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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(guò)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(lái)表征。例如,氨基酸的結構通式可以畫(huà)分子結構示意圖表征,也可以建構模型來(lái)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(cháng)得帥氣與否首要看的還是我們的臉蛋);此外還可以用語(yǔ)義表征:極少有一個(gè)氨基和羧基連在同一個(gè)碳原子上,此外該碳原子還連接一個(gè)氫和R基團。內部表征可以指學(xué)生在學(xué)習生物知識過(guò)程中在工作記憶平臺上信息分析、關(guān)系提煉的認知活動(dòng),也可以指信息在心理活動(dòng)中表現和記載的方式。工作記憶又叫短時(shí)記憶是指信息加工的操作平臺,其容量只有5~9個(gè)組塊。組塊是信息量的一個(gè)單位,指測量人短時(shí)記憶量的最小單位。外部信息進(jìn)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(yǔ)表達意義的最小單元,由關(guān)系和一組命題兩個(gè)成分構成,例如,“葉子是綠色的”表達了一個(gè)意思,是一個(gè)命題。在這個(gè)命題中,論題是“葉子”和“綠色的”,“是”表示關(guān)系,對命題起限制作用。在大多數情況下,一個(gè)句子表達的多不止一個(gè)意思。如“減數分裂是進(jìn)行有性生殖的生物,在減數分裂過(guò)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(gè)意思,是4個(gè)命題。即分裂發(fā)生的范圍:進(jìn)行有性生殖的生物;分裂發(fā)生的時(shí)間和行為:在產(chǎn)生成熟生殖細胞時(shí)進(jìn)行的染色體數目減半的細胞分裂;分裂的特點(diǎn):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(guān)信息在人腦中的表征貯存。在生物學(xué)習中實(shí)驗現象、生物圖形、細胞模型和生物用語(yǔ)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(gè)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(dòng)中起著(zhù)相當重要的作用。例如,生物體內核酸相關(guān)知識的記憶表象(如圖1)將4條信息壓縮到一個(gè)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(shí)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(guò)多,學(xué)生思維操作負荷較大,難以順利實(shí)現信息之間的意義聯(lián)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(jìn)行了壓縮,節省工作記憶空間,減輕工作記憶負擔,學(xué)生相對容易建構信息之間的意義聯(lián)結。
例1 有這樣一道推理題:蠶豆根細胞在含3H標記的胞腺嘧啶脫氧核苷培養基中完成一個(gè)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(xué)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(gè)細胞周期到不含有放射性標記的培養基中培養至下一個(gè)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(yè)圖2),學(xué)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(shí)踐證明,形象化的表現方式比言語(yǔ)敘述方式更有利于信息的編碼。言語(yǔ)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(shí),由于工作記憶容量的限制,學(xué)生往往無(wú)法由線(xiàn)性的言語(yǔ)敘述建構起對知識的非線(xiàn)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(jiǎn)化復雜關(guān)系的形式對信息進(jìn)行編碼和處理。形象表征包括圖示表征和直觀(guān)教學(xué)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(jiǎn)明直觀(guān)地呈現出知識的結構性和認知的整合性,有助于學(xué)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(xiàn)圖、知識網(wǎng)絡(luò )圖、知識點(diǎn)表格等。
(1)概念圖。概念圖通常從一般概念出發(fā),往下逐級延伸至具體概念,以層級結構表明各概念間的關(guān)系。在生物教學(xué)中概念圖既可以幫助學(xué)生建構概念之間的聯(lián)系,使學(xué)生能夠從全面與聯(lián)系的層面理解概念。同時(shí)也可以作為一種模板,幫助學(xué)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(xué)生的思維過(guò)程能產(chǎn)生積極影響,有助于學(xué)生對生物知識的認知規律化,促使其有意義地學(xué)習。如圖3所示為血糖調節過(guò)程的概念圖:
