基于三重表征理論的生物學(xué)深度學(xué)習(xí)實(shí)踐路徑研究

蘇曉玲

(福建省南安國光中學(xué) 福建泉州 362321)

1 問題的提出

深度學(xué)習(xí)是指在教學(xué)中學(xué)生積極參與、全身心投入、獲得健康發(fā)展的、有意義的學(xué)習(xí)過程,是針對淺層學(xué)習(xí)而提出。劉月霞等構(gòu)建了深度學(xué)習(xí)教學(xué)實(shí)踐模型2.0(圖1)。該模型強(qiáng)調(diào),在深度學(xué)習(xí)過程中要凸顯學(xué)習(xí)目標(biāo)的素養(yǎng)導(dǎo)向、學(xué)習(xí)主題的引領(lǐng)性、學(xué)習(xí)任務(wù)或活動的挑戰(zhàn)性、學(xué)習(xí)評價(jià)的持續(xù)性。通過學(xué)習(xí)活動,學(xué)生能夠掌握學(xué)科基礎(chǔ)知識與基本方法,體會學(xué)科基本思想,綜合運(yùn)用知識和方法創(chuàng)造性地解決問題,形成積極的內(nèi)在學(xué)習(xí)動機(jī)、高級的社會性情感和正確的價(jià)值觀,成為既有扎實(shí)學(xué)識基礎(chǔ)、又有獨(dú)立思考能力,善于合作、有社會責(zé)任感、具備創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力、能夠創(chuàng)造美好未來的社會實(shí)踐的主人。傳統(tǒng)生物學(xué)課堂往往是教師按照課前設(shè)計(jì)的教學(xué)程序講解,牽著學(xué)生接受一個(gè)又一個(gè)結(jié)論,即便教師提出的問題具有一定的思維空間,但常常又不能給學(xué)生充足的思考時(shí)間,導(dǎo)致教師講解多,學(xué)生深度探索交流少的問題。重結(jié)論輕探究的結(jié)果導(dǎo)致學(xué)生在解決問題方面存在比較嚴(yán)重的模仿性和依賴性,缺乏獨(dú)立性和創(chuàng)造性。因此,如何著眼于學(xué)科的基本思想和方法,引導(dǎo)學(xué)生親身經(jīng)歷知識發(fā)現(xiàn)、發(fā)生、發(fā)展的過程,促進(jìn)知識的實(shí)踐轉(zhuǎn)化和綜合應(yīng)用,是實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)亟需解決的問題。

圖1 深度學(xué)習(xí)教學(xué)實(shí)踐模型2.0

因此本項(xiàng)目以深度學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo),依據(jù)生物學(xué)學(xué)科特質(zhì),嘗試在闡述生物學(xué)三重表征內(nèi)涵的基礎(chǔ)上構(gòu)建基于三重表征理論的生物學(xué)深度學(xué)習(xí)的教學(xué)實(shí)踐路徑。

2 生物學(xué)三重表征理論的內(nèi)涵

2.1 生物學(xué)三重表征的內(nèi)涵

1991年蘇格蘭格拉斯哥大學(xué)科學(xué)教育中心的Johnstone 教授首次提出從宏觀、微觀和符號3 個(gè)水平理解科學(xué)可以減少學(xué)習(xí)科學(xué)的困難,并構(gòu)建了宏觀-微觀-符號的思維三角形(圖2)。國內(nèi)外研究者將此進(jìn)一步界定為“三重表征”。

圖2 Johnstone 的思維三角形

表征是一個(gè)認(rèn)知心理學(xué)的概念,分為外部表征和內(nèi)部表征。外部表征指信息本身記載和呈現(xiàn)方式,是一種客觀存在;內(nèi)部表征指信息在人腦中記載和呈現(xiàn)方式,是人腦對信息的加工理解抽象,也稱為心理表征。生物學(xué)是研究生命現(xiàn)象、生命活動規(guī)律的學(xué)科。學(xué)習(xí)者要以生物學(xué)符號為工具,從宏觀和微觀相結(jié)合的視角認(rèn)識生命世界。生物學(xué)三重表征具有外部表征和內(nèi)部表征雙重涵義。從外部表征看,生物學(xué)三重表征指生物學(xué)宏觀知識、微觀知識、符號知識的外在呈現(xiàn)方式;從內(nèi)部表征看,生物學(xué)三重表征是指宏觀、微觀、符號,三類知識在人腦中的加工呈現(xiàn)形式。

