指向科學思維發展的學程構建與實踐

摘 要：本文以“生態系統的穩定性”一節內容為例，引導學生在探究“車陂涌”生態系統穩定性的貫穿情境中，完成“預學—共學—研學—拓學”的學習環節，實現“認識動機—認識行為—認識方式—認識品質”的科學思維發展。以期為中學生物學教學流程的改進提供參考。

關鍵詞：學程構建；科學思維發展；模型與建模

文章編號：1003-7586（2024）11-0008-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

1 研究背景及設計思路

科學思維是指人對自然界中客觀事物的認識行為、認識方式和認識品質的反映。在中學科學教育層面，科學思維還包含激發學生“崇尚真知，追求科學知識”的認識動機。^［1］學程是指“學習發生的過程”，教師對學程構建的關注可以促進課堂從“以教為中心”向“以學為中心”轉型。學生完成學程的出發點源于學習需要，學習需要則可以理解為在特定的學習情境下，學習者目前的學習狀態與所期望達成或應該達成的狀態之間的差距，包括知識、能力和情感態度、價值觀等多方面。^［2］

指向科學思維發展的學程構建，是指教師基于學生的學習需要，構建“預學—共學—研學—拓學”的學習環節。學生在主動參與學習的過程中，通過小組合作、自主探究、組間評價等方式分析問題、解決問題，并在解決真實問題的實踐過程中實現“認識動機—認識行為—認識方式—認識品質”的科學思維發展目標。

“生態系統的穩定性”是人教版普通高中教科書《生物學·選擇性必修2·生物與環境》第3章第5節的內容。筆者以此內容為例，介紹學程構建的具體過程，教學思路如圖1所示。

2 教學過程

2.1 預學：“實”調查，激發認識動機

本環節的學習需要屬于興趣需要。教師選取環繞本校的“車陂涌”河涌創設真實情境。“車陂涌”作為廣州市黑臭河水治理工程的典范，大多數學生都親眼見證了該河涌的治理過程。教師從實際問題出發，能夠充分激發學生的學習興趣。

選定調查地點后，學生開展小組討論并進行可行性分析，確定調查“車陂涌”的主要生物、水質狀況和治理政策。調查過程中，教師要充分發揮學生的特長：擅長使用手機的學生提供生物識別軟件；家里養魚的學生提供水質檢測試紙；無人機社長使用無人機航拍記錄活動。通過調查活動，學生能夠實現從“感覺水質變好了”的感性認識向“用實際數據證實”的理性認識的轉變，激發自身“實踐探究，追求真理”的學習動機。

2.2 共學：“真”問題，驅動認識行為

本環節的學習需要屬于知識需要。本節課的教學目標之一是理解生態平衡的概念及其特征。學生已具備生態系統的結構和功能等相關概念基礎，有助于他們理解新概念“結構平衡”和“功能平衡”。然而，新舊概念間具有一定相似性，可能會導致學生在理解過程中缺乏深度思維，造成表面理解的假象。

教師可以借助學生獲得的調查數據，制造認知沖突，以推動學生深度解讀新概念并構建新舊概念間的聯系。教師設置以下問題串：①生態系統的結構包括什么要素？根據表1、表2內容能否確定“車陂涌”處于結構平衡狀態？為什么？②“生產—消費—分解”的生態過程如何影響水中溶解氧的含量？③基于該調查結果，能否確定該地區處于功能平衡狀態？為什么？學生利用生態系統結構和功能的相關知識，能夠解決部分問題。但仍有學生錯誤地認為，只要各種組分的測量值在標準值內就是生態平衡。然而，這些看似理想的調查數據并不能證明“車陂涌”處于生態平衡狀態，從而引發學生強烈的認知沖突，驅動學生深入解讀新概念，并展開激烈討論。在共同學習、分析討論后，學生能夠注意到概念中的“保持”一詞，認識到“保持平衡”是一個連續的、動態的過程，不能僅靠一次調查就下定論。在調查與反思的過程中，學生的穩態與平衡觀的生命觀念能夠得到充分發展。

對于“收支平衡”這一全新概念的教學，教師首先采用模仿學習的方法，引導學生模仿教材中森林生態系統的收支分析，對“車陂涌”生態系統進行收支分析。隨后，教師制造認知沖突，補充說明“車陂涌”日均排污18.3萬噸，并設置問題：自然森林生態系統相比，該地區在有機物收支方面有何不同？學生完善了“車陂涌”生態系統的收支模型，豐富了“收支平衡”的內涵，掌握了尋找生態系統物質和能量的來源與去路的模型分析方法。

2.3 研學：“建”模型，探索認識方式

本環節的學習需要屬于能力需要。生態系統的自我調節過程不僅是知識目標的重要組成部分，其核心的反饋調節機制更是培養學生模型與建模能力的絕佳素材。模型能力框架為教師提供了評估學生模型與建模能力的清晰指南（見表3）。根據該框架，教師發現多數學生的能力仍處于水平一或水平二，而水平三需要將模型作為理論重構和科學研究的工具，是科學教育的能力目標之一。^［3］