(2)韋恩圖。在數學(xué)中常用韋恩圖來(lái)表示集合與集合之間的關(guān)系,在生物教學(xué)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(guān)系(如并列、隸屬、交叉)和事物性質(zhì)之間的異同。如圖4所示為動(dòng)植物糖類(lèi)的分類(lèi):
(3)數軸法。利用數軸法,可以巧妙地將定性和定量概念聯(lián)系起來(lái),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(guān)系可用圖5表示:
(4)示意圖。生物學(xué)中有多種類(lèi)型的示意圖可以將微觀(guān)現象宏觀(guān)化,或將抽象問(wèn)題直觀(guān)化、形象化,有利于學(xué)生對較難的生物概念、微觀(guān)事物、抽象問(wèn)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(guò)程的示意圖:
(5)曲線(xiàn)圖。曲線(xiàn)圖清楚直觀(guān)地表示出兩個(gè)量之間的數量關(guān)系或變化關(guān)系,顯示研究對象發(fā)展變化的規律性和特殊性,借助曲線(xiàn)圖表征,可以將定性和定量的分析巧妙地聯(lián)系起來(lái)。如圖7所示為光照強度與光合作用速率變化關(guān)系的曲線(xiàn)圖。
(6)知識網(wǎng)絡(luò )圖。生物學(xué)中常用知識網(wǎng)絡(luò )圖表示知識之間的結構序列,有利于學(xué)生橫向和縱向把握知識之間的聯(lián)系,理解相互之間的轉化關(guān)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(yè)圖8所示為細胞與其他知識之間的相互轉化關(guān)系的網(wǎng)絡(luò )圖。
(7)知識點(diǎn)表格。表格具有整齊、簡(jiǎn)明、易于比較分析的特點(diǎn)。利用表格表征,對相似、相近或相反的知識點(diǎn)進(jìn)行整合,有助于學(xué)生在比較中形成對知識的辨析和理解,進(jìn)行有效的類(lèi)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(guān)教學(xué)手段表征
生物學(xué)是一門(mén)從分子、細胞、個(gè)體水平研究生物的結構、功能、發(fā)生和發(fā)展的規律,以及生物與周?chē)h(huán)境關(guān)系等的科學(xué)。生物概念和理論具有較強的概念性和抽象性,學(xué)生對此的理解存在一定的思維障礙。教學(xué)中借助實(shí)驗、模型、多媒體等直觀(guān)教學(xué)手段使教學(xué)內容形象化、直觀(guān)化,可以減輕學(xué)生認知負荷,化解或突破知識難點(diǎn)。
(1)實(shí)驗表征。生物學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗為基礎的學(xué)科,生物學(xué)知識是從生物現象和生物過(guò)程中抽象出來(lái)的本質(zhì)特征,生物學(xué)知識的形成離不開(kāi)實(shí)驗。學(xué)生通過(guò)觀(guān)察實(shí)驗現象和實(shí)驗過(guò)程可以實(shí)現抽象的知識與具體形象的聯(lián)系和轉化,形成豐富的表象來(lái)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(zhì)運輸的關(guān)系” 的實(shí)驗中,學(xué)生通過(guò)實(shí)驗測量發(fā)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(guò)數據的處理,就比較容易理解“細胞大小與物質(zhì)運輸效率關(guān)系”這一抽象的生物學(xué)知識。
(2)模型表征。染色體的行為變化過(guò)程抽象、復雜,單靠語(yǔ)言和文字描述,學(xué)生很難理解和把握。利用模型組織教學(xué),變抽象為具體,化不可見(jiàn)為可見(jiàn),有利于學(xué)生形象直觀(guān)地認知它們的本質(zhì)特征。例如,減數分裂過(guò)程中染色體行為的變化可通過(guò)建構模型,抽象出減數分裂過(guò)程中染色體變化的本質(zhì)特征,突破知識難點(diǎn)。如表 2所示:
(3)多媒體表征。生物學(xué)是一門(mén)從微觀(guān)層面研究宏觀(guān)事物及其變化的學(xué)科。由于微觀(guān)世界比較抽象,許多學(xué)生思維局限于宏觀(guān)表征,對一些生理過(guò)程及其本質(zhì)缺乏實(shí)質(zhì)性理解,如有絲分裂、興奮的傳導、傳遞等。借助多媒體技術(shù)模擬和放大微觀(guān)的生理過(guò)程及其變化,使抽象的、不可見(jiàn)的微觀(guān)世界變得生動(dòng)形象,有利于減輕學(xué)生的認知負荷,糾正其可能存在的模糊觀(guān)念與相異構想,從而突破生物學(xué)基本理論教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
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