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生物学教学强化知识间逻辑联系的意义和策略

摘要 本文多角度分析了中学生物学教学强化知识之间逻辑联系的必要性,并以高中生物新课程的部分教学内容为例,分析了章与章之间、节与节之间知识上的逻辑联系,从导入、展开和小结三个环节提出了强化知识间逻辑联系的教学策略。

 

关键词:生物学教学;知识;逻辑联系

 

在观摩课和研究课中经常出现这样的情况:新课导入环节播放丰富多彩的视频资料,配以优美动听的音乐,营造出情趣盎然的课堂氛围,但是从内容上看与已经上过的课没有什么关联,新课仿佛从天而降一般,即便生动,也很突兀;教学过程中名词概念一个接一个地罗列,都交待得很清楚,却缺少思维上的连贯性。这样的现象引发笔者对强化知识性教学内容之间逻辑联系的思考,现不惴浅陋,略述管见,供大家参考。

 

一、强化知识内容之间逻辑联系的必要性

 

以往很长时间内,中学生物课程的教学内容中描述性内容居多,原理和规律性内容较少,这就容易导致学生的学习以识记为主,思维得不到应有的锻炼,对知识的记忆也难以持久。自20世纪90年代以来,这一状况正在逐步改变,主张“生物课程是理科课程,理科应讲理”的呼声越来越高,这里所说的“理”其实就是逻辑和逻辑联系。

 

从课程标准的要求看,必修模块的具体内容标准中,知识性内容的学习目标分为了解、理解、应用三个水平,其中理解水平的内容占大多数。而所谓理解水平就是要学生能够“把握内在联系”。学生只有在认识和把握了概念之间的内在逻辑联系后,才能真正理解所学知识,才能将知识内化形成一定的知识结构。

 

从学习心理学的角度看,学科的内容结构并不等同于学生的知识结构,换言之,学科的内容结构不能直接强加于学生的心理结构中。要让学生形成良好的知识结构,一方面要保证教学内容具有良好的结构性,为学生形成、完善和扩展自己的知识结构打下良好的基础,另一方面要把握好内容结构与学生的认知结构(知识结构、认知能力结构等)之间的关联性,使学科的内在逻辑与学生的心理逻辑统一起来,以便让学生通过同化和顺应等心理过程,使二者实现有效的对接①。上面所说空降式的新课导入模式,既没有体现学科的内容结构(与前面章节的逻辑联系),也没有考虑到学生原有的认知结构(已经学习的概念和原理等),其缺陷当然不言自明了。俗话说“温故而知新”,从学生学习过的知识入手,创设问题情境,合乎逻辑地提出新问题,从而导入新课,能够有效地唤起学生的求知欲。

 

从科学和科学教育的性质看,强化知识内容间的逻辑联系也是生物学教育的应有之义。生物学无疑属于科学,生物学教育无疑属于科学教育。科学意味着以理性的态度和理性的思维来认识客观世界的本来面目,弄清楚一个接一个的“WHAT”、“HOW”和“WHY”。英国科学哲学家波普尔说过:“科学和知识的增长永远始于问题,终于问题──愈来愈深化的问题②”。这句话中“始于”的问题与“终于”的问题是有着非常紧密的逻辑联系的,前一个问题解决后,后一个问题的提出就成为逻辑的必然。以基因为核心的现代遗传学的发展就是最好的例证。科学既是如此,科学教育中呈现在学生面前的科学自然也应如此。科学是如此波澜壮阔,跌宕起伏,问题层出不穷,研究永无止境。如果我们的科学教育只是静态地、孤立地呈现一个个研究的结果和结论,未能体现提出问题的逻辑、研究过程的逻辑、得出结论的逻辑、提出新问题的逻辑,那么学生学习的还是真实的科学吗?这样的科学教育是不是偏离抑或尚未触及科学教育的本质呢?

