生物学概念进阶图的要素及其绘制

近年来，国内外科学教育领域中，围绕核心概念进行学习进阶的研究已成为热点领域之一。借鉴科学教育的研究成果，《普通高中生物学课程标准（2017年版）》运用生物学大概念构建其内容框架，在每个大概念下都包含若干个重要概念，每个重要概念又下辖一些次位概念，这些次位概念都有相应的学科事实支撑，因而概念之间存在一定的层级关系或学习先后顺序。为了能够直观展示各概念之间的层级关系或学习先后顺序，笔者参考美国《科学素养的导航图》的布局，研究绘制生物学概念进阶图，即利用图框、箭头和文字将概念的连续且有层级的发展路径呈现出来。概念进阶图不仅可以直观呈现各概念之间的发展路径以及它们之间是如何联系的，还可以显示概念学习过程中的每一步来自哪里，去往何方，为教师的教和学生的学提供一个可参考的目标，为最终理解核心概念提供一个“线路图”。1  生物学概念进阶图的要素要素是指构成事物的必要因素。一个完整的概念进阶图包括概念、连接箭头、标注块和年级范围四个要素。1.1 概念生物学概念是生物学学科思维的基本单位，进阶图中的概念是学生学习过程中要掌握的内容，它选自《义务教育生物学课程标准（2011年版）》《普通高中生物学课程标准（2017年版）》和人教版初、 高中教材，如细胞是生物体结构和功能的基本单位、细胞由多种多样的分子组成等。为了使概念进阶图更加合理，结合课标和教材中的一些观点，有时可根据知识内容和学生认知水平，增加一些概念或事实，如细胞中常见的化学元素有20多种，组成细胞的元素中C，H，O，N4种元素最多等。1.2连接箭头在进阶图中，基于概念的层级或学习先后顺序，将概念之间用带箭头的线连接，称为连接箭头。箭头的指向表示一个概念可以促进或实现另一个概念的学习。如果概念之间是相互支撑的关系，则用双向箭头表示。例如，酶和ATP的学习将有助于光合作用和呼吸作用的学习，连接箭头就从酶和ATP分别指向光合作用和呼吸作用,而光合作用和呼吸作用的学习是相互支撑的，它们之间用双向箭头连接。1.3标注块一个概念的获得往往需要多种途径或多个概念的支撑，因而每个进阶图中可能会有一条或几条主要的线索来从总体上组织图中内容。将这些线索旳主要内容在图的底部用简洁的文字进行标记， 称为标注块。例如，光合作用概念的获得，不仅需要通过科学史的研究，还需要进行相关实验探究方才深入理解。因而，在光合作用概念进阶图中，可用生命科学史、光合作用实质、实验探究3条线索来组织图中内容。这样，生命科学史、光合作用实质、实验探究就可被定义为标注块，放在图的底部。

1.4年级范围学生在每个学段学习的概念不同，在进阶图中用水平线将不同学段所学概念进行区分，并在左侧用文字标注出具体学段即为不同概念学习的年级范围。例如,“光合作用”分别在“初一年级”和“高一年级”学习，因此，在图的左侧分别用“初一年级”和“高一年级”进行标注。如果某一概念在整个初中阶段或高中阶段都要学习，在图的左侧用“初中阶段”或“高中阶段”标注。例如，“科学探究”的学习渗透在初高中各个年级，因而，在此进阶图中就要用“初中阶段”和“高中阶段”标注年级范围。2生物学概念进阶图的绘制原则一般来说,绘制概念进阶图应遵循以下原则：（1）不重复性，即每个概念在进阶图中只出现一次，可用一定的图形圈起来。（2）简洁性，即每个 概念用专业术语或简洁的命题准确表述。例如，“绿色植物通过叶绿体，利用光能，把C02和H2O转化成储存能量的有机物，并释放出氧气”可以用简洁的命题“绿色植物通过叶绿体进行光合作用固定太阳能”进行表述；“光反应阶段必须在光照条件下进行，主要完成水的光解和ATP合成，将光能 转化成［H］和ATP中活跃的化学能供暗反应阶段使用”可以用专业术语“光反应”表述，这样的表述可以使进阶图简洁明了。（3）明确性，即概念位置布局明确同一年级范围内多个概念之间可能具有层级关系或学习先后顺序，在进阶图中可用位置的高低来表示概念间的层级关系或学习先后顺序，层级较低或先学习的概念位置偏低，层级较高或后学习的概念位置偏高。例如，学生了解“叶绿体的结构”之后才能理解“叶绿体是光合作用的场所”， 因此学生需先学习“叶绿体的结构”，后学习“叶绿体是光合作用的场所”，这样在进阶图中前者位置较低，后者位置稍高。明确了概念进阶图的要素及绘制原则，如何绘制一个完整的概念进阶图呢？下面以“光合作用概念进阶图”的绘制为例，阐述概念进阶图的绘制步骤。3  生物学概念进阶图的绘制步骤3.1确定主题概念绘制概念进阶图首先要确定主题概念，即确定希望利用进阶图理解的主题概念。“光合作用”是 《义务教育生物学课程标准（2011年版）》第四大一级主题中的重要概念之一，也是《普通高中生物学课程标准（2017年版）》大概念2下的重要概念之一，是贯穿初、高中阶段生物学教学的重要概念。