基于5D教學(xué)模型的迷思概念轉(zhuǎn)變教學(xué)

謝慶余

摘 要 5D教學(xué)模型包括迷思探查、迷思肯定、沖突否定、概念建構(gòu)、迷思瓦解5個環(huán)節(jié)，以“酶的作用”的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)為例，闡述如何運用5D教學(xué)模型促成迷思概念的轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞 迷思概念 概念轉(zhuǎn)變 5D教學(xué)模型 酶的作用機(jī)理

中圖分類號 Ｇ633. 91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

1 基于概念轉(zhuǎn)變的5D教學(xué)模型架構(gòu)

學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)概念之前往往具有一定的迷思概念。這些概念是由社會文化影響個人認(rèn)知形成的“日常概念”，一般具有頑固性、隱蔽性、異質(zhì)性和普遍性等特點。概念轉(zhuǎn)變教學(xué)是指在知曉學(xué)生前概念的前提下，設(shè)計針對迷思概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)活動或模型。

5D 教學(xué)模型由迷思探查（Deplore）、迷思肯定（Demonstrate）、沖突否定（Deny）、概念建構(gòu)（Design）、迷思瓦解（Destroy）5個環(huán)節(jié)構(gòu)成。迷思探查階段可通過訪談、概念圖法和多階診斷測試題進(jìn)行調(diào)查；迷思肯定階段通過分析迷思探查的結(jié)果，歸納出學(xué)生產(chǎn)生的迷思概念類型和特點；沖突否定階段主要是在教學(xué)活動中設(shè)計認(rèn)知沖突環(huán)節(jié)，學(xué)生自主否定迷思概念；概念建構(gòu)階段則根據(jù)具身認(rèn)知理論，設(shè)計概念建構(gòu)的活動，激發(fā)深度學(xué)習(xí)；最終達(dá)到迷思概念瓦解的目標(biāo)。

2 基于5D教學(xué)模型的具體實施

結(jié)合人教版高中生物學(xué)必修一“酶的作用機(jī)理”這節(jié)課例，對5D教學(xué)模型的應(yīng)用和實踐做詳細(xì)闡述。

2.1 迷思探查

迷思概念可以通過訪談、概念圖法或傳統(tǒng)紙筆測驗進(jìn)行探查。其中，傳統(tǒng)紙筆測驗因題目類型豐富，數(shù)據(jù)處理便捷，成為一線教學(xué)最常用的探查工具，但其弊端是無法判斷學(xué)生的真實作答心理和選擇理由。而多階診斷測試題，不僅能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)紙筆測驗的缺陷，還能利用賦分形式評價學(xué)生迷思概念情況。為此，本研究設(shè)計了該課時的迷思概念四階試題。

【題1】關(guān)于酶的作用和本質(zhì)的說法下列描述準(zhǔn)確的是（ ）（1分）

A. 酶不能脫離生物體起作用

B. 酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的具有生物催化作用的蛋白質(zhì)

C. 酶能夠降低化學(xué)反應(yīng)的活化能，也能為化學(xué)反應(yīng)提供能量

D. 向過氧化氫溶液中加入三氯化鐵和肝臟研磨液都能產(chǎn)生氣泡，所以兩者的催化效果相同

E. 以上說法都是錯誤的

【題2】你是否確定上述選擇（ ）（0—2分）

A. 非常確定 B. 不太確定 C. 完全不清楚

【題3】（不定向選擇）你做出選擇的理由是（ ）（0—5分）

A. 細(xì)胞代謝發(fā)生在細(xì)胞中，細(xì)胞代謝的進(jìn)行需要酶

B. 酶能夠降低化學(xué)反應(yīng)的活化能，但不是供能物質(zhì)

C. 加入肝臟研磨液產(chǎn)生的氣泡更多更快，所以酶的催化效率更高

D. 酶可以與雙縮脲試劑反應(yīng)產(chǎn)生紫色現(xiàn)象

【題4】你是否確定上述選擇（ ）（0—2分）

A. 非常確定 B. 不太確定 C. 完全不清楚

賦分標(biāo)準(zhǔn)為： 【題1】選對E得1分，未選對直接判0分；【題2】選A得2分，選B得1分，選C得0分；【題3】全選對BC得5分，選對部分得3分，錯選得0分；【題4】選A得2分，選B得1分，選C得0分。

四階試題的優(yōu)點在于能夠挖掘?qū)W生選擇的理由、動機(jī)和肯定程度，更加科學(xué)地判斷學(xué)生迷思概念的情況。

2.2 迷思肯定

迷思概念的肯定是基于對迷思概念的探查分析和歸納得出的。根據(jù)賦分梯度表對學(xué)生的作答情況賦分（表1），歸納出學(xué)生具備的迷思概念有：① 酶只能在細(xì)胞外起作用；② 酶對化學(xué)反應(yīng)的催化效率應(yīng)該和無機(jī)催化劑差不多；③ 酶能為化學(xué)反應(yīng)提供能量。

