高中生物学概念教学
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概念是生物学理论的基础和精髓，也是思维过程的核心。在人教版《全日制普通高级中学教科书·生物》(2003年6月第一版)后附录上就有211个生物概念，其中必修本有154个，选修本有57个。但近年来，人们对生物概念教学的研究却很少，基本上是关于概念教学的体会，如如何识记、辨别、掌握概念等，很少涉及有关理论指导下的概念教学研究，如前概念的剖析与矫正，概念的有效建构等。对生物学概念的本身研究更少，几乎没有涉及概念发展的过程、负载的方法和蕴涵的价值等等。[1]鉴于此，对生物概念教学进行深入地、系统地探讨、研究，对把握和落实新课程标准精神、推动和促进当前的生物学教学改革，不无裨益。
一、生物学前概念的迁移与矫正
学生在学习任何概念性知识之前，实际上都已经有了前概念。前概念是存在于人们头脑中相对于新知识的已有的认知，可能是正确的，也可能是片面的或错误的。前概念的成因，主要是日常生活中的经验及正确或错误认识的积累。我们认识事物的过程，就是这样一个从前概念逐步发展到新概念的过程。无论对哪一门学科知识的学习，也无论是哪一个年龄段的认知，都有这样的特点，尤其生物学科与人类生活实际联系非常紧密，所以前概念非常丰富。奥苏贝尔(D.P.Ausubel)的同化论观点对概念的习得作了精辟论述，认为学习者头脑中已有的知识结构在新概念的习得中起着至关重要的作用，当新概念与头脑中前概念间存在某种类属关系时，若指导者能给予有效引导，使学习者能将新概念与头脑中已有概念间的这种类属关系进行正确链接，将有利于学习者将新概念同化到自己头脑的已有概念体系中，从而习得概念。因此，如何利用前概念进行有效的生物学概念教学，值得探讨研究。
正确的前概念是学习生物学科学概念的良好基础和铺垫，它的正迁移作用可成为生物学概念学习的资源和概念学习的新的增长点，可使学生尽快地掌握新知识和知识结构。如学生在学习生物学概念前自己对生活中的一些生命现象和规律已有所了解，如：“向日葵随太阳转”“根的向地性与茎的背地性”，能促进对“生长素”概念的理解；“人感到寒冷时会打哆嗦”“一个球向你飞来时，你会接住或躲开它”，这些都能促进对“激素调节和神经调节”概念的理解；“种瓜得瓜，种豆得豆”“一猫生九崽，连母十个样”，可促进对“遗传与变异”概念的理解。这些已知正确的前概念，一方面有助于迁移到新概念的习得和有意义的建构，另一方面，有助于激发学生进一步学习生物科学的兴趣和动机。
片面或错误的前概念会成为生物学概念学习的障碍，这些错误的前概念如果得不到及时矫正，将影响对生物学概念的同化和顺应，使学生形成错误的思维，阻碍生物学科学概念的建构。如学习“植物个体发育”概念前，学生头脑中就有农作物的“春天播种，秋天丰收”的前概念，片面地认为植物的个体发育从种子开始，这就阻碍了学生建构“植物个体发育从受精卵开始”的科学概念；由于绿色植物能吸收二氧化碳、产生氧气，学生自然形成植物呼吸作用吸入二氧化碳、放出氧气的前概念，这个错误的前概念阻碍了“呼吸作用”概念的建构。又如，前些时间媒体上猛然间刮起了“吃基因补基因”的风潮，在社会上形成“吃核酸长核酸”的错误前概念。对于这些片面、错误的前概念，必须给予矫正，否则不能建构科学的概念。例如，针对“吃基因补基因”的前概念，可以通过对核酸的消化、代谢、合成的分析，使新知识与学生的前概念产生冲突，让学生暴露出错误观念，正确看待自己原有的生活经验，把对事物表面现象观察所得到的经验与生物学知识不一致的地方提出来进行反思，找出矛盾所在，经历思想上的冲突和震撼，造成认知结构的不平衡，促成原有知识结构的顺应，用科学的概念代替原有的错误观念，实现错误前概念向科学概念的转变。
二、生物学概念的有效建构