 

从美学和美育的角度看,生物学的美绝不仅仅表现在形形色色的生物身上,更蕴涵在艰难曲折又精彩绝伦的研究过程中,蕴涵在从问题到结论再到新问题,从建构概念、探明原理和发现规律到建构整个学科知识体系的内在逻辑联系中。将外在的形式美与内在逻辑美统一起来,才是比较完整的科学美,这样的美育才是比较完整的科学美的教育。从小学到初中再到高中,科学(生物学)课程的美育内容中内在逻辑美的比重应当不断提升。

 

二、知识内容之间的逻辑联系例析

 

尽管生物学早已超越了描述性科学的阶段,还是有不少人认为它就是对生物从外到内、从结构到功能、从现象到规律等方方面面的描述,课堂教学中抽丝剥茧单纯描述的做法也不鲜见,结果导致教学枯燥无味,学生死记硬背。实际上,中学生物课程中相关知识内容之间的逻辑联系比比皆是,需要整理和挖掘。下面以人教版普通高中生物课程标准实验教材的内容为例来分析。

 

1.章与章之间的逻辑联系

 

《分子与细胞》模块第一章初步阐明了细胞是基本的生命系统。“细胞是基本的生命系统”这一命题既是贯穿本模块各章的主线,也可以看作本模块内容结构的逻辑起点。为什么说细胞是系统?是因为细胞是一个由各个组分相互作用、密切联系所形成的有机整体。为什么说细胞是生命系统?是因为这个系统是有生命的。对“有生命”的理解关键在“生”字。“生”至少有三层含义:第一层是从无到有叫生(无中生有),比如生孩子的生,生生不息的生;第二层是“活”的意思,也就是跟外界进行物质、能量和信息的交换,或者说能够进行代新陈代谢、有应激性;第三层是“长”的意思,也就是从小长大,广义一些还应该包括发育、衰老和死亡,因为发育和衰老是“生”的过程,死亡是

 

“生”的终点。为什么说细胞是基本的生命系统?因为它是构成更高层次生命系统(生物体)的基本单位,还因为它是各个层次生命系统中最微小的。由此可见“细胞是基本的生命系统”这一命题由一条概念链形成的(图1左侧),其中“系统”是“生命系统”的上位概念,“生命系统”又是“基本的生命系统”的上位概念。

 

第一章确立“细胞是基本的生命系统”后,接下来各章要依次从不同角度来深入分析为什么说细胞是一个基本的生命系统:组成它的物质与非生命系统有什么不同?──第二章;组成它的各种结构(细胞膜、细胞器、细胞核)是如何紧密联系形成一个有机整体的(即系统)的?──第三章;它是怎样与外界进行物质和能量的交换(即“活”)的?──第四、五章;它是怎样产生(增殖)、生长、衰老和死亡(即“生”的第一层和第三层含义)的?──第六章。换言之,第一章确立“细胞是基本的生命系统”这一基本命题,第二章分析其物质基础,第三章论证它是系统,第四、五、六章论证它是生命系统。

 

《遗传与进化》模块包括七章内容,每章分析一个中心问题,七章就构成了由七个中心问题组成的大问题串,这七个中心问题之间存在着紧密的逻辑联系。在孟德尔之前,人们不知道决定遗传的内在因素是什么,有人甚至猜想人的受精卵中就有一个器官齐全的微缩的小人。人类是怎么认识到基因的存在的呢?这是第一章《孟德尔的豌豆杂交实验》要解决的问题。孟德尔的遗传因子理论让人们认识到对遗传和变异起决定作用的是遗传因子(后来改称为基因),但是人们还不知道它到底是某种非实体的因素还是物质的实体。如果它是一种物质实体,必定存在于细胞中一定的位置,那么基因到底在哪里呢?这是第二章《基因和染色体的关系》要解决的问题。这个问题解决后,知道了基因位于染色体上,但是染色体是由蛋白质和DNA两种物质组成的,基因到底是什么呢?这是第三章《基因的本质》要解决的问题。这个问题解决后,人们知道了基因是有遗传效应的DNA片段,那么基因是怎样控制性状的呢?这是第四章《基因的表达》要研究的问题……抓住了这些在逻辑上环环相扣的问题,再在每章的教学中将章的中心问题逐层分解成更加具体的问题,以问题来驱动学生的学习,就能真正体现生物学“作为探究的科学”的特点,也有利于学生通过探究性学习来建构知识,形成良好的知识结构。

 

2.节与节之间的逻辑联系

 

教材节与节之间的逻辑联系有的是内在的,有的是外在的。

 

《分子与细胞》模块第5章《细胞的能量供应和利用》是体现知识之间内在逻辑联系的实例。

 

