，而是要幫助學生摒棄迷思概念，并理解科學概念所包含的某些生物學事實的總體特征和規(guī)律的東西。教師需要創(chuàng)造概念轉(zhuǎn)變的條件，不斷地引發(fā)學生的認知沖突，促進漲落和學生自組織，建構起合理的概念框架，最終促使學生從迷思概念到科學概念的概念轉(zhuǎn)變。為了保證學生對科學概念的持續(xù)穩(wěn)定的理解，教師需要提供多元的問題解決情景，長期跟進關注學生的概念水平。

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