美国高中主流《生物》教材的概念教学——以“分子与细胞”内容为例，本文主要内容关键词为：为例论文,美国论文,细胞论文,分子论文,主流论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
美国高中主流理科教材《生物·生命的动力》(Biology · The Dynamics of Life)(以下简称“教材”)使学生像科学家那样思考，像科学家那样探索，知识、能力、方法并重，动手、动脑、趣味无穷。“教材”之所以能够使学习科学变得趣味盎然，概念教学功不可没。笔者以“分子与细胞”内容为例，呈现其概念教学的精彩。
一、概念教学的程序
“科学认识的主要成果就是形成和发展概念。如果把科学比作知识之网，概念就成为网上的纽结”。[1](101)“教材”以生物学概念为主线，“编织”高中生物学理论体系。“教材”编写者深谙维果茨基主张的“概念的直接教授不可能，而且没有效果”[2]的概念教学理念，而以一系列的程序呈现重要的生物学概念。
1.知识回顾
“教材”在每一节的“本节预览”中都设置了一个“知识回顾”栏目；此栏目中有且只有一个概念，是与本节学习目标密切相关的；这一概念是以前教学过的生物学重要概念，是本节内容的基础。例如，“细胞的能量‘通货’——ATP”这一节的知识回顾是“主动运输：物质逆浓度梯度的跨膜运输，需要细胞消耗能量，”[3](445)“光与光合作用”的知识回顾是“叶绿体：一种细胞器，能获取光能并合成和储存食物供以后利用。”[3](449)知识回顾的基本形式是“术语：定义”，旨在回顾以前学过的重要概念，帮助学习目标的达成。
2.关键术语
概念是人们认识的结果，它反映客观事物的思想；概念要用“语词”来表征。如果表征某一概念的语词是某门学科中的专门用语，则称其为术语。“教材”在“本节预览”中列出了一系列的“关键术语”，这些术语在该节的正文中都要用到，而且字体“加粗”，非常突出。如：“细胞中的有机物”一节的关键术语有“异构体、多聚体、碳水化合物、脂类、蛋白质、氨基酸、肽键、酶、核酸、核苷酸”，共十个；“细胞的发现”一节的关键术语有“细胞、复合光学显微镜、细胞学说、电子显微镜、细胞器、原核生物、真核生物、细胞核”八个。在“本节预览”中列出关键术语，不是为了让学生死记硬背这些语词，而是使学生在阅读课文时，关注这些生物学术语的意思，力争能够用正确的生物学术语来表达科学概念和科学理论。
3.科学事实
“科学事实是通过观察、实验等科学实践活动而获得的直接描述客观事物的一类知识，它是人们对客观存在的事物形态、属性、变化和相互关系的一种感知和反映”。[1](101)科学事实是科学研究中由观察和实验获得的并经过鉴定的经验事实，是形成科学概念、科学定理、科学原理、科学理论的基础。科学概念的形成离不开科学事实的支持。“教材”没有将概念作为“空中楼阁”呈现给学生，而是先呈现一些科学事实为学生形成科学概念作铺垫。例如，为了使学生形成细胞的科学概念，“教材”说道：“罗伯特·胡克是一位与列文虎克同时代的英国科学家。他用复合光学显微镜研究软木——橡树的死树皮。在软木中胡克观察到一些很小的几何结构。他把这些盒状结构命名为细胞(cell)”[3](396)。又如，“教材”在定义概念“癌症”之前给出的科学事实是这样的——“细胞周期的调节偶尔也会失控。某些酶的缺失，某些酶的过度合成，以及某些酶在不恰当的时间合成，都会导致细胞分裂失去控制。”[3](435)科学事实不是科学概念，不具有抽象性和概括性，但它有助于学生理解和形成科学概念。
4.定义