瑞士著名心理学家皮亚杰(J.Piaget)在其《发生认识论原理》中指出：“认知的结构既不是在客体中预先形成了的，因为这些客体总是被同化到那些超越于客体之上的逻辑框架中去，也不是在必须不断地进行重新组织的主体中预先形成了的。因此，认识的获得必须用一个将结构主义和建构主义紧密地连接起来的理论来说明，也就是说，每一个心理结构都是心理发生的结果，而心理发生就是从一个较初级的结构过渡到一个不那么初级的(或较复杂的)结构。”[1]概念图的运用能较好地促进生物学概念的有意义的建构，如学习“光合作用”的概念时，指导学生利用概念图(如下图)建构光合作用的概念，不仅能拓展科学概念，还能培养学生的思维能力。它为学习者提供了一种学习科学语言的形式和建构科学知识的有效手段，有利于对概念知识的整合，有利于把握生物学概念的内涵与外延，能较好地提高学生生物学概念的结构化程度，有助于学生建立良好的认知结构。大量的研究表明：概念图可以帮助教师提高教学效率，概念图策略更适合于科学课程，且生物学上的显著性要大于化学和物理；它可以促进学习者进行有意义的学习；可以改变学习者的认知方式；有利于培养学生创造性思维。
三、生物学概念发展过程的展示
学习生物学的概念，不仅要学习概念的内涵与外延等理论知识，也要学习概念的产生、发展的演变过程。科学是一个发展的过程，任何生物学概念都要经历产生、发展的过程。其实学习生物学概念的产生发展的过程，就是学习概念的发展史。
(一)学习概念的发展过程是生物学科教学的需求
《普通高中生物课程标准(实验)》(以下简称《标准》)中建议安排的学习概念发展史有两类。一类是必修或选修课本中以课文形式呈现的史料，如学习“细胞”概念时，要求分析细胞学说建立的过程；学习“光合作用”概念时，要求说明光合作用及其对它的认识过程；学习“遗传物质”概念时，要求总结人类对遗传物质的探索过程；学习“生长素”概念时，要求概述植物生长素的发现和作用；学习“基因工程”概念时，要求简述基因工程的诞生过程；等等。另一类是建议学生自行搜集的相关资料，如学习“DNA”概念时，建议学生搜集DNA分子结构模型建立过程的资料；学习“进化”概念时，要求学生搜集生物进化理论发展的资料；学习“免疫”概念时，要求学生搜集有关干细胞研究进展的资料。除此之外，教材有些专题内容还涉及科学家进行探索的经典实验及资料，如孟德尔定律的发现、核酸是遗传物质的实验分析等。
科学是一个发展的过程，任何生物学概念都要经历产生、发展的过程。学习概念发展过程不仅有助于了解概念的演变过程，而且有助于学生深刻地理解和牢固地掌握生物学概念的内涵与外延，从而理解生物学概念的科学本质。如在学习“光合作用”的概念时，让学生学习“光合作用”的发展史：古希腊学者亚里士多德提出，土壤是构成植物体的原料；1642年赫尔蒙特(J.vanHelmont)栽培的柳苗试验，证明柳树营养生长物质不是来源于土壤，而与空气和雨水相关；1771年普利斯特利“绿色植物—烛—小鼠”实验，证明植物光合作用可以更新空气；1864年萨克斯“叶片半遮光—碘蒸气”实验，证明光合作用可能产生淀粉，并需要光；1880年恩吉尔曼“水绵—好氧性细菌”实验，证明光合作用产生O[，2]，叶绿体是绿色植物光合作用场所；上世纪30年代鲁宾和卡门同位素标记实验，证明光合作用产生的O[，2]全部来自H[，2]O。通过概念发展史的学习，学生自然得出光合作用概念的实质，把无机物(O[，2]和H[，2]O)转变成有机物，把光能转变成化学能，同时也清晰地掌握光合作用的物质变换的过程及场所。
(三)学习生物学概念发展过程有助于学生形成科学的观念
英国的“国家科学课程”中对于引入科学概念的解释为：学生应该理解科学概念随着时间而改变、发展的方式，理解这些概念及其应用是如何受社会、精神和文化背景影响的。由此不难看出，生物学概念的发展史中，不仅记载着生命科学知识的形成过程，而且蕴涵着科学家的创造思维方式和灵活多样的科学方法，体现科学家尊重事实、服从真理和实事求是的科学态度，以及勇于创新、善于合作和无私奉献的科学精神。所以学习生物学概念的发展史，不仅有利于更好地理解、掌握生物学概念，而且有利于学生形成科学的观念，提高生物学科学素养。
四、生物学概念负载研究方法的渗透
生物学是一门自然科学，也是一门实验科学。在生物学的发展过程中，尤其是实验生物学出现以后，研究手段和方法一直起着非常重要的促进作用。有些研究技术和方法的出现，甚至使生物学产生了飞跃性的发展，如显微镜技术和基因工程技术等分别导致了近代和现代生物学的产生。没有研究技术和方法的不断进步，也就没有生物学今天的巨大发展。所以学习生物科学，不仅要学习生物学的概念，还要了解生物学概念所蕴涵的科学技术和研究方法。