2.3.1 問題引導，初構模型

教師通過河流維持自身穩定的案例，設置以下問題鏈，引導學生分析復雜的數學模型（見圖2a）：①變化的起因；②AB段需氧型細菌增加的原因及影響； ③BC段藻類增加的原因及影響。學生經過曲線分析、信息提取、邏輯推理，揭示生態系統中各組分間的因果關系，構建概念模型并進行闡釋：當污染程度在生態系統的自我調節能力范圍內時，河流能夠依靠自身組分保持生態穩定。從本質上看，該模型將河流自潔的過程發展為理想化數據；從建模目的上看，由“對河流自潔過程的描述”發展為“對生態系統中各組分間關系”的解釋。

2.3.2 深化情境，完善模型

教師提出假設和問題：如果日排污量增加到180萬噸，該地區的環境將如何變化？學生經過分析、推理、判斷等過程重構原模型，形成新的概念模型，以預測污染超出其自我調節能力時生態系統各組分的變化（見圖2b）。此過程中，學生對模型本質和建模目的的理解程度達到模型能力框架的水平三。

2.3.3 提煉綜合，抽象模型

學生通過對具體概念模型中的核心要素和關系進行提煉、歸納與整合，得出更具普適性的“反饋調節”模型（見圖2c），辨析正、負反饋的區別、聯系和意義，標志著學生的模型思維達到更高的水平。

隨著情境的逐漸深化，學生經歷了從認識、理解、應用數學模型到構建、修改、抽象概念模型的轉變，這一過程深化了學生對模型本質和建模目的的理解，并促進其模型與建模的科學思維能力的發展。

2.4 拓學：“搭”舞臺，塑造認識品質

本環節的學習需要屬于價值需要。當學習效果外顯化并且可以創造出更顯著的價值時，學生將產生更強的學習動力和更持久的學習行為。“生態系統的穩定性”一節具有十分重要的社會價值，學生不應只是知識的接受者，更應成為生態系統的保護者、宣傳者、監督者。

教師精選學生收集的數據，形成了2014年與2021年“車陂涌”治理方案的對比表（見表4）。學生通過對比兩年數據的異同，思考治理方案背后的科學依據。借助概念模型，學生對“治源頭”和“放養吞吃浮游動物的鰱魚、鳙魚”等措施進行理性分析。面對學生“為何選擇鏈魚、鳙魚而非其他魚種”的疑問，教師補充資料“四大‘家’魚和外來物種入侵”。

在問題解答過程中，學生拓展了對“增加生態系統組分以提高生態系統穩定”的認識，理解了增加組分要考慮多方面因素，如投放物種的適應性和生態位以及避免外來物種入侵等。學生對于2021年治理方案的改變感到困惑，教師補充資料“廣州探索低成本可持續的低碳生態治水之路”。學生能夠由此理解降水位、少清淤、不搞人工化等措施背后的科學依據，同時認識到環境治理方案的制訂不僅要考慮生態問題，還要考慮經濟成本。

學生將所學的理論知識與真實的治理方案相結合，顯化了自身的認識，也認識到了原有想法的局限性，從而在知識拓展的過程中，不斷發展自身的批判性思維，塑造“尊重事實和證據”的科學思維品質，形成尊重自然、保護環境的價值觀和“綠水青山就是金山銀山”的生態文明觀。

3 結語

在“預學—共學—研學—拓學”的教學過程中，教師需尊重學生的個體差異，針對問題難度策劃多樣化的學習活動，如自主閱讀、小組討論、互相評價等，確保不同水平的學生均有學程發生，推動其思維發展。

為了縮小學習需要與教學目標之間的差別，教師不僅要看到學生應達到的水平，更要清楚學生現在所處的水平。當教師將目光從教學目標轉向學習需要時，能夠設計出激發學生參與熱情的真活動，產生真問題，觸發真思維。因此，教師不僅要關注學生的興趣需要、知識需要、能力需要和價值需要，以形成學生學習的內部動機，也要重視課堂評價環節，及時開展自評、互評和師評，形成學生學習的外部動機。

筆者以“車陂涌”為例創設貫穿課堂的真實情境，不僅有利于學生的深度學習和科學思維發展，還能充分發揮本地資源的育人價值。教師應在課堂上引起學生情感共鳴后，搭建課后延伸活動，引導學生關注社會議題，參與社會實踐，承擔起“保護自然、造福人類”的社會責任。

參考文獻

［1］吳成軍.生物學學科核心素養的教學與評價［M］.上海：華東師范大學出版社，2020.

［2］何佳潞，韓寧，范麗仙.教學設計中如何分析學生的學習需要［J］.科教導刊（中旬刊），2020（5）：118-120.

［3］閆孟宸，鐘能政，魯亞平.模型能力框架及其對高中生物學模型與建模教學的啟示——以“生殖細胞形成過程”中的模型與建模活動為例［J］.中學生物學，2021，37（1）：22-24.