“概念沖突”教學模式在“現(xiàn)代生物進化理論的主要內(nèi)容”教學中的應用

張小奇

摘 要：“概念沖突”教學模式由Nussbaum和Novick提出，其要點是：順應學生的認知心理規(guī)律，在揭示前概念的基礎上，利用新概念與前概念之間的沖突，激發(fā)學生對新概念的關注，進一步理解已有的前概念，從而建立完整的新概念體系。嘗試利用概念沖突教學模式設計“現(xiàn)代生物進化理論的主要內(nèi)容”一節(jié)的教學過程。

關鍵詞：前概念;概念沖突;概念轉化

Nussbaum和Novick于1981年提出了一種以皮亞杰的順應理論為基礎的教學策略。這種策略包括四個主要因素：（1）通過學生對已有事件的反應揭示學生的前概念。（2）使學生明確意識到他們自己和別的學生的想法不同。（3）通過讓學生嘗試解釋一個矛盾事件，引起概念沖突。（4）鼓勵和引導認知的調(diào)整，建立與科學概念相一致的新的概念模型。這一教學策略強調(diào)在教學過程中促進概念的轉變，通過創(chuàng)設情境或者閱讀引導，使學生對一些現(xiàn)象持有的觀念明朗化，即暴露學生認知過程中的前概念，然后通過提問或者引進新概念，直接對前概念進行挑戰(zhàn)，引發(fā)學生的認知沖突，在解決沖突的過程中形成科學的新概念，從而建立完整的新概念模式。“現(xiàn)代生物進化理論的主要內(nèi)容”是人教版高中生物學教材必修2第七章第2節(jié)的內(nèi)容。學生在第1節(jié)“現(xiàn)代生物進化理論的由來”中，學習了進化學說的主要內(nèi)容，并且了解了現(xiàn)代生物進化理論是以自然選擇學說為核心，深入基因水平的更完善、更復雜的理論學說。

通過第1節(jié)的學習，學生初步形成了“進化”的前概念。第2節(jié)中由種群是生物進化的基本單位以及突變和基因重組是生物進化的原材料兩部分主干知識組成。如何引導學生由“進化的單位是個體”向“進化的單位是種群”這一概念轉變？如何引導學生通過計算認識到進化的本質是“基因頻率的改變”，而不是個體水平的“性狀的改變”？不妨設置如下的概念沖突。

一、“種群是生物進化的基本單位”概念教學

1.創(chuàng)設情境，揭示前概念

教師向學生提供人類進化歷程的短視頻（體毛、行走方式、面部結構等變化），激發(fā)學生對“表現(xiàn)型”“進化”這些概念的關注。請學生結合已有的知識和自身的理解，說出對“進化”這一概念的理解，暴露出學生已有的進化觀念，即使前概念明朗化。整理為：“進化就是在長期的歷史過程中，生物的性狀（形態(tài)結構、表現(xiàn)型）不斷發(fā)生的變化。”“人類的進化還包括智力的進化”“進化是生物的表現(xiàn)型受環(huán)境的影響而不斷變化，適應新環(huán)境的過程”等。

2.提供問題情境，明確認知沖突

問題情境：“在環(huán)境的影響下，生物的哪些方面發(fā)生了變化？”學生將 “形態(tài)結構”“性狀”等答案總結為“表現(xiàn)型”。進一步提供問題情境：“生物的表現(xiàn)型依附于生物的個體，一旦個體死亡，這一表現(xiàn)型也隨之消失，那么在這一物種的進化歷程中，這一適應環(huán)境的表現(xiàn)型是否還會再出現(xiàn)？如何才能出現(xiàn)？”學生對此產(chǎn)生爭議：能，這一個體死亡了，但是通過遺傳，其后代可能可以表現(xiàn)出這一性狀，并且一代代傳下去。另外也有認為不能的，這一個體可能沒有產(chǎn)生后代就死亡了，或者沒有產(chǎn)生足夠多的后代，使這一性狀沒有得到遺傳。

3.深化認知沖突，形成概念沖突

這一問題情境的創(chuàng)設引發(fā)的認知沖突收到了極好的效果。學生整理了之前學習的突變和基因重組的知識，對某一性狀的進化問題已經(jīng)深入基因的水平，也認識到了探究進化問題不能局限于個別甚至是一代生物，而必須引進遺傳問題。也就是，要以種群為基本單位來研究，所以說種群是生物進化的基本單位。

4.引導認知調(diào)整，建立新概念

在引導學生建立科學概念的同時，要及時進行認知調(diào)整，從根本上消除前概念的影響。（1）提供閱讀材料，判斷是非：達爾文認為，自然選擇作用是生物的個體，而且是個體的表現(xiàn)型。（2）深入理解概念，建立概念體系：生活在一定區(qū)域的同種生物的全部個體叫做一個種群。種群的本質僅僅是指同種生物的集合嗎？其根本特點是什么？學生從遺傳變異的角度理解，自然選擇最終一定要作用于基因型才可以引起進化，種群的根本特征是個體間可以進行基因交流。加深了對“種群是生物進化的基本單位”這一核心概念的理解，也為基因型的相關計算學習做好了鋪墊。

二、“用數(shù)學方法討論基因頻率變化”計算教學

在之前的遺傳計算中，學生更多的是計算純雜合體的概率，其實是基于個體水平計算后代的頻率。而在進化中，要轉化為以群體為單位計算，用基因頻率表示一個種群進化的內(nèi)在傾向。這一計算方式的轉變，也是一個概念的轉變。概念沖突模式，可以幫助學生擺脫固有的計算思維，為這一部分學習夯實基礎。