本章分四节:第一节《降低化学反应活化能的酶》,第二节《细胞的能量通货──ATP》,第三节《ATP的主要来源──细胞呼吸》,第四节《能量之源──光与光合作用》。本章的逻辑起点是细胞的能量供应和利用都要经过化学反应(图2)。分子一般是稳定的,要让它们发生化学反应,往往需要将分子活化,以克服分子发生化学反应的能障。克服能障的办法不外乎两种:一种是让反应物分子获得足够的能量,使它能自己跳过“门槛”,如加温、加压等;一种是使化学反应需要的活化能降低,即降低“门槛”,也就是加催化剂。细胞内是不可能有高温高压等剧烈条件的,其化学反应只能在温和的条件下进行,所依靠的催化剂就是酶。酶的化学本质是什么?它与无机催化剂相比有什么不同的特性?这是第一节要探究的问题。从能量角度来看,细胞内的化学反应有吸能反应和放能反应之分,不同的化学反应之间如何建立起能量的联系呢?这就犹如买卖东西需要货币一样,细胞中不同结构、不同化学反应之间能量联系的建立要靠能量的“通货”──ATP。ATP是什么样的物质?它为什么能够充当细胞内能量的“通货?这是第二节要探究的问题。第二节明确了ATP是为细胞直接提供能量的物质,那么,ATP中的能量来自哪里?主要来自细胞呼吸,即细胞中的有机物氧化分解,将其中的能量释放出来,使ADP形成ATP。这是第三节要研究的内容。细胞中有机物中的能量又是来源于哪里呢?对绝大多数生物来说,最终来源都是光合作用固定的太阳能,这就是第四节要探究的问题。这样的逻辑联系理清之后,诸如“为什么先讲细胞呼吸后讲光合作用?”之类的问题就迎刃而解了。

 

例2.《遗传与进化》模块第六章《从杂交育种到基因工程》是体现知识之间外在逻辑联系的实例。

 

本章分两节:第一节《杂交育种与诱变育种》,第二节《基因工程及其应用》。杂交育种、诱变育种和基因工程育种都是人类根据自己的需要对生物的基因组成进行人工干预的过程。作为同一范畴、目前现实中并用的技术,它们之间的逻辑联系与其说是知识之间内在的联系,不如说是人类社会的需要所赋予的外在联系。这一章的逻辑起点是人类可以运用知识和技术来改变生物的基因组成,培育新品种。远在基因理论提出之前,人类就通过汰劣留良来进行选择育种,但是选择的周期很长,只能在不同品种之间取舍,不能将不同品种的优良性状集中在一个品种上。孟德尔发现两个遗传基本定律之后,杂交育种被广泛应用,可以将两个或多个不同品种的优良性状集中在一起,获得新品种。但是杂交育种具有明显的局限性:后代出现性状分离,育种时间长,不能跨越物种间的障碍,只能实现已有性状的组合(不能创造新性状),等等。随着人们对基因突变的认识加深,发明了诱变育种技术,用人工方法提高突变率,短时间内创造出不少新品种,但是这种技术又有盲目性大等缺点。随着对基因的结构和功能研究的日益深入,基因工程应运而生,使人类有可能按意愿直接定向地改变生物,培育新品种,当然它也不可能是完美无缺的,也会给人类带来新的挑战。育种技术的发展史表明,科学的进步会催生新的技术,新技术的应用能够提高生产力,推动人类社会向前发展;但是任何技术都不是完美无缺的,人类应用一种技术后,很快就会发现它的局限性,这就产生对新技术的渴求,对科学和技术的发展产生外部驱动力;科学的发展又催生新的技术来满足人类的新需求……如此循环往复,科学、技术、社会在互动中共同发展。本章两节其实就是用三种育种技术作为实例来演绎科学、技术和社会的这种互动关系,也就是说,三种技术的知识之间的逻辑联系不是知识本身内在的,而是靠科学、技术和社会的互动关系而串起来的,估且称之为外在的逻辑联系。

 

知识内容之间外在的逻辑联系还可以用个体、种群、群落、生态系统、生物圈的内容来说明。研究合理的捕获量、害虫发生规律等,仅在个体水平上研究是不够的,必须将种群作为一个整体来研究;研究一个水体中放养的鱼类的种类和数量、物种入侵等问题,仅研究种群就不够了,必须要考虑种间关系、不同种群的空间分布、种类丰富度等因素,即需要在群落水平上去研究。同理,生态系统和生物圈的研究也是非常必要的。教学时如果能将这些外在的逻辑联系凸显出来,就能强化知识内容与现实生活的联系,让学生认识到所学知识的价值,进而强化学习动机,激发学习兴趣。

 

三、强化知识内容之间逻辑联系的策略

 