具體而言,生物學(xué)的宏觀表征是指人類感知器官可以通過觀察、實(shí)驗(yàn)等方式直接感知到的生命現(xiàn)象,如生物體的繁衍、生長、衰老等現(xiàn)象;微觀表征主要是指不能通過直接觀察或?qū)嶒?yàn)獲得的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、分子組成、化學(xué)反應(yīng)和機(jī)理等;符號表征主要指利用生物學(xué)特有的字母、圖形等符號表示宏觀或微觀現(xiàn)象和規(guī)律。而內(nèi)部表征只能通過學(xué)習(xí)者的描述和使用結(jié)果來斷定。

因此在教學(xué)中,教師要合理呈現(xiàn)生物學(xué)知識的三重外部表征,幫助學(xué)習(xí)者完成三重內(nèi)部表征的建構(gòu),通過適當(dāng)?shù)那榫橙蝿?wù)評價(jià)學(xué)習(xí)者內(nèi)部表征的準(zhǔn)確性和表征轉(zhuǎn)換的能力。

2.2 生物學(xué)三重表征的關(guān)系

三重表征理論認(rèn)為三種表征不是簡單的拼湊和隨機(jī)的使用,而是一個(gè)相互聯(lián)系的有機(jī)整體。三種表征對生物學(xué)概念建構(gòu)都是不可或缺的一部分。生物學(xué)學(xué)習(xí)的特點(diǎn)是從眾多的紛繁復(fù)雜的宏觀的生命現(xiàn)象入手,深入探索其微觀的生命本質(zhì)和規(guī)律,最終抽象概括為生物學(xué)概念。在宏觀與微觀領(lǐng)域的分界面,符號表征起到了聯(lián)系的中介和橋梁作用。符號表征既能表現(xiàn)宏觀領(lǐng)域中的生命現(xiàn)象,又能表現(xiàn)出微觀領(lǐng)域中的生命結(jié)構(gòu)分子機(jī)理,是理解宏觀表征和微觀表征的工具。因此,在生物學(xué)學(xué)習(xí)過程中,要圍繞某一概念建立宏觀、微觀、符號三種表征之間的內(nèi)在聯(lián)系,通過多種方式實(shí)現(xiàn)三個(gè)層次的自由轉(zhuǎn)換和有機(jī)融合,達(dá)到概念的深度理解。

如果將三種表征分割開來,學(xué)習(xí)者對概念的理解將是片面的零碎的,難以形成大概念。如果三種表征之間建立內(nèi)在邏輯聯(lián)系,學(xué)習(xí)者就可以對概念進(jìn)行多角度全方位的認(rèn)識。當(dāng)學(xué)習(xí)者可以從宏觀微觀符號三個(gè)層次自由理解某一概念,那么他就真正掌握了這個(gè)概念的內(nèi)涵。日常教學(xué)也常常涉及宏觀、微觀、符號三種表征類型的學(xué)習(xí),但是直覺性經(jīng)驗(yàn)性的教學(xué)往往問題不夠聚焦,表征載體使用分散,缺乏內(nèi)在邏輯性,導(dǎo)致表征功能沒有有效發(fā)揮。因此,三重表征理論強(qiáng)調(diào)針對同一事物或概念,根據(jù)三種表征之間的內(nèi)在邏輯聯(lián)系,運(yùn)用多種方式多個(gè)層次進(jìn)行表征,達(dá)到對某一事物或概念的完整理解,在學(xué)習(xí)過程中,為學(xué)習(xí)者提供更開闊的心理視野,引導(dǎo)學(xué)習(xí)者像科學(xué)家一樣認(rèn)識思考問題。