(一)渗透传统的生物学研究方法
生物学传统的方法较多，如观察法、调查法、显微镜法、放射性同位素示踪法、解剖法、实验法等，它们不仅是生物学积累事实材料的基本手段，而且是检验假说和理论的重要途径。如学习“生物体的化学元素”的概念时，渗透“放射性同位素示踪法”；学习“矿质元素”概念时，渗透“土培法”“沙培法”“水培法”；学习“叶绿素”概念时，渗透“层析法”和“光谱法”；学习“动物激素调节”的概念时，渗透临床观察法和动物实验法(如腺体摘除法、腺体移植法、结扎法、注射法、口服法等)；学习“种群”概念时，渗透“标志重捕法”。
(二)渗透模型方法
美国《国家科学教育标准》把模型和科学事实、概念、原理、理论并列为科学主题的重点，并将构建、修改、分析、评价模型作为高中学生的基本科学探究能力。《标准》依据国际科学教育的发展，将模型和模型方法列入了课程目标。所谓“模型”，是指模拟原型(所要研究的系统的结构形态或运动形态)的形式。它不再包括原型的全部特征，但能描述原型的本质特征。模型方法是以研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法，是逻辑方法的一种特有形式。如在高中生物课程中经常使用的物质模型有实物模型如生物体结构的模式标本，模拟模型如细胞结构模型、各种组织器官的立体结构模型等；思想模型是物质模型在思维中的引申，根据构建模型的思想方法的不同，又可以分为两类。一类是以形象化方法(或称为意象思维方法)构建的具象模型，它是人们在思维中通过对生物原型的简化和纯化而构思出来的。具象模型具有一定的形态结构特征，如DNA分子双螺旋结构、生物膜液态镶嵌模型等。它能使研究对象直观化，既可以促进研究，又可以简略描述研究成果，使之便于理解和传播。另一类是以理想化方法(或称抽象思维方法)构建的模型，是人们抽象出生物原型某方面的本质属性而构思出来的，例如，呼吸作用过程图解、光合作用过程图解等过程理想模型，食物链和食物网等系统理想模型。[2]《标准》很重视模型和模型方法。例如，“稳态与环境”模块中有两个活动建议：“探究水族箱(或鱼缸)中群落的演替”和“设计并制作生态瓶”，都是运用模型的探究。所以，生物学教学中，要结合生物学概念的教学，不断地渗透模型的方法，这不仅能完善学生对生物学概念的认知结构，而且能提升思维能力。
(三)渗透数学方法
数学方法指运用数学语言表述事物的状态、关系和过程，并加以推导、演算和分析，以形成对问题的解释、判断和预测的方法。目前，数学在生物学、医学等领域正起着越来越重要的作用，数学方法在科学教育中的价值更是不言而喻。高中生物课程对数学方法的使用主要有三个方面。第一，用数学式来定义抽象的生物学概念。《标准》没有明确要求用数学式定义概念，但“稳态与环境”模块中，列举“种群的特征”这个知识点，如果涉及种群密度，年龄结构和性别结构，出生率和死亡率等，就是用数学式定义的概念。这类定量的概念以数学方法揭示事物的本质及其发展变化规律，为研究工作提供一种简明精确的形式语言，具有重要的科学认识论价值和方法论价值。第二，用数学方法对生命现象的空间关系和数量关系进行描述、分析和计算。如以条形图、曲线图、统计图等来表现某一生命现象的统计数字大小及其变化。第三，用统计方法来研究随机现象的规律性变化。统计方法在生物界广泛存在，学习“遗传定律”时，渗透孟德尔是如何使用描述统计方法对豌豆杂交实验结果进行定量观察和数据分析，依据统计方法从样本到总体的推理，才发现了遗传性状的分离现象和自由组合现象。
(四)渗透系统分析方法
现代生物学的分析性研究已深入到分子、量子水平，但为了揭示生命运动的奥秘，还必须从生命系统的各个组成部分的联系和相互作用中，从它们和外界环境的相互联系和相互作用中了解整体。这就需要进行系统分析。现代系统分析包括定性分析和定量分析，高中生物学教育一般只能做定性分析，如同美国《国家科学教育标准》所要求的“学会从系统的角度思考和分析问题”。例如，学习“细胞器”的概念时，要让学生明白每个细胞器都具有一定功能，而且它们的结构与功能一般相互联系，但要完成某个具体功能时，细胞必须是一个完整的结构，否则就不行。又如，生物膜也是一个系统，它包括细胞膜、核膜、液泡膜、线粒体模、叶绿体膜、内质网膜、高尔基膜等，它们的组成成分是一样的，但具体的功能不同，它们是相互联系、相互制约、不可分割的统一的整体。又如“生态系统”的概念，是一个宏观的系统，它们的组成及营养结构组成一个典型的系统。
