基于心理旋轉的小學生物進化樹教學實驗報告

孔 藝,王 蕾,倪錦月

一、引言

進化樹,又稱系統發育樹,它以樹狀分支圖的形式展現了地球上物種的進化歷程以及親緣關系,[1]是達爾文共同祖先說的直接體現,即地球上所有現存物種具有共同祖先,物種之間的親緣關系體現為呈輻射狀串起的進化樹。[2]讀懂進化樹是真正理解生物進化的必要條件。[3]小學科學課程標準中列出的學習生物分類、了解動物與植物之間的相互關系以及認識生物的多樣性等均是生物進化的重要內容。[4]然而生物進化的教學內容較為抽象,僅通過教師的講解和教材中各種實例和圖片的呈現,很難真正幫助學生進一步理解生物進化。[5]引入進化樹的教學一方面可以幫助學生組織生物多樣性的知識框架,[6]另一方面通過進化樹這種形象和直觀的形式可以促進學生理解生物進化的本質,有助于學生形成科學的思維方式、樹立科學的世界觀。[7]

我國關于進化樹教學方面的研究較少,目前已有研究者關注到解讀進化樹需要根據共同祖先的原則,[8]呼吁重視解讀進化樹所需要的“樹式思維”對進化論教育的作用,[9]然而當前我國尚未重視進化樹在生物進化教學中的重要作用。為幫助小學生真正理解生物進化,依據當前進化樹教學的研究成果,本研究制定了適用于小學階段的進化樹教學目標、內容和教學策略,并采用單組前后測設計檢驗其教學效果,以期為小學階段開展進化樹教學提供參考。

二、小學進化樹教學實驗設計

(一)實驗模式

本研究采用單組前后測設計,實驗的自變量為基于心理旋轉的教學活動,因變量為學生的測驗成績。實驗程序分為四步:第一,對所有參與實驗的學生進行第一次測驗;第二,對實驗組學生開展進化樹教學,對照組學生不參與教學;第三,對所有參與實驗的學生采用同套測驗卷進行第二次測驗;第四,進行數據分析,檢測基于心理旋轉的進化樹教學的教學效果。

(二)實驗樣本

本研究選取東南部某市兩所市屬公立學校M小學和Q小學5—6年級的小學生,以班級為單位參與實驗。為控制無關變量的影響,所選取的實驗組與對照組需滿足前測成績并無顯著性差異。共計73名實驗組學生和68名對照組學生符合實驗要求。

(三)教學設計

1.教學目標和內容

本研究依據當前國際上進化樹教學的研究成果,結合國內課程標準要求及學生發展特點制定小學進化樹教學目標和內容。Kong等人構建了一個適用于基礎教育階段以及大學低年級階段的進化樹知識體系MUET模型,[10]該模型較為全面且系統地介紹了讀懂進化樹所需的知識模塊,是本研究選擇進化樹教學內容的依據。Halverson等人[11]建議進化樹教學應包含解讀單棵進化樹和比較多棵進化樹兩個環節,同時Halverson[12]發現扭扭棒適合作為進化樹教學的教具,這些建議均被本研究采納。

依據我國小學科學課程標準的要求以及小學階段學生思維邏輯性和心理旋轉能力發展的具體特征,本研究選取MUET中“樹的表現形式”和“樹式思維”兩大知識模塊作為教學內容,引導學生認識單棵進化樹的組成部分,運用“樹式思維”的方法解讀和比較進化樹間的關系,形成進化樹教學的目標及內容(見表1)。小學進化樹教學包含三個教學模塊:“認識進化樹的組成部分”“解讀進化樹”“比較各進化樹之間的關系”,各模塊教學內容之間具備階段性、關聯性與連續性,其中“解讀進化樹”教學模塊是進化樹教學的核心。

表1 進化樹教學的目標及內容

2.教學策略及過程設計

(1)教學模塊一:認識進化樹的組成部分

A.結合生活情境,認識進化樹的內涵

建構主義的學習理論表明,教學要將學生已有知識作為新知識的生長點,并強調學習的情境性。教學中可借助生活化的例子幫助學生理解抽象的進化樹概念。通過展示人類進化歷程和黑猩猩、大猩猩、獼猴等現存人類近親的圖片,設問:“什么方式既能展現我們人類的進化歷程又能展示人類與黑猩猩、大猩猩、獼猴等物種之間的親緣關系呢?”用以了解學生的知識基礎,并引出進化樹的概念。這樣以學生熟悉的人類進化歷程及其近親為例,引入進化樹的抽象概念,使教學自然過渡到新知識的學習。