3 基于三重表征理論的生物學(xué)深度學(xué)習(xí)實(shí)踐路徑

基于三重表征理論和深度學(xué)習(xí)理論的認(rèn)識,結(jié)合布魯納的發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)觀點(diǎn)和生物學(xué)科教學(xué)實(shí)踐,本項(xiàng)目的教學(xué)構(gòu)建了基于三重表征理論的高中生物學(xué)深度學(xué)習(xí)實(shí)踐模型(圖3)。

圖3 基于三重表征理論的高中生物學(xué)深度學(xué)習(xí)實(shí)踐模型

該模型主張從學(xué)科內(nèi)容的整體理解著手,以單元或主題為學(xué)習(xí)單位。首先,教師以發(fā)展素養(yǎng)為導(dǎo)向確定學(xué)習(xí)目標(biāo),提煉具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)并提出關(guān)鍵性問題;其次,圍繞關(guān)鍵性問題,依據(jù)三重表征的內(nèi)在邏輯開展有序的學(xué)習(xí)活動,構(gòu)建概念;接著,在新情境活動中遷移應(yīng)用深化概念并檢測評價(jià)學(xué)習(xí)者的內(nèi)部表征;最后,在整個(gè)學(xué)習(xí)活動過程中通過持續(xù)性評價(jià)反思修正調(diào)控學(xué)習(xí)過程。

該模型旨在通過評價(jià)調(diào)控學(xué)習(xí),通過三重表征學(xué)習(xí)構(gòu)建概念,通過概念構(gòu)建培養(yǎng)科學(xué)思維、學(xué)科思想和方法,通過遷移應(yīng)用形成核心素養(yǎng),從而將生物學(xué)學(xué)科素養(yǎng)落實(shí)在一系列的學(xué)習(xí)活動中。

3.1 如何提出關(guān)鍵性問題

提出指向核心概念的關(guān)鍵性問題,不是學(xué)習(xí)某一個(gè)知識點(diǎn),而是通過這個(gè)關(guān)鍵性問題的學(xué)習(xí)覆蓋相關(guān)問題的學(xué)習(xí),學(xué)會學(xué)科的思想方法。將該關(guān)鍵性問題作為學(xué)習(xí)任務(wù),圍繞這個(gè)任務(wù)設(shè)計(jì)開展一系列學(xué)習(xí)活動,需要厘清《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)中各級概念的內(nèi)容要求,對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分析和結(jié)構(gòu)化處理,然后基于學(xué)科本質(zhì)提煉具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)。

教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化處理是促進(jìn)學(xué)科知識轉(zhuǎn)向?qū)W科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵。在進(jìn)行教材分析過程中,教師首先確定各個(gè)知識要點(diǎn)的類型如事實(shí)性知識、概念性知識、程序性知識、元認(rèn)知知識等,然后利用綱要法、表格、圖示、概念圖和思維導(dǎo)圖等建模方式,構(gòu)建其層次結(jié)構(gòu)或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),把握知識要點(diǎn)之間的內(nèi)在邏輯聯(lián)系,最后形成概念構(gòu)建的結(jié)構(gòu)化思維。

比如人教版新教材《必修2·遺傳與進(jìn)化》第二章第三節(jié)“伴性遺傳”,教師通過梳理各知識要點(diǎn)的內(nèi)在聯(lián)系(圖4),發(fā)現(xiàn)紅綠色盲的相關(guān)研究是學(xué)生認(rèn)識伴性遺傳的關(guān)鍵。學(xué)生理解紅綠色盲的遺傳特點(diǎn)和研究方法,便可遷移到伴性遺傳的其他類型,于是提出關(guān)鍵性問題:紅綠色盲的遺傳有什么特點(diǎn)?如何研究紅綠色盲?接著,教師圍繞這個(gè)問題設(shè)計(jì)相應(yīng)的學(xué)習(xí)活動。在結(jié)構(gòu)化過程中,既可以是把單一知識點(diǎn)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)性知識,也可以是對學(xué)科核心知識與現(xiàn)實(shí)社會和科技最新發(fā)展成果的結(jié)構(gòu)化,還可以是學(xué)科核心知識與學(xué)生經(jīng)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)化。在此基礎(chǔ)上確定“引領(lǐng)性學(xué)習(xí)主題”并提出挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵問題,師生共同對學(xué)科核心知識進(jìn)行有深度、有寬度的加工,對學(xué)科核心知識的價(jià)值和意義有更深刻的理解,進(jìn)而全面深入地體驗(yàn)學(xué)科本質(zhì),充分領(lǐng)悟?qū)W科的功能作用。