定义是明确概念内涵的方法。“教材”对概念进行定义的方法有以下几种：(1)属加种差的定义，即定义项是由属与种差组成的定义。例如，“植物细胞中担任储存功能的细胞器统称为质体”，[3](408)此定义的被定义项(质体)=属(细胞器)+种差(植物细胞中担任储存功能)。(2)原型，就是某一类别的最佳实例。以原型的方式定义概念，就是通过最能说明概念的一个实例来呈现概念。例如，“教材”对“极性分子”的概念就是以水分子为原型呈现的——“水分子中原子并不平等共用电子；在氢氧形成的共价键中，电子靠近氧原子核的时间比靠近氢原子核更长；由于氧原子核对共用电子的吸引力比氢原子强，因此水分子中氧原子凸出端略带负电，而氢原子凸出端略带正电”。[3](377)(3)语词定义，就是规定或说明语词的意义。例如，“教材”对“pH”的定义是就是说明性的语词定义——“科学家提出pH的概念，用来衡量溶液的酸碱性，pH的范围在0～14之间”，“pH<7的物质呈酸性”，“pH>7的物质呈碱性”。[3](374)(4)操作定义，是用一种科学实验的方法，对事物进行定义，这种定义包括了人们的实践活动在内。“教材”为了使学生明确扩散是微粒从高浓度区域向低浓度区域的净位移，“把原色玉米糖浆倒入盛有彩色玉米糖浆的烧杯内，过一段时间后就会看到这两种糖浆混合在一起了。这就是玉米糖浆分子和水分子无规则运动的结果”。[3](379)通过学生操作或教师演示，使学生意识到“玉米糖浆分子和水分子的无规则运动使原色糖浆扩散到彩色糖浆中”[3](379)了。
5.词源分析
理解一个新的科学概念，多数情况下是从这个概念的术语入手的，所以对概念的语词的错误理解会极大地阻碍科学概念的获得——对概念的语词的曲解或错误理解是错误概念的来源之一。因此，“教材”设置了“词源”一栏，用来分析那些专业性较强的关键术语，帮助学生不仅“知其然”，而且“知其所以然”。例如，“教材”在说到“细胞一般通过把小分子连接成长链多聚体(polymer)来合成生物大分子”[3](382)时，旁栏“词源”写着——“多聚体(polymer)来源于希腊语中的‘poly’(意为‘多’)和‘meros’(意为‘部分’)。多聚体由很多亚单位(部分)连接而成。”[3](382)又如，“教材”对叶绿体(chloroplast)的词源分析是——“来源于希腊语中的‘chloros’(意为‘绿色’)和‘platos’(意为‘成形的物体’)。叶绿体获取光能，为植物细胞合成食物。植物呈绿色就是因为叶绿体中含有绿色的叶绿素”。[3](408)
6.例证
在概念教学中，通过对概念的内涵的学习，常常难以形成科学概念。科学概念的掌握，还需要概念的例证的支持。“教材”几乎对所有的关键术语都给出了例证，这些例证全部是具有代表性、最能说明概念的本质属性的正例。例如，“教材”在定义了“同位素”之后，以“C”为例说“大多数碳原子含有6个中子，但有些含有7个或8个中子。上述碳元素的每个原子都互称为碳的同位素。科学家们用原子核内质子和中子的总数来命名同位素。因此最常见的碳原子称为C—12，因为它有6个质子和6个中子。另外两种碳的同位素则分别称为C—13和C—14”。[3](368)概念“化合物”的例证是“食盐(NaCl)是由钠元素和氯元素组成的化合物”；“离子键”的例证是“钠、氯结合形成的化学键就是离子键”。除了“正例”，“教材”在必要的时候还会给出“特例”，例如，“教材”在介绍了“真核细胞”之后，强调到“要注意的是，有些真核生物(如阿米巴、某些藻类和酵母)是单细胞生物”。
7.运用概念
“教材”在进行概念教学时，非常注重新概念的可理解性(intelligibility)、合理性(plausibility)，也特别注重新概念的有效性(fruitfulness)；也就是说，要使学生看到新概念对自己的价值，能够解决一些现实性的问题。[4]“教材”让学生运用概念，主要通过“实验”这一途径，实验的类别有四：(1)迷你实验——如测定“pH”、研究“扩散”的速度、制作“细胞膜”的模型的迷你实验；(2)技能实验——如运用“同位素”的概念解释科学图示、对“细胞膜是否为选择性屏障”进行因果推断；(3)调查实验——如“观察和比较不同类型的细胞”的调查实验；(4)实验设计——如“温度对酶促反应的影响”的实验设计。