通過對調(diào)查結(jié)果的分析可得學(xué)生產(chǎn)生迷思概念的主要原因有：① 學(xué)生以偏概全產(chǎn)生了迷思概念；② 學(xué)生科學(xué)概念內(nèi)涵發(fā)生了錯換；③ 學(xué)生對科學(xué)概念內(nèi)涵不明。綜上，學(xué)生在課前普遍具有迷思概念，且不同學(xué)生的迷思概念不同，體現(xiàn)出迷思概念的普遍性和異質(zhì)性。

2.3 沖突否定

Vosniadou從認(rèn)知心理學(xué)角度提出了概念轉(zhuǎn)變的心理模型建構(gòu)論，其建構(gòu)過程包括：① 激活原有心理模型中的錯誤概念；② 對模型中的元素產(chǎn)生不滿（產(chǎn)生認(rèn)知沖突）；③ 創(chuàng)建新模型；④ 使用新模型。因此在教學(xué)中，設(shè)計認(rèn)知沖突活動是突破迷思概念的關(guān)鍵一環(huán)。

依據(jù)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》、學(xué)業(yè)質(zhì)量水平要求及學(xué)情，在“酶的作用機(jī)理”一節(jié)中，設(shè)計認(rèn)知沖突活動，將本課時教學(xué)目標(biāo)確定如下：

（1）通過觀察“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗，歸納出“與無機(jī)催化劑相比酶的催化效率更高”的結(jié)論，轉(zhuǎn)變“酶對化學(xué)反應(yīng)的催化效率應(yīng)該和無機(jī)催化劑差不多”的迷思概念；

（2）通過“跳皮筋”活動，初步感知不同高度跳躍的難度不同，類比化學(xué)反應(yīng)中“發(fā)生反應(yīng)需要分子從常態(tài)到活化態(tài)”的過程，說明加熱、無機(jī)催化劑和酶加快化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理，歸納出“酶降低活化能的作用更顯著”的結(jié)論，轉(zhuǎn)變“酶能為化學(xué)反應(yīng)提供能量”的迷思概念；

（3）認(rèn)同“正是在酶的作用下，細(xì)胞代謝才能快速進(jìn)行”的事實，轉(zhuǎn)變“細(xì)胞代謝的場所可生在消化道內(nèi)”和“酶只能在細(xì)胞外起作用”的迷思概念。

2.4 概念建構(gòu)

概念建構(gòu)的活動融入了沖突否定的設(shè)計，并結(jié)合具身認(rèn)知理論，設(shè)計具體活動：從構(gòu)建物理模型的初步感知，到數(shù)學(xué)模型的表征，最后完成科學(xué)概念的完整構(gòu)建。

2.4.1 創(chuàng)設(shè)情境，啟發(fā)探究

教師展示資料：日常生活中，受傷后醫(yī)生對傷口用過氧化氫進(jìn)行消毒。過氧化氫需要在遮光、不高于 20℃下保存。教師根據(jù)資料創(chuàng)設(shè)的情境提出問題：① 溫度過高會對過氧化氫貯藏造成什么影響呢？如何設(shè)計實驗探究？② 實驗分為幾組？處理有何不同？③ 不同的處理會導(dǎo)致哪些結(jié)果？觀測指標(biāo)是什么？④ 還有哪些因素會影響實驗結(jié)果，該如何處理？⑤ 有哪些可能影響過氧化氫分解的條件？學(xué)生根據(jù)教師的提問，理清實驗設(shè)計思路，嘗試控制變量，設(shè)計科學(xué)探究實驗，完成實驗方案設(shè)計；根據(jù)實驗設(shè)計開展實驗，并在教師指導(dǎo)下用氣球收集氣體；根據(jù)自變量和因變量的推理，概括出實驗結(jié)論：加熱能加快過氧化氫分解。教師針對學(xué)生的實驗設(shè)計與開展情況進(jìn)行評價，主要關(guān)注學(xué)生是否設(shè)置了對照組、看到了什么現(xiàn)象、得出了什么結(jié)論。

教師進(jìn)一步提出問題：過氧化氫的保存會不會受到其他因素的影響呢？并展示資料：① 過氧化氫在儲運過程中有特殊的要求，嚴(yán)禁與Fe 3+ 等金屬化合物混存混運。② 細(xì)胞代謝過程中會產(chǎn)生過氧化氫，對細(xì)胞有毒害作用。細(xì)胞中含有過氧化氫酶能夠?qū)⑦^氧化氫及時分解起到解毒的作用，特別是新鮮的肝臟細(xì)胞含有較多的過氧化氫酶。教師引導(dǎo)學(xué)生嘗試設(shè)計實驗，探究影響過氧化氫保存的因素。學(xué)生以小組為單位，根據(jù)探究內(nèi)容，分析自變量和因變量，設(shè)計并開展實驗，并運用氣球收集氣體，記錄實驗內(nèi)容，對實驗結(jié)果進(jìn)行分析。