圖4 “伴性遺傳”教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化處理

3.2 如何設(shè)計(jì)“宏觀-微觀-符號”多重視角的學(xué)習(xí)活動

學(xué)習(xí)活動是發(fā)展核心素養(yǎng)的主體部分,它主要服務(wù)于學(xué)習(xí)目標(biāo)的有效達(dá)成。在學(xué)習(xí)活動的設(shè)計(jì)過程中,要使其與學(xué)習(xí)目標(biāo)保持高度的一致,同時(shí)還應(yīng)兼顧活動的自主度,對學(xué)生提出有一定挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù),圍繞該學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計(jì)開展一系列學(xué)習(xí)活動。

從三重表征的視角來看,學(xué)習(xí)活動的實(shí)質(zhì)是獲取關(guān)鍵性問題的宏觀表征載體,分析其微觀表征,構(gòu)建其符號表征的過程。宏觀表征的載體來源可以是調(diào)查、實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐活動的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,教師可以通過分析文本資料、圖片、圖表、動畫、視頻等探索微觀本質(zhì),通過模型構(gòu)建、圖表設(shè)計(jì)等進(jìn)行符號表達(dá)。

比如要探究紅綠色盲的遺傳特點(diǎn),學(xué)生需要先明白紅綠色盲的發(fā)病率和遺傳方式,通過社會調(diào)查和家系調(diào)查,掌握人類性別決定的相關(guān)知識。同時(shí),學(xué)生需要準(zhǔn)確運(yùn)用遺傳學(xué)符號書寫遺傳圖解,將宏觀的表型、微觀的基因組成、符號表達(dá)三者有機(jī)聯(lián)系起來,梳理出解決問題的方案。因此,教師需要清楚設(shè)計(jì)開展哪些學(xué)習(xí)活動,明確學(xué)習(xí)活動的安排次序,再根據(jù)活動需求精選所需的表征載體。

外部表征載體有三個(gè)關(guān)鍵功能:補(bǔ)充、約束(限制)和構(gòu)造(建構(gòu))。補(bǔ)充指的是不同的表征載體包含的信息有所不同,當(dāng)它們同時(shí)呈現(xiàn)時(shí),學(xué)習(xí)者可以從不同載體中獲取不同的信息。約束或稱為限制是指一種表征的信息會限制對另一個(gè)表征的解釋,比如在描述花的結(jié)構(gòu)時(shí),呈現(xiàn)出一朵花的照片,通常會受到照片所選取花的種類的限制,進(jìn)而限制對花的結(jié)構(gòu)的描述。構(gòu)造又稱為建構(gòu),是指通過整合多種表征抽象表征的結(jié)果。構(gòu)造可分為擴(kuò)展和聯(lián)系兩種形式,擴(kuò)展指學(xué)習(xí)者通過整合多種表征從已知推理獲得未知信息的方式,聯(lián)系指兩個(gè)表征在不進(jìn)行知識重組的情況下再次聯(lián)系在一起的過程。

在呈現(xiàn)具體的學(xué)習(xí)活動時(shí),要聯(lián)系表征功能,按照一定的邏輯關(guān)系有機(jī)地進(jìn)行組合,例如“已知到未知”“現(xiàn)象到本質(zhì)到拓展應(yīng)用”“宏觀到微觀”“事實(shí)到概念到觀念”等。要使表征充分有效地發(fā)揮功能,還應(yīng)該在呈現(xiàn)表征的同時(shí)提出明確的學(xué)習(xí)任務(wù),以準(zhǔn)確引導(dǎo)學(xué)生通過任務(wù)主動參與到學(xué)習(xí)活動之中。因此,任務(wù)的類型和水平就體現(xiàn)了對學(xué)科核心素養(yǎng)的要求層次,學(xué)生完成任務(wù)的情況就體現(xiàn)了學(xué)科核心素養(yǎng)素養(yǎng)的發(fā)展水平。