B.運用視覺感知,認識進化樹的組成部分

建構主義的學習理論強調學習是學生主動構建知識的過程。進化樹是一種典型的視覺表征,學生需要觀察進化樹及其組成部分,在教師指導下,聯系已有知識經驗,認識和理解進化樹組成部分及其內涵。

教學中,教師先后展示圖1所示的兩棵進化樹,先介紹進化樹一般由根、分支、節點、末端四個部分組成,再分析各組成部分的基本內涵。圖1A所示的進化樹展現了甲、乙、丙之間的親緣關系,進化樹的末端甲、乙、丙表示現存物種,節點表示乙與丙的最近共同祖先,根表示進化樹上所有物種的共同祖先,即甲、乙、丙的共同祖先,分支表示連接物種與節點及根的線段。教學中讓學生先學習圖1A再學習圖1B,通過增加進化樹的復雜性來幫助學生深入理解進化樹各組成部分的內涵。

圖1 進化樹及其組成部分

(2)教學模塊二:解讀進化樹

A.創設問題情境,引發學生的深度思考

建構主義的學生觀認為,在知識學習和問題探究中,學生間的交流與質疑是重要的學習資源。學生的學習和生活經驗不同,一個問題可能會引出各種不同觀點,進而激發學生思考與交流。教師提供一棵展現鯨、人與魚親緣關系的進化樹,并提問鯨與誰的親緣關系更近。有學生根據鯨和魚的外形相似,認為鯨和魚的親緣關系比鯨和人的親緣關系近,還有學生根據鯨與人都屬于哺乳動物而持相反的觀點。教師引導學生在尊重他人觀點的基礎上進行辯論,這有利于激發學生的好奇心,引發學生深度思考,同時也可鍛煉學生在民主的氛圍下與他人相處的能力。

B.關注前概念的影響,通過認知沖突促進科學概念的轉變

“前概念”也稱“前科學概念”,是學生在日常生活中對客觀世界中自然現象產生的看法,認識和合理地運用學生的“前概念”是建構主義學習理論運用于科學教學的重要原則之一。[13]教師在教學中首先使用甲、乙、丙、丁等來代替進化樹上具體的物種,這樣可以排除前概念帶來的干擾。然后引入姐妹群和外群的概念。姐妹群是指進化樹上親緣關系最近的兩個物種,外群是指進化樹上與其他物種親緣關系最遠的物種。教師以圖1B為例,引導學生識別丙與丁為姐妹群、甲為外群,并引導學生依據物種之間最近的共同祖先來解讀進化樹上物種之間的親緣關系遠近。最后,教師再次展示體現鯨、人與魚親緣關系的進化樹,讓學生依據最近共同祖先、姐妹群和外群等概念重新解讀三者之間的親緣關系。同時教師讓學生帶入自己的前概念,例如,“鯨與魚都生活在水里”“鯨與人都屬于哺乳動物”等,再次解讀進化樹,引發學生的認知沖突,通過新、舊知識和經驗之間的相互作用,促進學生從前概念向科學概念的轉變,形成正確解讀進化樹的能力。

(3)教學模塊三:比較各進化樹之間的關系

A.通過動手操作,獲取分支旋轉的知覺經驗

由于小學生正處于形象思維向抽象思維發展的階段,在理解抽象概念和意義時需要借助直接經驗。教學中使用合適的工具為學生提供將進化樹轉變為真實世界中可操作的事物,讓學生獲取知覺經驗,為學生利用心理旋轉在頭腦中想象出進化樹分支旋轉的過程及結果打下基礎。教師首先展示教具扭扭棒(如圖2A),將其類比為展現蛇、鱷魚、鳥、雞親緣關系的進化樹,讓學生知道每個顏色代表的物種,然后向學生展示分支旋轉的方法,即分支繞節點旋轉(預期成果如圖2B)。教師要求學生按照分支旋轉的方法,手動旋轉扭扭棒,用黑筆在白紙上畫出分支旋轉后的進化樹的表現形式,并挑選學生在黑板上分享自己所畫的進化樹,力求黑板上呈現進化樹的各種不同表現形式。

