論生物知識的表征形式及其建構的路徑
一、生物知識的表征形式
生物知識的表征形式有兩種:外部表征和內部表征。外部表征是指生物知識通過使用文字、圖形、模型等表示的一種外部形式,其中同一生物知識可以用不同的外部形式來表征。例如,氨基酸的結構通式可以畫分子結構示意圖表征,也可以建構模型來表征:將氨基酸的結構通式比喻成人——左手代表氨基,右手代表羧基,兩條腿代表氫,軀干代表碳,頭代表R基(氨基酸不同是因為R基不同,就如同人長得帥氣與否首要看的還是我們的臉蛋);此外還可以用語義表征:極少有一個氨基和羧基連在同一個碳原子上,此外該碳原子還連接一個氫和R基團。內部表征可以指學生在學習生物知識過程中在工作記憶平臺上信息分析、關系提煉的認知活動,也可以指信息在心理活動中表現和記載的方式。工作記憶又叫短時記憶是指信息加工的操作平臺,其容量只有5~9個組塊。組塊是信息量的一個單位,指測量人短時記憶量的最小單位。外部信息進入工作記憶后一般以命題和表象兩種方式表征。(1)命題表征:命題是詞語表達意義的最小單元,由關系和一組命題兩個成分構成,例如,“葉子是綠色的”表達了一個意思,是一個命題。在這個命題中,論題是“葉子”和“綠色的”,“是”表示關系,對命題起限制作用。在大多數情況下,一個句子表達的多不止一個意思。如“減數分裂是進行有性生殖的生物,在減數分裂過程中,染色體只復制一次,而細胞連續分裂兩次。減數分裂的結果是,成熟生殖細胞中的染色體數目比原始生殖細胞減少一半”表達4個意思,是4個命題。即分裂發生的范圍:進行有性生殖的生物;分裂發生的時間和行為:在產生成熟生殖細胞時進行的染色體數目減半的細胞分裂;分裂的特點:染色體只復制一次,而細胞分裂兩次;分裂的結果:成熟生殖細胞中的染色體數目比原始生殖細胞減少一半。(2)表象表征:是指事物及其相關信息在人腦中的表征貯存。在生物學習中實驗現象、生物圖形、細胞模型和生物用語均是以表象方式表征的。表象作為對客體或情境的一種模擬表征,可以將大量的信息壓縮到一個緊湊的信息組塊中,節省工作記憶空間,減輕對工作記憶的認知負荷,在認知活動中起著相當重要的作用。例如,生物體內核酸相關知識的記憶表象(如圖1)將4條信息壓縮到一個組塊中,提高了組塊的信息貯存能力,減輕了記憶負荷。
二、外部表征對內部表征的影響
外部表征對內部表征的影響主要體現在外部表征形式對短時記憶負擔上。究其原因,是因為信息的文字表征在工作記憶里轉化為命題,工作記憶中的信息過多,學生思維操作負荷較大,難以順利實現信息之間的意義聯結,從而出現理解上的困難。而信息的圖形表征在工作記憶中形成表象,對信息進行了壓縮,節省工作記憶空間,減輕工作記憶負擔,學生相對容易建構信息之間的意義聯結。
例1 有這樣一道推理題:蠶豆根細胞在含3H標記的胞腺嘧脫氧核苷培養基中完成一個細胞周期,然后在不含放射性標記的培養基中繼續分裂至中期,其染色體的放射性標記分布情況是(B)
A.每條染色體的兩條單體都被標記
B.每條染色體中都只有一條單體被標記
C.只有半數的染色體中一條單體被標記
D.每條染色體的兩條單體都不被標記
大多數學生由題示信息的文字表征建構“在含有放射性標記的培養基中培養完一個細胞周期到不含有放射性標記的培養基中培養至下一個分裂中期,其染色體的放射性標記情況”的認知存在一定的思維障礙,但是如果將題示信息的文字表征轉換成下列圖形表征(如下頁圖2),學生較易建立這一心理表征,從而突破空間的屏蔽。
三、生物知識的表征建構策略
實踐證明,形象化的表現方式比言語敘述方式更有利于信息的編碼。言語敘述雖然能較確切地闡明知識的內涵,但當傳遞較復雜的信息時,由于工作記憶容量的限制,學生往往無法由線性的言語敘述建構起對知識的非線性理解。反之,形象表征有助于減少記憶負荷,提高貯存能力,以更具有操作性和簡化復雜關系的形式對信息進行編碼和處理。形象表征包括圖示表征和直觀教學手段表征。
1.圖示表征