强化知识内容间的逻辑联系,首先要认真钻研课程标准和教材,宏观上将每一本教材作为一个整体来分析,微观上将每一章、每一节作为一个整体来分析,弄清楚不同知识间的内在或外在逻辑联系。然后,根据学生的认知水平和认识规律,每节课的教学按导入、展开、小结等环节分别确定强化知识间逻辑联系的策略。

 

1.导入策略──“温故而知新”

 

在新课导入环节,引导学生回忆前面章节所学知识,再呈现新的情境,引发学生的认知冲突,从而引出新课要研究的问题,这样可以帮助学生在头脑中初步建立新旧知识之间的逻辑联系,为激发兴趣、建立知识结构打下较好的基础。下面以《基因突变及其他变异》一章为例来说明。

 

在此章之前,学生已经学过基因的本质、基因的表达等内容,知道基因是有遗传效应的DNA片段,DNA是化学性质很稳定的物质,因此可以保证遗传信息在亲子代传递的稳定性;还学过DNA的复制,半保留复制机制保证了亲代DNA的遗传信息能够准确无误地传给子代DNA。在通过提问引导学生回忆这些知识后,可出示亲子代间有明显性状差异的图片,提问:“既然如此,为什么后代总是跟亲代有一定的性状差异呢?”学生可能会说,因为子代的基因是来自父母双方的而不是一方的,基因的自由组合会使后代产生变异。这时可接着提问:“在生物繁殖过程中,除基因的自由组合会使后代产生变异外,基因本身会不会改变呢?DNA复制过程是不是都能保证百分之百地精确无误呢?复制出了差错会怎么样?”接下来还可以把话题转到染色体方面:“染色体是基因的载体,染色体结构和数目的稳定对于生物的遗传非常重要,减数分裂和有丝分裂保证了后代的染色体数目与亲代一致。那么,后代的染色体数目总是与亲代一样吗?如果出现增加或减少又会是什么后果?这就是我们从今天开始要研究的问题──基因突变及其他变异”。

 

2.展开策略──设计问题串

 

导入环节明确了本节课的中心问题后,应该将这一中心问题分解成若干个逻辑上紧密联系的小问题,引导学生逐个分析,让学生沿着问题串的思路建构知识。

 

教材中有不少章节设计了问题串,教师在教学中可以参考。还有一些章节没有现成的问题串,需要教师深入挖掘知识间的逻辑联系,设计问题串。例如,关于细胞的有丝分裂,教材是按前、中、后、末四个阶段依次描述的,涉及的名词比较多,显得比较抽象。如果设计成问题串的形式,就不会那么枯燥了。可以先确定这样一个逻辑起点:“细胞通过有丝分裂形成的子细胞,染色体数目与亲代细胞相等”(讨论如果不相等会怎么样)。从这一逻辑起点出发,可以设计如下问题串:通过有丝分裂,一个细胞变成两个子细胞,染色体数目为什么不减少一半呢(间期复制)──染色体复制后,细胞核中含有两套染色体(染色质),怎么保证两个子细胞各自得到完整的一套染色体呢?是细胞核简单地缢裂成两个吗?(核仁解体、核膜消失,染色体散乱地分布在细胞质中央)──两套染色体怎么才能分别移动到细胞的两极呢?(在纺锤丝牵引下,染色体在赤道板“排好队”,着丝点分裂,姐妹染色单体分开各自成为一条染色体,在纺锤丝牵引下移向两极……)

 

3.小结策略──绘制概念图

 

在小结环节,应当将所学知识内容之间的逻辑联系进行梳理,绘制概念图不失为一种有效的方法。

 

绘制概念图的活动最好由学生自己完成。可以先由学生个人绘制,再经过小组讨论进行修改,最后由教师进行评价和完善。

 

绘制概念图时应强调图中任意两个概念通过连接词都能构成一个有意义的命题。对于理论性强、概念多、层级多的概念图,如果直接将所有的概念罗列出来,再画箭头、填写连接词,往往导致图形凌乱。应引导学生首先抓住最核心的思路,或者找出最基本的命题,确定概念图的主链,再围绕主链补充相关的概念(节点)和连接词。

 

绘制概念图的策略并非对所有内容的总结都最有效,表格、流程图、模型图、结构或过程示意图等都有其独特的作用,需要根据不同教学内容的需要合理运用。

 

主要参考文献

 

①裴娣娜.现代教学论(第一卷).北京:人民教育出版社, 2005: 185~186

 

②胡志强,肖显静. 科学理性方法.北京:科学出版社,2002:59

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