1.回顧已有知識，揭示前概念

第一部分學習中，剛剛形成一個新概念：種群是生物進化的基本單位。教師展示如下題目，了解學生對進化問題計算的前概念。

題目：一個昆蟲種群中的個體全部為雜合子，其基因型用Aa表示，A決定綠色翅，a決定褐色翅，自然選擇對綠色翅和褐色翅的壓力是相同的，請學生推測其后代的進化傾向，并說明為什么。

學生很容易計算出，后代AA個體占1/4，Aa個體占2/4，aa個體占1/4，顯性個體占3/4，隱性個體占1/4。因此，在自然選擇壓力相同的情況下，顯性個體數(shù)目更多，其進化傾向應該是綠色翅。學生慣性個體數(shù)目即基因型頻率推測一個種群的進化傾向，將這一前概念展示出來。

2.提供問題情境，產(chǎn)生認知沖突

引導學生閱讀理解基因頻率的概念，列出計算公式，假設上述種群中有100個體，嘗試計算A和a的基因頻率，得出結果二者相同，都是50%。提問：這個基因頻率說明了什么問題，從A和a在種群中的頻率是1：1，大家可以得到什么啟發(fā)？學生回答，1：1也就是產(chǎn)生的配子的比率。

3.深化認知沖突，形成概念沖突

綜上，對于該種群而言，A的配子和a的配子數(shù)目是一樣的。在隨機交配的情況下，后代AA，Aa，aa這三種組合方式的比例是保持穩(wěn)定的，也就是說當自然選擇的壓力相同時，該種群不存在綠色翅比褐色翅更有進化傾向的問題。由此可知，探究種群的進化問題，應該是以基因頻率為基礎，而不是基因型頻率。引導學生從遺傳題的思維局限中走出來。

4.舉一反三，引導新概念模型的形成

教師展示新題目：

如果一個100個個體的昆蟲種群中，AA 30個，Aa 60個，aa 10個，嘗試計算其后代種群中A和a的基因頻率。引導學生首先得出配子的比率為6：4，則AA組合出現(xiàn)的頻率為36%，aa組合出現(xiàn)的頻率為16%，Aa為1-36%-16%=48%。將這一計算模式列表。

觀察數(shù)據(jù)得出哈溫平衡模式，并組織學生討論總結得到這一平衡模式需要滿足的條件。

三、“突變和基因重組是進化的原材料”概念教學

1.創(chuàng)設情境，揭示前概念

教師引導學生回顧知識，激發(fā)學生對“基因突變”“染色體變異”和“基因重組”概念的關注，提供問題情境“突變和基因重組有哪些特性？”引導學生總結出核心特性，即隨機、不定向性，促進學生對“突變和重組”這一前概念明朗化。

2.提供問題情境，產(chǎn)生認知沖突

教師提供問題情境，引出新概念。（1）上述遺傳平衡的種群在自然界是否存在？為什么？整理學生答案：不存在，因為不可能沒有自然選擇，不可能沒有突變以及隨機交配等。（2）既然不存在遺傳平衡種群，自然種群的基因頻率和基因型頻率可以代代保持穩(wěn)定嗎？學生答案：不會。（3）種群基因型頻率和基因頻率的變化，意味著什么？整理學生答案：有自然選擇壓力，發(fā)生了突變，種群發(fā)生了變化等。教師補充引導：種群發(fā)生了進化。

3.深化認知沖突，形成概念沖突

從上述問題情境提煉新概念，突變和基因重組使種群的基因頻率發(fā)生變化，從而為種群進化提供原材料。進化的實質是種群基因頻率的改變。繼續(xù)提供問題情境，產(chǎn)生概念沖突。“突變頻率很低，如何成為進化的原材料？”“突變和基因重組都具有不定向性，怎么確定進化的方向呢？”在矛盾沖突中激發(fā)學生對原有概念的深入理解。

4.引導認知調(diào)整，建立新概念

教師提供閱讀材料：假定每只果蠅約104對基因，每個基因突變率10-5，每代約108個個體。對于每個基因來說，突變率很低;對于每個個體而言，突變率為2×10-1，較低;嘗試計算每代果蠅會有多少突變數(shù)目產(chǎn)生呢？學生計算得出：2×107個。引導學生認識到每一代的突變數(shù)目很大，再加上重組產(chǎn)生的新基因型，種群進化的原材料是很豐富的。繼續(xù)提問，引導思考：突變具有不定向性，重組具有隨機性，不能決定進化的方向，那么進化的方向由誰來決定呢？學生很容易答出：自然選擇。教師引導新概念體系建立，一個種群的突變數(shù)很多，自然選擇確定適應環(huán)境的變異，逐代積累，通過改變基因頻率，決定進化的方向。最后，可以通過自然選擇深入理解對樺尺蠖基因頻率的影響的計算這一過程，完善新概念體系。

四、模式操作過程中的反思

學生的前概念有的來自日常生活，有的來自已有的知識，甚至有的來自剛剛建立起來的新概念。前概念未必都是不正確的，但是往往是片面的，或者是有缺陷的。前概念一旦形成，在學生頭腦中印象深刻，難以轉變。如果用傳統(tǒng)的講授式的課堂教學，將新概念以知識呈現(xiàn)的形式灌輸給學生，往往忽略了學生已有的經(jīng)驗和知識結構，在學生的認知心理上產(chǎn)生了難以被當場察覺的矛盾和認知沖突。傳統(tǒng)教學方法更正前概念的效果也會受到影響。概念轉化模式，正是從認知心理的角度，利用了學生的這一認識沖突，將其完整地呈現(xiàn)在教學現(xiàn)場，在認知上順應學生的心理變化規(guī)律，順應認知規(guī)律，使知識的獲得水到渠成。

參考文獻：

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