五、生物学概念蕴涵价值的体现
生物课程中的价值观具有丰富的内涵，价值观不仅强调对个人价值的判断，更强调对社会价值、科学价值、人文价值的判断。在生物学概念的教学中，要充分挖掘概念所蕴涵的价值因素，并有意识地贯穿于教学过程之中，这样才能使情感态度与价值观有机地渗透到课程教学内容中去。
(一)实用价值
生物学与人们的衣食住行、卫生保健以及环保密切相关。生物学对人类生活的实用价值是人类发展史上一个古老的话题，但在今天却被赋予新的意义。例如，在学习“细胞的分裂、分化、癌变、衰老”“生殖、发育”等概念时，可以让学生了解目前生物学在植物组织培养技术、克隆技术、生殖技术、器官移植、恶性肿瘤治疗等方面的应用价值；在学习“植物新陈代谢”概念时，可以让学生了解生物学在解决我国目前社会经济发展的一大热点——“三农”问题中的重大作用；学习“发酵”概念时，让学生了解利用酵母菌发酵制造啤酒、果酒、工业酒精，利用乳酸菌发酵制造奶酪和酸牛奶，利用真菌大规模生产青霉素，利用微生物发酵生产药品，如人的干扰素、胰岛素和生长激素等方面的应用价值。
(二)科学人文价值
人们常说，21世纪生命科学将成为带头科学，这一方面指生物科学技术的发展正在极大地影响着人们的生活和经济、技术的发展，另一方面指生物科学的发展正在深刻地改变着人类的思想和思维方式。生物学不仅具有科学价值，还具有巨大的人文价值。在生物学概念教学中，渗透人文性和科学性的统一，能拓宽学生的学科视野，使学生的抽象思维和形象思维协调发展，既有利于学生全面发展，又有利于培养学生创新的思维品质。例如，在学习“酶”的概念时，让学生了解有关酶的诺贝尔奖获得者及成就，同时，还可以讲解其中一些科学家不畏艰难、不畏权威，勇于攀登的科学精神。这样不仅能激发学生以后从事科学研究的动机，而且能激发学生形成勇往直前的精神。
(三)美育价值
从提高生物学教育的价值这个角度思考，美育是一个几乎未曾开发的处女地。生物学概念教学体现的美育价值，重点在于提高学生的审美能力。中国传统的审美方式重在感悟式的直觉思维，而生物学教育作为科学教育的一部分，应以严谨的理性分析为主。生物学中美的存在主要有两种，一种是生命美，生命世界给人类提供了无限广阔的审美领域，我们可以把它们统称为生命美。在学习“细胞”的概念时，可以让学生感悟各种细胞形态所蕴涵的形态美；在学习“生态系统”的概念时，可以讲生命本身的形式美，如生物体的色彩、线条、形状、声音美及生物界的和谐美。另一种是生物科学美。生物科学中的科学美包括理论美和实验美等，是生命世界本身的美学特征在生命科学中的体现。例如，学习“化学元素”和“细胞”概念时，可以让学生感悟生物界与非生物界的统一美和生物界细胞结构生物的统一美；在学习“细胞分裂”概念时，可以让学生感悟细胞分裂的规律美；在学习“DNA”概念时，让学生感悟DNA双螺旋结构模型的对称性体现了结构美。还可以让学生感悟噬菌体侵染细菌实验的新奇美，因为这个实验以奇妙的构思，确证了DNA是遗传物质，而蛋白质不是遗传物质。
生物学概念是生物课程具体目标中的知识、情感态度与价值观、能力的杂合子。课程目标的三个维度只是理论上的一种分类，从生物科学素养的形成来说，这三个纬度是同等重要、缺一不可的，从教学实践来看，这三个维度并不是彼此孤立，毫无联系的。相反，它们之间是相互依存，互为基础，你中有我，我中有你的不可分割的关系。就像《标准》所说，“在课程实施过程中它们是一个有机整体”。因此，在生物学概念教学中，不仅要关注剖析前概念，运用概念图建构概念体系，而且要展示生物学概念的产生、发展的演变过程，渗透概念研究过程中所负载的研究方法，体现生物学概念所蕴涵的价值的研究。只有这样，才能较好地落实《标准》的三维目标，提高学生生物科学素养。