圖2 進化樹教具扭扭棒的旋轉實例

B.運用心理旋轉,比較各進化樹之間的關系

心理旋轉是人在頭腦中對表象進行旋轉的過程,[14]利用心理旋轉能力可以在頭腦中對進化樹的分支進行旋轉,為比較不同進化樹間的關系打下基礎。通過上一階段的動手操作,學生獲得一定的知覺經驗,本階段需要引導學生運用心理旋轉能力,想象進化樹的分支旋轉的過程和結果,從而能夠理解分支旋轉后進化樹的親緣關系不變的概念。從上一階段學生分享的進化樹中,教師任意挑選其中兩棵(如圖3A和圖3B),并請學生描述圖3A轉換成圖3B的分支旋轉過程,引導學生從表現形式和親緣關系兩個角度,比較這兩棵進化樹間的異同,分析并得出“分支旋轉后進化樹展現的親緣關系不變”的結論。在學生已掌握一種類型進化樹的基礎上,引導學生運用知識遷移能力,解讀其他表現形式的進化樹,從而理解進化樹有多種表現形式。教師展示圖3C和圖3D,請學生比較這兩棵進化樹間的異同,再引導學生觀察黑板上所有的進化樹,得出“黑板上所有的進化樹都表達了相同的物種親緣關系”的結論,幫助學生理解進化樹有多種表現形式來展現相同的物種親緣關系。

圖3 展現蛇、鱷魚、雞與鳥親緣關系的進化樹的多種表現形式

(四)評價工具

1.測驗卷的編制

本研究采用終結性評價的方式,在課后采用自編測驗卷對學生的進化樹認知水平進行測驗,進化樹測驗卷命題內容的選擇和題目分值的確定以進化樹教學的目標及內容為依據,并根據安德森修訂的布魯姆認知教育目標[15]確定測驗內容的3個考查目標層次:理解概念性知識、分析概念性知識、應用程序性知識,最終形成10道測驗題,包含判斷題、簡答題和作圖題3個類型,總分24分。其中“認識進化樹的組成部分”考查分值為4分,占總體分值的16.67%;“解讀進化樹”考查分值為12分,占總體分值的50%;“比較各進化樹之間的關系”考查分值為8分,占總體分值的33.33%。

2.評分標準的制定

該套自編測驗卷的簡答題和作圖題以SOLO分類評價理論作為依據。SOLO分類評價理論表明學生的認知發展具有5個水平,即前結構、單點結構、多點結構、關聯結構、抽象拓展。根據SOLO認知發展階段研究,[16]5—6年級的學生正發展多點結構水平,因而在評分標準設置中達到多點結構水平及以上的學生可獲得滿分。當學生所處的SOLO結構水平越高,其聯系的相關知識就越多,得分就越高。具體來講,在簡答題中,處于前結構水平得0分,處于單點結構及以上水平的學生依據答案的完整性可得1—2分。

三、小學進化樹教學的實驗結果分析

(一)實驗組與對照組的前后測成績比較

通過比較實驗組和對照組前后測成績發現:實驗組后測成績(M=16.62,SD=3.234)顯著高于前測成績(M=11.27,SD=3.660)(t=-10.163,p=0.000<0.01),對照組前后測并無顯著變化(t=0.769,p=0.444>0.05)。這表明進化樹教學能顯著提高學生的進化樹認知水平。

通過分析實驗前后測各教學模塊的成績發現,實驗組各個教學模塊的后測成績均顯著高于前測成績,而對照組各教學模塊的前后測成績無顯著變化(見表1)。這表明進化樹教學的各教學模塊均能有效達成教學目標。其中,實驗組在“認識進化樹的組成部分”教學模塊前后測表現中,平均分和標準差均有較大變化,學生的平均成績提高了,但是學生的成績分布相對來說更加離散,這表明學生對認識進化樹各組成部分的認知存在差異性。

表1 實驗組、對照組前后測各模塊成績比較(M±SD)

