4C教學流程在高中生物學概念教學中的探索與實踐
——基于ACOP學習機會評估維度

童志偉

(深圳市福田區福田中學 廣東深圳 518000)

高中生物學是科學領域中的重要課程,教學中要求聚焦生物學大概念,發展學生核心素養。如何聚焦大概念,開展概念教學,在概念教學中重點關注哪些維度才能實現高效教學,是教學設計要關注的重要問題。ACOP學習機會評估項目針對概念教學提供評估維度,并針對各維度設計量規以評估概念教學的效果,下文將通過把各評估維度轉化為概念教學設計維度,創設一定的教學流程用于高中生物學教學實踐,探索實際應用效果。

1 基于ACOP學習機會評估維度構建高中生物學概念教學流程

1.1 從ACOP學習機會評估維度明確概念教學要素

ACOP(The AIM Classroom Observation Protocol)是美國教育部、地平線研究小組、RMC 研究小組等多組織為完成“評估數學和科學合作計劃的影響”項目時開發的評價數學和科學課堂教學質量的方案。ACOP 評估方案設計的基本理念包括兩點:①基于學習科學,強調教學應關注學生的前概念,注重概念的深度理解;②基于有效教學,強調高質量的學習機會是有效教學的突出特征,將學習機會評估作為整個評估系統的重點。其中,學習機會評估包含科學內容、呈現前概念的機會、接觸相關科學現象的機會、利用證據得出結論并對現象提出論點的機會,以及理解目標概念的機會這五個維度。

每個維度都有具體的特征表象,“科學內容”強調科學知識的準確性、學習內容與目標概念的一致性;“呈現前概念的機會”強調讓學生知道、記錄、表征前概念并認識自己的思考方式;“接觸相關科學現象的機會”強調接觸和關注科學現象,記錄和描述數據;“利用證據得出結論并對現象提出論點的機會”強調分析、解釋數據,應用證據證明和質疑論點;“理解目標概念”強調將學習內容與目標概念聯結,將目標概念與前科學概念聯系,把新概念應用到新情景中。概念教學的課堂設計同樣要關注這五個課堂評估維度。

1.2 從高中生物學課程性質和標準了解概念教學地位

生物學概念是核心素養中生命觀念維度的重要組成部分,生命觀念的建立依賴于對生物學概念的準確理解與掌握。在《普通高中生物學課程標準(2017年版)》(以下簡稱《課程標準》)中將概念分為大概念、重要概念和次位概念等不同層次,在教學建議中要求教師圍繞大概念和重要概念組織、開展教學活動,依據重要概念精選恰當的教學活動內容和活動方式。教學策略不僅可以是講解、演示和討論,也可以是學生動手活動或對資料的分析探究。在教學過程中,教師還必須注意學生頭腦中已有的前概念,特別是那些與科學概念相抵觸的錯誤概念,通過課堂教學活動幫助學生消除錯誤概念,建立科學概念。

1.3 從課堂教學環節以4C 為核心構建概念教學流程

所謂“C”,即為“Create”,而“4C”則表示4 個創設,分別是創設機會呈現前概念、創設情景體驗機會、創設探究論證機會理解概念,以及創設目標概念應用機會。通過結合教學實際,構建了以4C 為核心的概念教學流程,具體流程如圖1所示。流程圖中的起點是學生的前概念,終點是科學的目標概念,在達成目標概念的每一個環節中所用的情景、素材、資料均要考慮其與目標概念的一致性,如此才有助于高效教學。

2 以4C 為核心的高中生物學概念教學流程的課堂實踐應用

為了更好地說明4C 為核心的概念教學流程在教學中的應用,下文將以人教版高中生物學“血糖平衡調節”一節為例,對該教學流程進行探索與實踐。

2.1 析課標,制方案,創設呈現前概念機會

2.1.1 分析課程標準與教材,明確目標概念

根據《課程標準》的內容要求,“血糖平衡調節”一節強調落實“內分泌系統產生的多種類型的激素,通過體液傳送而發揮調節作用,實現機體穩態”這一重要概念;該概念從屬于大概念“生命個體的結構與功能相適應,各結構協調統一共同完成復雜的生命活動,并通過一定的調節機制保持穩態”;其直接反映的次位概念是“激素通過反饋調節等機制維持機體的穩態”。

根據教材對次位概念內涵的梳理,本節內容共包含五個子概念:①正常人體,無論是在運動還是安靜狀態下,人體的血糖濃度總是維持在一定的水平;②血糖平衡的調節,也就是調節血糖的來源和去向,使其處于平衡狀態;③胰島素是唯一能夠降低血糖的激素,胰島素和胰高血糖素共同維持體內血糖含量的穩定;④血糖調節主要依靠激素的作用,同時還受神經系統的調節;⑤在一個系統中,系統本身工作的效果,反過來又作為信息調節該系統的工作。