圖示表征是以圖表的方式組織和表征信息。圖示表征減少繁冗的文字敘述,簡明直觀地呈現出知識的結構性和認知的整合性,有助于學生對知識的理解和概括。常用的圖示有概念圖、韋恩圖、數軸法、示意圖、曲線圖、知識網絡圖、知識點表格等。
(1)概念圖。概念圖通常從一般概念出發,往下逐級延伸至具體概念,以層級結構表明各概念間的關系。在生物教學中概念圖既可以幫助學生建構概念之間的聯系,使學生能夠從全面與聯系的層面理解概念。同時也可以作為一種模板,幫助學生組織知識并使之結構化和程序化。概念圖這種對知識的統攝和整合功能對學生的思維過程能產生積極影響,有助于學生對生物知識的認知規律化,促使其有意義地學習。如圖3所示為血糖調節過程的概念圖:
(2)韋恩圖。在數學中常用韋恩圖來表示集合與集合之間的關系,在生物教學中使用韋恩圖也可以形象地表示出各種概念之間的邏輯關系(如并列、隸屬、交叉)和事物性質之間的異同。如圖4所示為動植物糖類的分類:
(3)數軸法。利用數軸法,可以巧妙地將定性和定量概念聯系起來,并將抽象的內容形象化,有助于理解和把握概念。根據細胞周期、分裂間期、分裂期的關系可用圖5表示:
(4)示意圖。生物學中有多種類型的示意圖可以將微觀現象宏觀化,或將抽象問題直觀化、形象化,有利于學生對較難的生物概念、微觀事物、抽象問題的理解與掌握,糾正其可能存在的模糊概念與相異構想。如圖6所示為有氧呼吸過程的示意圖:
(5)曲線圖。曲線圖清楚直觀地表示出兩個量之間的數量關系或變化關系,顯示研究對象發展變化的規律性和特殊性,借助曲線圖表征,可以將定性和定量的分析巧妙地聯系起來。如圖7所示為光照強度與光合作用速率變化關系的曲線圖。
(6)知識網絡圖。生物學中常用知識網絡圖表示知識之間的結構序列,有利于學生橫向和縱向把握知識之間的聯系,理解相互之間的轉化關系,提高其歸納演繹能力,形成有序的知識結構,強化記憶能力。如下頁圖8所示為細胞與其他知識之間的相互轉化關系的網絡圖。
(7)知識點表格。表格具有整齊、簡明、易于比較分析的特點。利用表格表征,對相似、相近或相反的知識點進行整合,有助于學生在比較中形成對知識的辨析和理解,進行有效的類比編碼和對比編碼記憶。如表1所示為光合作用和細胞呼吸的比較:
2.直觀教學手段表征
生物學是一門從分子、細胞、個體水平研究生物的結構、功能、發生和發展的規律,以及生物與周圍環境關系等的科學。生物概念和理論具有較強的概念性和抽象性,學生對此的理解存在一定的思維障礙。教學中借助實驗、模型、多媒體等直觀教學手段使教學內容形象化、直觀化,可以減輕學生認知負荷,化解或突破知識難點。
(1)實驗表征。生物學是一門以實驗為基礎的學科,生物學知識是從生物現象和生物過程中抽象出來的本質特征,生物學知識的形成離不開實驗。學生通過觀察實驗現象和實驗過程可以實現抽象的知識與具體形象的聯系和轉化,形成豐富的表象來支持對抽象化知識的理解和記憶。例如,在探究“細胞大小與物質運輸的關系” 的實驗中,學生通過實驗測量發現三塊瓊脂塊中NaOH擴散的深度一樣,但瓊脂塊越小,內部留下的空白越少這一表象后,通過數據的處理,就比較容易理解“細胞大小與物質運輸效率關系”這一抽象的生物學知識。
(2)模型表征。染色體的行為變化過程抽象、復雜,單靠語言和文字描述,學生很難理解和把握。利用模型組織教學,變抽象為具體,化不可見為可見,有利于學生形象直觀地認知它們的本質特征。例如,減數分裂過程中染色體行為的變化可通過建構模型,抽象出減數分裂過程中染色體變化的本質特征,突破知識難點。如表 2所示:
(3)多媒體表征。生物學是一門從微觀層面研究宏觀事物及其變化的學科。由于微觀世界比較抽象,許多學生思維局限于宏觀表征,對一些生理過程及其本質缺乏實質性理解,如有絲分裂、興奮的傳導、傳遞等。借助多媒體技術模擬和放大微觀的生理過程及其變化,使抽象的、不可見的微觀世界變得生動形象,有利于減輕學生的認知負荷,糾正其可能存在的模糊觀念與相異構想,從而突破生物學基本理論教學中的重點和難點。
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