設(shè)計意圖：通過創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生探索學(xué)習(xí)的興趣；在實驗設(shè)計環(huán)節(jié)中設(shè)計認(rèn)知沖突（是否設(shè)置了對照組），突破迷思概念“酶只能在細(xì)胞外起作用；酶對化學(xué)反應(yīng)的催化效率應(yīng)該和無機(jī)催化劑差不多”，認(rèn)同對照實驗的科學(xué)性，并能嘗試設(shè)計實驗探究中的對照組和實驗組，控制無關(guān)變量。

2.4.2 組織跳皮筋活動，構(gòu)建概念

教師組織學(xué)生進(jìn)行“跳皮筋”活動：找兩位高個子學(xué)生舉皮筋，先高后低舉著，讓一組身高不同的學(xué)生嘗試跨越過去。（皮筋越低，跨過去的學(xué)生越多；皮筋越高，跨過去的學(xué)生越少。）根據(jù)活動中觀察到的現(xiàn)象，教師提問：當(dāng)皮筋高舉的時候，沒有學(xué)生能跨過去，那應(yīng)該怎么做呢？類比化學(xué)反應(yīng)的過程，推理催化劑催化化學(xué)反應(yīng)的原理是什么？學(xué)生根據(jù)實驗現(xiàn)象，嘗試?yán)L出加入過氧化氫酶和三氯化鐵的反應(yīng)能量變化曲線（圖1）。

設(shè)計意圖：通過“跳皮筋”活動，初步感知不同高度跳躍的難度不同，類比化學(xué)反應(yīng)中“發(fā)生反應(yīng)需要分子從常態(tài)到活化態(tài)”的過程，說明加熱、無機(jī)催化劑和酶加快化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理，歸納出“酶降低活化能的作用更顯著”的結(jié)論。轉(zhuǎn)變“酶對化學(xué)反應(yīng)的催化效率應(yīng)該和無機(jī)催化劑差不多”和“酶能為化學(xué)反應(yīng)提供能量”的迷思概念。

2.5 迷思瓦解

科學(xué)概念構(gòu)建后需要反思迷思概念的產(chǎn)生原因，比較迷思概念和科學(xué)概念，通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，運用比較、歸納和抽象概括的思維方法，進(jìn)一步鞏固科學(xué)概念，瓦解迷思概念。

教師提問：酶能加快化學(xué)反應(yīng)速率，會影響反應(yīng)的結(jié)果嗎？教師引導(dǎo)學(xué)生觀察手中氣球的最終大小，嘗試畫出加入三氯化鐵和過氧化氫酶時產(chǎn)物的量隨時間變化的曲線。

學(xué)生根據(jù)現(xiàn)象得出結(jié)論：酶（催化劑）只加快了反應(yīng)速率，沒有改變反應(yīng)的結(jié)果，并繪出產(chǎn)物的量在不同條件下隨時間的變化曲線（圖2）解釋結(jié)論。

設(shè)計意圖：學(xué)生依據(jù)事實，抽象概括出酶的作用特點，并比較和歸納無機(jī)催化劑和酶的作用特點，進(jìn)行數(shù)學(xué)模型構(gòu)建，瓦解迷思概念。

3 總結(jié)與啟示

學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)概念前具有的迷思概念是學(xué)情分析的一個重要方面，通過迷思探查和迷思肯定，分析出迷思概念具有普遍性、異質(zhì)性和頑固性的特點，且在教學(xué)中存在難以轉(zhuǎn)變和轉(zhuǎn)變后易反復(fù)的情況，對此將概念轉(zhuǎn)變教學(xué)和5D教學(xué)模型結(jié)合，能夠突出概念轉(zhuǎn)變教學(xué)的優(yōu)勢，取得較好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

［1］李高峰.科學(xué)教育中的“前科學(xué)概念”［J］.教育學(xué)術(shù)月刊，2010，218 （9）：12-14.

［2］張亞明.基于迷思概念轉(zhuǎn)化的 5D 教學(xué)模型構(gòu)建與案例［J］.中學(xué)物理，2021 （8）：5-8.

［3］Vosniadou S，Brewer W F. Mental models of the earth：A study of conceptual change in childhood［J］.Cognitive Psychology，1992，24 （4）：535-585.

［4］馬栓.高中生“遺傳與進(jìn)化”前概念的診斷及轉(zhuǎn)變的研究［D］.西安：陜西師范大學(xué)，2018.