2.1.2 設置目標概念關聯問題,呈現前概念

前概念指學生在接受正規科學教育之前所形成的概念,這些概念中有些是正確的,有些是錯誤的。錯誤概念是人們在日常生活及以往的學習中形成的,與當前科學理論對事物的理解相悖,基于個體經驗的理解而存在于學生頭腦中的不當認識。在教學過程中,了解學生的前概念對引導其準確構建目標概念有著重要意義。為了解學生的前概念,教師可以提出一些觀點讓學生判斷,并通過調查問卷進行收集。在本節課中設置了一份課前問卷(表1),以呈現學生的前概念。

表1 前概念測試問卷

設計意圖第1 題為測試學生對子概念①的掌握情況而提出;第2、3 題針對子概念②;第4、5 項針對子概念③;第6、7 項針對子概念④;第8、9 項是針對子概念⑤。測試問卷中的說法均來自生活實際,部分參考他人經驗獲得,部分為個人親身體驗。

2.2 創設情景任務體驗機會,接觸目標概念

教師播放本校本年級某老師參加深圳市馬拉松賽跑的短視頻,并注解馬拉松長跑是賽程超過40 km、歷時2 h 以上的極限運動。運動員在長跑過程中,每小時至少要消耗300 g 糖類,而血糖可以補充肌肉因運動而消耗的糖類。正常人的血糖含量為3.9 ～6.1 mmol/L,全身的血量大約為5 L。教師請學生計算并討論:如果僅靠血液中的葡萄糖供能,運動員能跑多久? 如果長跑過程中大量消耗葡萄糖,會導致人體血糖含量不斷下降嗎? 為什么?

設計意圖:以本校教師參加本市馬拉松比賽為情景,創設與目標概念接觸的機會,增強體驗感,拉近學生與目標概念間的距離,設置問題引導學生分析計算,激發學生了解人體如何調節實現血糖平衡這一問題的興趣。

2.3 創設探究論證理解機會,學習目標概念

針對子概念①“正常人體,無論是在運動還是安靜狀態下,人體的血糖濃度總是維持在一定的水平”,創設合作探究活動1:為學生提供一張正常人體24 小時內的血糖濃度動態變化表,表格數據包含一日三餐后、運動、靜止和睡眠時段的血糖濃度值,引導學生據表分析正常人血糖濃度的變化規律。

設計意圖:在該概念的落實中,教師只須提供一張正常人24 小時血糖動態跟蹤測定表,引導學生根據表中數據進行分析討論。

針對子概念②“血糖平衡的調節,也就是調節血糖的來源和去向,使其處于平衡狀態”,創設合作探究活動2,其中包含三項任務:(1)根據教材提供的相關文字資料,盡可能完整地找出血糖的所有來源與去向;(2)試探究血糖濃度降低或升高時,人體通過什么途徑維持血糖的相對穩定? 請構建血糖平衡調節的基本模型;(3)人體的體溫、滲透壓也總維持相對平衡,請結合血糖平衡調節模型構建人體平衡調節的一般模型。

設計意圖:本概念要求學生理解平衡調節的實質就是調節物質的來源和去向,結合教材圖示、人體內食物的消化與吸收等知識,構建血糖調節的基本模型(圖2),并由此拓展體溫、滲透壓的平衡調節,構建調節的一般模型(圖3)。

圖2 人體血糖調節模型

圖3 人體平衡調節的一般模型

圖4 負反饋調節與正反饋調節示意圖

圖5 IA 參與血糖負反饋調節機制

針對子概念③“胰島素是唯一能夠降低血糖濃度的激素,胰島素和胰高血糖素共同維持血糖含量的穩定”,創設合作探究活動3:(1)胰島素是唯一能夠降低血糖濃度的激素,試分析胰島素通過哪些途徑降低血糖濃度。如果血糖濃度過低,胰高血糖素又如何調節血糖,使其升高?(2)胰島素能降低血糖濃度,胰高血糖素能升高血糖濃度,試猜想胰高血糖素升高會促進還是抑制胰島素的分泌? 請設計實驗進行驗證,寫下你的實驗思路;(3)經研究發現,胰島素能抑制胰高血糖素的分泌,胰高血糖素則促進胰島素的分泌,請建構概念圖以描述胰島素和胰高血糖素對血糖平衡的調節。

設計意圖:該活動設計不僅引導學生歸納、總結胰島素和胰高血糖素的作用途徑,同時還解開“胰島素的作用能不能使血糖降到極低,胰高血糖素能不能使血糖升到極高”這個學生可能存在的迷思。在教學過程中,教師鼓勵學生積極做出假設,并設計實驗以驗證猜想。其后,提供實驗結果引導學生分析資料,解開謎團,理解胰島素與胰高血糖素間的相互作用,即能將血糖控制在正常范圍內,構建血糖調節的基本框架。