3.3 如何設(shè)計(jì)和實(shí)施持續(xù)性評價(jià)

開展持續(xù)性評價(jià)的目的是監(jiān)測和調(diào)控學(xué)習(xí)過程,隨時(shí)了解學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成情況,判斷學(xué)生素養(yǎng)的發(fā)展水平,從而及時(shí)反饋改進(jìn)教學(xué),促進(jìn)每個(gè)學(xué)生能夠最大限度地積極參與、全身心投入到學(xué)習(xí)活動中,獲得健康發(fā)展。因此,評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該根據(jù)素養(yǎng)發(fā)展的目標(biāo)制定,評價(jià)的內(nèi)容包括學(xué)生的思維發(fā)展?fàn)顩r、學(xué)習(xí)態(tài)度、過程表現(xiàn)等,評價(jià)的形式可以是學(xué)生自評、小組互評、教師評價(jià)等等。

比如紅綠色盲的社會調(diào)查和家系調(diào)查,目的是獲取調(diào)查數(shù)據(jù),教師應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生在活動中的科學(xué)態(tài)度和合作精神,采用學(xué)生自評和小組互評的方式展開教學(xué)。探究紅綠色盲的遺傳方式,教師可以通過概念檢測,觀察提問了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。探究紅綠色盲的遺傳特點(diǎn),是教學(xué)的重難點(diǎn),教師應(yīng)該通過設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)宏觀微觀符號的遺傳圖解(圖5),通過小組互評、糾錯(cuò)、修正,關(guān)注學(xué)生遺傳學(xué)符號使用的規(guī)范性和準(zhǔn)確性。最后在遷移應(yīng)用環(huán)節(jié)通過設(shè)計(jì)已知雙親表型預(yù)測子代、運(yùn)用系譜分析判斷遺傳方式、通過表型推知性別或通過性別預(yù)測性狀、設(shè)計(jì)雜交實(shí)驗(yàn)確定基因在性染色體或常染色體上等四個(gè)方面的新情境,檢測評價(jià)學(xué)生概念理解和應(yīng)用情況,判斷學(xué)生素養(yǎng)的發(fā)展水平,然后進(jìn)一步調(diào)整改進(jìn)教學(xué)策略。

圖5 關(guān)聯(lián)宏觀-微觀-符號的遺傳圖解

4 結(jié)語

宏觀微觀符號三種表征形式影響著學(xué)習(xí)者注意、知覺、表象、記憶、思維和語言等認(rèn)知過程,各個(gè)水平對知識的感知促使這些感知在學(xué)習(xí)者認(rèn)知心理上形成豐富的內(nèi)化表征形式,有利于學(xué)習(xí)者對知識全面而透徹地認(rèn)識和理解。三重表征理論指導(dǎo)下的教學(xué)模式從核心問題出發(fā),根據(jù)概念構(gòu)建過程遇到的問題分解成若干子問題,根據(jù)三種表征之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系安排學(xué)習(xí)活動,直至完成構(gòu)建概念。整個(gè)過程從學(xué)生視角出發(fā),以學(xué)生探究為中心,教師則用提問的方式推動學(xué)習(xí)過程。從開始到結(jié)束,知識逐漸深入,學(xué)習(xí)者像科學(xué)家一樣主動認(rèn)識思考解決問題,沉浸式探究。三重表征理論指導(dǎo)下的教學(xué)模式為學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)生物學(xué)提供了更為開闊更為有序的心理視野,有助于提髙學(xué)習(xí)者多角度觀察分析和解決問題的能力。

在深度學(xué)習(xí)的教學(xué)中,還需要教師聚焦《課程標(biāo)準(zhǔn)》,整體把握學(xué)科體系與關(guān)鍵教學(xué)內(nèi)容,提升教學(xué)設(shè)計(jì)的站位,營造民主平等的學(xué)習(xí)氛圍,給學(xué)生表達(dá)見解展現(xiàn)思維的機(jī)會。