8.复习指南
复习指南列于章末，以节为顺序，列出了本章的“重要概念”和“关键术语”。例如：第13章“组成细胞的分子”第3节“细胞中的有机物”的重要概念有“所有有机物都含有碳原子”；“组成生物体的有机物(生物大分子)主要包括：碳水化合物、脂类、蛋白质和核酸”；“生物大分子的结构决定了它的特性和功能”。[3](391)关键术语有：异构体、多聚体、碳水化合物、脂类、蛋白质、氨基酸、肽键、酶、核酸和核苷酸(表1)。“复习指南”实质上是对重要概念和关键术语的复习；在重心上，“重要概念”强调的是内涵，“关键术语”强调的是术语；在数量上，重要概念少于关键术语。
9.复习题
“教材”中的复习题70％以上和概念具有直接的关系，而且这些概念都没有超出“关键术语”的范围。复习题有“节复习题”和“章复习题”两部分。每节的复习题均有三个栏目：理解概念、理性思维和技能训练，总题数为6或7个；其中“理解概念”4～5题，“理性思维”1题，“技能训练”1题，均直指概念。下页表2为“细胞的生长和增殖”一节的复习题。章复习题中的“复习术语”和“理解要点”均是针对重要概念和关键术语的；无论是重要概念还是关键术语，“教材”均“不要求学生背诵定义”，[5](149)没有关注“学生记住了多少信息”，而是让学生把注意力放在“对知识的理解、推理和应用”上。[5](137)
二、概念教学的特点
通过概念教学程序不难发现，“教材”没有让学生大声朗读课本，死记长串的术语，应付死记硬背的考试。它主张一种全新的科学教育，不仅注重核心的科学概念，而且还特别强调学习方法的重要性，致力于提高学生的科学素养。[6]与传统的科学教育相比，其概念教学有如下特点。
1.突出重要概念
“教材”非常强调学习“某些基本的科学概念”，不主张“覆盖许多科学主题”；[5](100)虽说“教材”罗列了许多科学事实，但那是作为概念的基础出现的；尽管也列出了大量的关键术语，但要求学生理解内涵、能够运用的只是其中的重要概念。这体现了美国“2061计划”“教育的，本质是精美”的观点和“学得精就等于学得多”(less is more)的方针。[7]
2.必要的重复
学生概念的获得不是一蹴而就的，而有一个发展的过程，这个过程是循序渐进的。“教材”对重要概念会进行必要的重复，这些重复不是简单的重复，而是进一步发展学生的科学概念，加深学生对重要概念的理解。例如，“细胞膜”一节在关键术语中列出了“细胞膜”，在正文中进行了定义——“在细胞和环境之间隔有一层富有弹性的分界线，称为细胞膜”，[3](399)在章末的复习指南中又强调了细胞膜的内涵——“由于细胞膜具有选择通透性，所以能够控制进出细胞的物质”，“在流体镶嵌模型中，细胞膜具有磷脂双分子层结构，并有蛋白质镶嵌在其中”。[3](415)在下一章“物质的跨膜运输”一节，“知识回顾”中又重现“细胞膜：细胞和环境的分界”。[3](419)概念多次重复，有助于学生准确把握概念的内涵。
3.注重理解和应用