針對子概念④“血糖調節主要依靠激素的作用,血糖的平衡還受到神經系統的調節”,創設合作探究活動4:請根據以上所學知識,并結合資料1 ～3,完善血糖的平衡調節概念圖。

【資料1】用電刺激下丘腦的腹內核或交感神經,僅30 s 血糖濃度即可達到最高值;用電刺激下丘腦的外側核或副交感神經,肝糖原的合成仍能增加。

【資料2】胰島細胞都連有神經元,并通過脊髓和下丘腦神經元相連;人體血糖濃度降低時,測得此時下丘腦某一區域神經元放電增強;如果此時注射葡萄糖,則發現此區域神經元放電減弱。

【資料3】腎上腺髓質的分泌活動受到交感神經和促腎上腺皮質激素的作用,交感神經興奮時,腎上腺髓質激素分泌增加。

設計意圖:通過前三個子概念的學習,學生已知血糖的體液調節過程,而該活動的創設是為引導學生認識子概念④。因此,教師選擇的資料要能體現神經調節的相關結構,如感受器、傳(入)出神經、神經中樞、效應器等,以此完善血糖調節的完整概念。

針對子概念⑤“在一個系統中,系統本身工作的效果,反過來又作為信息調節該系統的工作,這種調節方式叫做反饋調節”,創設合作探究活動5:反饋調節是人體內常見的調節方式,請結合下圖分析探究兩種調節的特點及意義,總結兩種調節的共同特點,提煉反饋調節的概念。

設計一致性說明:學生通常對“系統本身工作的效果,反過來又作為信息調節該系統的工作”這句話的理解存在困難,難以準確把握正反饋調節,從而無法真正理解反饋調節。在該活動中,教師以圖示的方式把上一次調節的結果與下一次調節的信號等同,并設計兩到三次的重復調節,以引導學生理解“本身工作的效果,反過來又作為信息”。同時,通過圖示,學生能認識到負反饋調節是反向調節,而正反饋調節是同向調節,從而準確理解反饋調節的概念。

2.4 創設目標概念應用機會,完善目標概念

本節內容以“血糖平衡的調節”為例,通過落實五個子概念以實現學生對次位概念“激素通過反饋調節等機制維持機體的穩態”的理解。為檢測學生對該概念的理解程度,設計下列情景,鼓勵學生嘗試應用目標概念解決問題。

胰島素是調節血糖的重要激素,科研人員研制了一種智能胰島素(IA),它既能與細胞膜上的胰島素受體結合,又能與葡萄糖競爭結合GT(細胞膜上葡萄糖的載體蛋白),當IA 與靶細胞上的受體結合后,細胞膜上的GT 增多。若IA 作為治療藥物,糖尿病患者用藥后再進餐,血糖水平會先上升后下降。請從穩態與平衡的角度,構建IA 調控血糖的機制圖。

分析:糖尿病患者用藥后,IA 與胰島素受體結合,也與GT 結合。進餐后血糖上升,葡萄糖與IA 競爭結合GT,導致IA 與GT 結合減少,IA 與胰島素受體結合增加,細胞膜上的GT 增多,葡萄糖通過主動運輸或協助擴散的方式被攝入細胞內的含量增加,從而降低血糖;當血糖降低時,葡萄糖與GT 結合減少,IA與GT 結合增加,IA 與胰島素受體結合減少,膜上GT少,葡萄糖被攝入細胞內減少,血糖上升。

設計意圖:該活動不僅有助于學生進一步明確正常人體在血糖偏高或偏低時,運用什么調節方式使血糖恢復正常,以保持血糖的穩定。同時,活動涉及新情景新材料,引入用于治療糖尿病人的智能胰島素(IA),設計相關問題,引導學生通過分析、解決問題,加深對反饋調節實質的理解。 該活動讓學生理解在疾病治療、藥物開發中要關注藥物的特性,讓藥物參與到人體的反饋調節中,以此促進人體穩態的維持,保證人體進行正常的生命活動。

概念教學貫穿高中生物學教學的始終。無論是新授課還是復習課,教師都應關注前概念,為學生創設呈現前概念的機會,了解學生對目標概念理解的準確性與深度;創設情景機會,激發學生學習興趣,設置多種形式的活動進行論證與探究,促進目標概念的形成;為目標概念的應用創設真實情景問題,使學生深度理解、準確領會目標概念。通過上述以4C 為核心的概念教學活動設計,有助于學生形成和發展核心素養。