基于核心概念的生物学探究实验研究:什么是生物学的核心概念

　　摘要　叙述了以核心概念为主线组织生物学探究实验教学的组织过程需要考虑探究实验的知识匹配度、学生的前概念、概念间的关联和新的问题情境创设等方面，其教学步骤可分为明确核心概念、分解核心概念、设计实验方案、构建概念图、创建问题新情境促进迁移应用等。
　　关键词　核心概念　生物学　探究实验
　　中图分类号G633.91　文献标识码B
　　
　　1　引言
　　
　　核心概念是位于学科中心的概念性知识，能够组织起与之相关的概念和大量的事实，它包含了重要概念、原理、理论等的基本理解和解释，是学科结构的主干部分。在探究实验中，核心概念是培养学生能力的重要基础，也是实验组织的主线。对核心概念的理解可以促进学生进行有效探究，帮助学生形成探究能力，构建知识网络。因此，学生对核心概念的理解应该成为探究实验的重要教学目标。
　　对核心概念的理解表现在：一个是概念之间的关联；另一个是新的情境下对概念的应用。在实际的生物学探究实验教学中，教师往往把学生对概念的理解等同于熟练术语和定义，或是把概念的理解片面地认为是掌握概念的之间的关联，致使学生对概念的理解流于表面。为加强学生对核心概念的理解，教师应该围绕核心概念进行组织探究实验，使学生在鲜活的实验情景中充分发挥其主动性，构建起对核心概念的深层次理解。
　　
　　2　基于核心概念的探究实验设计的考虑因素
　　
　　2.1　探究实验与概念性知识的配合度
　　在教学实际中，探究性实验的探究难度往往太大，所涉及的概念性知识超出学生的知识范围。这种探究实验使学生对核心概念的理解缺乏必要的概念支架和过渡性知识，难以将实验中的概念性知识同化到已有的知识结构中。学生在完成探究后，只是知晓了几个名词和零碎的事实。教师在设计探究实验时需要考虑学生的已有的知识结构和认知水平，而不是盲目地追求高难度的探究。探究实验与概念性知识的良好配合度使探究活动中的同伴交流和讨论、教师指导更为有效，更加有利于学生主动构建对核心概念的理解。
　　
　　2.2　学生的前概念
　　生物学前科学概念指的是个体在现实生活中长时间积累而形成对生物学概念和外延不准确的理解，是一些与生物学科学概念相悖或不完全一致的想法、认识。如，将有些植物的种子误认为是果实，把鲸误认为是鱼类等。探究实验中，前概念会影响对核心概念的掌握，甚至会产生连锁反应致使学生在下一步的学习中产生新的前概念。因此，教师要充分了解学生的生物学前概念，更有针对性地促进学生概念的转变。
　　值得注意的是，学生在探究实验中学习核心概念时，也可能对概念产生错误的理解，因此了解学生的前概念应贯穿于整个探究实验的始终。教师可以根据具体的教学环境和条件，通过概念图、概念卡、访谈、二段测验和观察等方法来了解学生的生物学前概念。
　　
　　2.3　概念之间的关联
　　次位概念作为核心的细化形式，是对核心概念的支撑性概念，它更加明确地表达了学生要达到的知识层次水平。教师在明确探究实验中的核心概念后，需要把核心概念细化为具有逻辑层次的具体的次位概念。教师要引导学生循序渐进地理解概念，明晰各个概念间的区别和联系，使学生在对比和联系中获得更为深刻的理解，构建起完整的知识网络结构。例如在探究酶的高效性的实验中，教师可以将化学意义上催化剂、生物学中催化剂(酶)进行比较，使学生明确其区别和联系，加深对酶的理解。
　　教师可以让学生以概念图的形式绘制出各概念问的关系图，并结合具体的事实加以阐述和说明，使学生在概念与真实的实验事实结合中构建网络。概念图还可以检验出学生获得生物学核心概念及其他有关概念的质量，为教师及时调整指导策略提供依据。
　　
　　2.4　迁移应用的情景创设
　　学生对知识的迁移应用是对在核心概念的深层加工的前提下实现的。学生在新的问题情境中运用所学知识和方法去创造性地解决问题也被看做是一种探究活动。教师要善于创设新的问题情境，促进学生对概念的理解和探究性学习。新创设的问题情景不应是封闭的，而应是开放的、多层次的，这样的情景不仅使学生获得探求生物学中既有因果关系的能力，更使学生获得处理不确定性问题的能力。
　　
　　3　基于核心概念的探究实验教学步骤
　　
　　教学是一个复杂的过程，没有固定的程序，教师要根据具体的教学实际设计适切的教学策略。以“测定植物细胞的细胞液浓度的探究实验”为例，基于核心概念的探究实验教学的大体步骤如下。