“教材”把学生的注意力放在对概念的理解和运用上，不强调学生记忆术语、背诵定义，获取过多的零碎信息。注重学生的理解能力和推理能力，而不是其记忆能力，这在评价重点的改变上表现得尤为突出。“教材”强调评价“活性”知识；“活性”知识是一种具有良好结构的知识，“惰性”知识是一种支离破碎的知识。[5](100)“教材”的复习题基本上都是“活性”的重要概念的理解、推理和应用，例如，针对关键术语的复习题，“教材”没有让学生对“细胞”“细胞膜”“核糖体”进行名词解释，而是反其道而行之，先让学生阅读定义“单细胞及多细胞生物的基本组成单位”，”把细胞与周围环境分隔开来的细胞器”，“蛋白质合成的场所”，然后写出其术语。又如，为了使学生复习或检测其是否明确“通过捕获光能来合成碳水化合物的是叶绿体”，给出的备选项不是各细胞器的名称，而是细胞核、高尔基体、叶绿体和线粒体的模式图。在评价的导向作用下，学生自然而然地会以探究为核心，运用多种方法学习生物学概念、学习生物学。
4.多样化的教学方式
“教材”没有把“定义”作为呈现概念的唯一方式，也没有作为最主要的方式，其对概念的教学方式是多种多样的。(1)表征学习。表征学习指学习单个符号或一组符号的意义，即学习符号是代表什么的。“教材”对关键术语的学习主要采用表征学习的方式。例如：“构成蛋白质的基本单位是氨基酸(amino acids)”；[3](385)“染色质(chromatin)，即DNA，是细胞的遗传物质，蕴藏着合成蛋白质的指令系统”。[3](404)(2)对比与比较。“教材”中许多节的开篇，都让学生制作“折叠式学习卡”，写上数个有关联的重要概念，进行比较；“教材”列表比较了诸如原核细胞和真核细胞，简单扩散、辅助扩散和主动运输，光合作用和细胞呼吸等重要概念；“教材”还常常提出一些具有启发性的问题，诸如“生物与非生物的主要区别是什么？构成岩石的基本粒子和构成珊瑚的基本粒子相同吗？”(3)归纳。“教材”对许多重要概念的内涵，常常让学生自己去归纳，例如在学习“水与扩散作用”一节时，就让学生“归纳水的特性”。(4)体验。“教材”非常注重让学生通过体验的方式学习一些重要概念。例如，通过文字表述了“扩散”的概念后，让学生“把一小块土豆浸入紫色染剂中，观察在一定的时间内紫色染剂在土豆块中的扩散程度”；又如，通过让学生“在低倍和高倍镜下观察鱼有丝分裂的玻片标本”，切身体会什么是有丝分裂。(5)概念图。概念图(concept map)是20世纪70年代美国康奈尔大学诺瓦克(Joseph D.Novak)提出的用于表征和揭示知识结构中的意义联系的图表，是以视觉再现认知结构、外化概念和命题的一种方法，是组织和表征知识的工具。“教材”不时会运用概念图进行教学和复习，例如第16章第18题“用下列术语绘制概念图：细胞呼吸、糖酵解、柠檬酸循环、电子传递链”。概念图有利于激活整合过程，并使意义更加清楚，同时也更强调学习者注意概念之间的关系。
三、对我国科学概念教学的启示
“教材”致力于使每个高中生都具有良好的生物科学素养，使他们中的每一个都深谙基本的科学观念和基本的科学方法，从而能够在未来生活得较为充实，工作得较为高效。“教材”的概念教学为此进行了系统的改革，其改革对我国的科学概念教学具有一定的启示。
1.逻辑清晰性
科学教材的编写者以及科学教育工作者都要明确科学事实和科学概念的关系和区别，知晓科学事实是科学概念的基础，科学概念是科学事实的概括和抽象；对于哪些概念对中学生而言是重要概念，哪些概念是一般概念，要做到心中有数。
2.方法多样性
倡导以探究性学习为核心的多种多样的概念教学方法，引导学生主动参与概念学习；通过比较、归纳，强调学生的经验，在实践中体验概念的内涵和外延；以学习者为中心，运用概念图，建构自己的概念图式。
3.要素全面性
组成概念的要素，除了其内涵和外延，还要注重学习者的先前知识经验；要注意术语的科学性和准确性；必须为学习者提供充足的例证来支持概念的获得，不仅要有正例，还要有特例，必要时甚至需要反例的衬托。[8]
4.概念连贯性
学习一个新的概念，要以先前学习过的概念为基础。概念并不是孤立地存在的，概念之间有着千丝万缕的联系。要将一个个的重要概念组织成具有良性结构的“活性”知识，使之连成“线”，织成“网”。