(二)實驗組學生不同認知目標層面的前后測成績比較

通過比較實驗組學生在不同認知目標層面的前后測得分情況發現,學生在理解概念性知識認知目標層面的后測成績均顯著高于前測成績(t=-12.244,p=0.000<0.001),在分析概念性知識認知目標層面的后測成績均顯著高于前測成績(t=-3.892,p=0.000<0.001),在應用程序性知識認知目標層面的后測成績均顯著高于前測成績(t=-5.680,p=0.000<0.001),即學生在各認知層面均有提升。理解概念性知識認知目標層面以簡答題作為考查類型題目,依據SOLO分類評價理論的評分標準,學生所處的進化樹學習結果的結構層次越高,其得分越高。因此,實驗組后測成績顯著高于前測成績表明,經過教學干預,實驗組學生中處于前結構水平的學生減少,處于單點結構及以上水平的學生增多,這表明更多的學生已經掌握了進化樹的基本概念并形成了解讀進化樹的能力。

在分析概念性知識認知目標層面,學生僅在判斷不同類型進化樹表達的親緣關系的后測表現比前測表現有了顯著提高(t=-4.964,p=0.000<0.001),而在“解讀進化樹”教學模塊和判斷同一類型分支旋轉前后進化樹表達的親緣關系的前后測表現并無顯著變化(p>0.05)。由此可見,本次教學干預對分析相同類型進化樹上物種親緣關系的認知水平并無顯著提高,但是對分析不同類型進化樹上物種親緣關系的認知水平有顯著提高。這可能與學生使用已有的知識和經驗來答題有關。例如,在判斷海獅、海豹、熊三者親緣關系時,學生基于自己已有的知識和經驗也能準確判斷出物種間的關系。

學生在“應用程序性知識”認知目標層面成績顯著提高(t=-5.680,p=0.000<0.001),但學生的整體平均分較低。這表明處于單點結構和多點結構的學生數量有所增加,部分學生能夠在正確讀懂進化樹的基礎上畫出進化樹,能理解各種不同表現形式的進化樹之間的關系,具備繪制進化樹的能力。部分未得分學生可能未理解題意或者混淆了進化樹與真實的樹,即學生對題目的錯誤理解和學生已有的知識和經驗可能是影響學生答題表現的因素。

四、總結與討論

本研究利用學生已有的生活經驗向學生介紹進化樹的概念及其基本組成部分,通過合理利用學生的前概念幫助學生科學地認知進化樹上物種的親緣關系,經歷動手操作和心理旋轉的過程使學生理解了不同表現形式的進化樹之間的關系。采用傳統測驗卷的方式用于評價進化樹教學的效果,幫助教師了解學生的進化樹認知水平。單因素等組前后測驗的實驗研究結果發現,依據本研究的進化樹教學設計進行教學能顯著提高小學5—6年級學生的進化樹認知水平,這為學生進一步理解生物進化打下了基礎。

雖然該進化樹教學設計可顯著提升學生的進化樹認知水平,但是在教學實踐中仍存在一定問題。第一,教具的使用問題。教學工具扭扭棒的使用激發了學生參與課堂的熱情,學生卻很難將分支正確圍繞節點進行旋轉,不能準確地畫出分支旋轉后進化樹的表現形式。因此,教具的使用不能僅注重學生的親身參與和體驗,還應建立起教具和教學內容的進一步聯系,以幫助小學生正確理解進化樹的教學內容。第二,教學目標中對進化歷程重視不足。從學生的課堂和測驗表現來看,出現了表示現代物種的進化樹末端并未繪制在同一水平線上的問題,這可能與教學忽視了物種之間的進化歷程有關。因此教學不僅要重視進化樹上物種之間親緣關系的解讀,還應注重解讀物種之間的進化歷程。第三,教學評價未完全排除前概念的干擾。在教學評價中出現了學生基于自己已有的知識和經驗判斷物種親緣關系的可能,使得教師無法準確掌握學生解讀進化樹的真實能力。因此,在對學生解讀進化樹的能力進行評價時,有必要使用代碼或標記來代替真實的物種,以避免學生前概念所帶來的干擾。

進化樹教學旨在通過使用進化樹這類視覺表征幫助學生進一步理解生物進化。雖然當前國際上有較豐富的進化樹教學內容和教學建議,但缺乏制定不同發展階段的學習目標的指導依據,以及適應不同發展階段的教學策略和教學工具,進化樹教學的連續性和拓展性還應進一步研究。另一方面,進化樹的教學僅通過傳統課堂教學的方式是不夠的,還需利用自然博物館、動植物園、水族館、科技館等非正式教學環境,讓學生運用進化樹這一工具,深入認識物種之間的相互關系及理解生物的多樣性,促進學生科學知識的系統化和結構化,發展學生的科學思維能力,進而提高其科學素養。