因此，绘制“光合作用”主题概念进阶图，可以让教师了解学生对光合作用相关知识的学习情况，以便在教学中有效组织教学活动，进而向学生揭示光合作用的内涵，使学生理解、内化光合作用的概念并将其原理应用于农业生产。3.2构建结构基础结构基础的构建是绘制概念进阶图的重要基石，其科学性、客观性直接影响所构建的概念进阶图的合理性。构建概念进阶图结构基础是以主题核心概念为导引，依据课程标准及初、高中生物学教材，找出与主题概念相关的概念及学科事实，分析获得主题概念的线索，以不同的线索按照层级关系或学习先后顺序进行排列。例如，“光合作用”概念进阶图结构基础的构建，首先依据课标及人教 版初、高中生物学教材，列出该主题的相关概念，然后寻找获得“光合作用”重要概念的3条线索，即生命科学史、光合作用实质、实验探究，以这3条线索将上述相关概念按照学习的先后顺序排列，形成概念进阶图的结构基础。表1    “光合作用”概念进阶图的结构基础生命科学史光合作用实质实验探究1.    海尔蒙特“柳  树”实验2.   普利斯特利实验3.   恩格尔曼实验4.   英格豪斯实验5.   梅耶实验6.    萨克斯实验7.   鲁宾、卡门实验8-卡尔文循环实验1.   植物吸收水，制造有机物2.   植物在光下吸收C02放出023.   绿色植物通过叶绿体，利用光能，把C02和H2O转化成储存能量的有机物,并释放出氧气4.  植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量5.   叶绿体的结构特点决定其是进行光合作用的场所6.  光合作用的全过程十分复杂，可以概括分为光反应和暗反应两个阶段7.光反应阶段必须在光照条件下进行，主要完成水的光解和ATP合成，  将光能转化成［H］和ATP中活跃的化学能供暗反应阶段使用&暗反应阶段有光无光都可以进行，主要完成C02的固定和三碳化合物的还原，将ATP中活跃的化学能转化成糖类等有机物中稳定的化学能9.  影响光合作用的环境因素主要有光照强度、C02浓度、温度和pH等10.  应用光合作用原理可以解决农业生产中的问题1.探究C02是光 合作用的原料2.探究光合作用 产生023.探究绿叶在光 下制造淀粉4.色素的提取与 分离5.探究环境因素 对光合作用的影响3.4  关联相关概念，初步绘制概念进阶图完成相关概念的布局之后，接着将图中的概念根据它们之间的关系用连接箭头进行关联。箭头指向表示一个概念可以促进或实现另一个概念的学习，两个概念之间是相互支撑关系的用双向箭头表示，如“叶绿体的结构”的学习有助于学生理解“叶绿体是光合作用的场所”“光合色素位于类囊体薄膜上”，因而箭头由“叶绿体的结构”指向后面两个概念。“光反应”与“暗反应”两个概念的学习是相互支撑的，因而用双向箭头关联。以此类推，初步绘制出“光合作用”概念进阶图。3.5  划分年级范围，建构完整概念进阶图根据初、高中课标的要求，初一年级只需要了 解光合作用的条件、原料、产物，举例说出其原理在农业生产中的应用；而高一年级则需要掌握光合作用的场所、叶绿体的结构特点、光合作用的过程、实质、影响光合作用的因素及其原理在农业生产中的应用。因此，不同年级对于光合作用的理解 水平不同，学习的相关概念也就不同。在进阶图中可用水平虚线进行区分，虚线以下是初一年级学生应该学习的概念，虚线以上是高一年级学生应该学 习的概念。在图的左侧，虚线下方用“初一年级”， 虚线上方与位置最高的概念平行处用“高一年级”分别进行标注，明确概念学习的年级范围，形成完整的“光合作用”概念进阶图。4生物学概念进阶图绘制启示生物学概念进阶图通过展示各个概念之间的明确关联而丰富课标内容。研究核心概念并创建其概念进阶图，有助于教师以核心概念构筑相关概念的知识框架，促进教师深入思考:某一时段学生 应该掌握哪些核心概念？某一核心概念什么时候呈现给学生比较合理？教学如何才能真正建立在学生已有的知识基础之上？概念的后续深入学习如何兼顾？等等。在进阶图中，一个概念可能有助于另一个概念的学习，也可能有助于多个概念的学习，同时，一个概念的获得可能需要多个概念的支持。因而在教 学中，参照绘制好的概念进阶图，教师可以了解学生的概念认知水平，知道学生已经学习过哪些概 念，推测、预估学生将要学习哪些概念，以此来确定 教学目标和实现目标的进阶路经；当某一教学难点 困扰学生时，教师还可以参考概念进阶图来确定需要哪些概念支撑或确定哪些概念对教学会有所帮助,从而采用合适的教学资源和方法；在学习中，参照概念进阶图，教师可引导学生理解概念之间的相互关联而不是让学生孤立地去记忆一个个概念。长此以往，可帮助学生建构其知识框架，进而促进学生的认知发展，提高学生的理解力和记忆力。