　　
　　3.1　分析教学内容，找出核心概念
　　教师首先需要确定探究实验的知识范围的跨度，然后从相应的教学内容中梳理提炼出核心概念。在本探究实验前，学生已经学过关于细胞膜的知识，也已经做过洋葱表皮细胞质壁分离与复原的实验，后面学生要学习的矿质营养的内容也涉及到矿质营养的跨膜运输，因此原生质层是一个重要的概念。本探究实验中，核心概念表述为“原生质层与细胞壁发生质壁分离的机制是渗透作用”。
　　
　　3.2　分解核心概念，细化为次位概念
　　核心概念具有一定的概括性，教师需要把核心概念具体化为更为详细的次位概念，同时注意保持次位概念和核心概念之间以及次位概念之间的层次性和关联性。“原生质层与细胞壁发生质壁分离的机制是渗透作用”是核心概念，其次位概念可以为：“原生质层是一层半透膜，包括细胞膜、液泡膜和这两层膜之间的细胞质”；“渗透作用是水分子通过半透膜从低浓度溶液向高浓度溶液扩散的过程”；“质壁分离的细胞并不能一定复原”；“洋葱表皮细胞的半数细胞发生质壁分离时的浓度即为洋葱表皮细胞的细胞液浓度”。
　　先明确前概念，然后进行概念分解，可以引发学生的认知冲突，为概念转变提供基础。教师可以通过提问的方式探求学生的前概念。例如，有些学生把原生质层认为是一层膜；洋葱表皮各个细胞的细胞液浓度都是完全一样的；渗透作用是溶质从低浓度溶液向高浓度溶液扩散等。
　　
　　3.3　分析控制因子，设计实验方案
　　学生已经知道“洋葱表皮细胞的半数细胞发生质壁分离时的浓度即为洋葱表皮细胞的细胞液浓度”，接下来教师要引导学生如何将这一次位概念转变为可操作的实验步骤。首先，教师给学生提供的信息：洋葱表皮各细胞的细胞液浓度存在微小差异。然后，教师让学生思考：“如何才能使洋葱表皮细胞的半数细胞发生质壁分离?”教师从而引地找出本探究实验的控制因子，使学生以小组讨论的形式得出方案。教师让各小组陈述各自的方案，逐一点评，去除方案中不合理的部分。最后，教师归纳总结，使学生明确本探究实验的控制因子是“蔗糖溶液的浓度”，得出“通过设置浓度梯度的蔗糖溶液使洋葱表皮细胞的半数细胞发生质壁分离”，从而使学生确定本实验的关键步骤，即“在洋葱表皮上滴加不同浓度的蔗糖溶液，然后观察现象。”
　　
　　3.4　分析实验事实，构建概念图
　　教师引导学生查找有关洋葱表皮细胞液浓度的资料和有关实验的数据，确定配制的蔗糖浓度梯度，制成不同浓度的蔗糖溶液，然后滴加到洋葱表皮上，观察实验现象。实验中，学生可以观察到了洋葱表皮细胞的在某个外界溶液浓度时发生质壁分离现象并记录实验结果，这时教师要让学生根据有关概念对实验事实做出解释。教师可以提出引导性问题：支持渗透作用和原生质层是半透膜的实验事实表现是什么?为什么发生半数细胞发生质壁分离时的浓度大致就是洋葱表皮细胞的细胞液浓度?但是，如果洋葱表皮细胞未发生质壁分离，教师就需要引导学生从选材、试剂、实验操作等方面去做出合理解释，否则学生可能就会对概念难于接受和理解。
　　学生在记录完实验现象和实验结果后，教师要引导学生根据对实验事实和现象的解释做出本探究实验概念图，并且对应每一具体概念，罗列支持该概念的实验事实。
　　
　　3.5　创设新情境，促进知识的迁移应用
　　学生在完成实验时，教师要创设新的情景让学生应用所学知识并引发学生新的思考。例如，可以让学生对盆栽的植物施以不同的水量然后观察实验现象，并思考如何在实际的农业生产中施以最佳的灌溉量；也可以让学生调查学校附近农场、农博园或者农民的农田灌溉管理情况，并作出合理解释。这样的进一步探究不仅仅涉及渗透作用的知识，还涉及到矿质营养的主动运输和利用问题，对学生学习后续的内容具有一定的引导作用。
　　
　　4　结束语
　　
　　基于核心概念的生物学探究实验改变了现象、事实与概念分离的教学弊端，同时也改善了学生被动得记忆孤立的事实性知识的教学现象，它使学生主动运用实验事实去理解可迁移的核心概念及其相关概念，同时又超越具体事实的学习帮助学生的理解力达到抽象的、概念性的层次。学生在深入理解核心概念的探究过程中，其思维向综合水平发展，并能习得更高阶的生物学概念，促进了学生的认知呈螺旋上升地发展。教师在进行探究实验设计时，应突破生物学课程的单一视角，以一种与其他学科结合的整合意识去设计探究活动，促进学生对核心概念的理解，提高学生的科学素养。