化学生物学的概念范文

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概念图(Concept map)最早是由美国康奈尔大学教育系的诺瓦克教授在20世纪60年代提出的一种科学的教学策略。自开展研究概念图以来，国外有关概念图在理论研究和应用两方面都取得了丰硕的成果。然而，我国有关概念图的研究却非常少，即使是介绍性的文章也不多。

研究表明应用概念图进行教学，能够显著地改善教师和学生教与学的效果。具体包括(1)学习者通过制作概念图，可以对所学知识进行整合，建立新旧知识间的联系。在此过程中，学习者必须搜集多方面的信息，并对其进行选择综合，从而确定它们之间的关系，因此避免了被动学习，加强了主动学习，提高了学习者的学习能力；(2)教师制作概念图，有助于其梳理教学内容之间的关系，更加准确地把多知识有效而系统地联系起来，展示给学生。这种实践有助于教师提高自身素质，更好地为学生服务等等。

生物化学课程是生物学专业类学生的基础课程，学好生物化学是学好其它生物学课程的基础。生物化学课程涉及的概念非常之多，其间的联系也甚为复杂。传统的教学方法基本属于教师讲，学生听，结果是大部分学生处于被动学习状态，学生掌握的知识要么是清楚的、零散的、分割的，要么是完全概念不清而且混乱。只有部分学生能够通过自己的努力，对所学知识进行整理，找到知识点之间的联系，从而拥有系统的、完整的知识体系。如何帮助学生克服学习中存在的问题，提高学生的学习效率和改善学习效果是困扰教师的一个难题。充分利用概念图，开展生物化学教学有利于解决上述教学中的难题。

概念图在教学上具有以下三个含义，我们将尝试其在生物化学教学中的应用。

一、概念图作为一种教学的技能

概念图作为一种教学的技能已经被许多教师广泛认可和接受。教师通过制作概念图，对所教知识进行梳理、综合，在原有将众多知识点单独、零散地展现的基础上，以包含各知识点以及其联系的体系以概念图的方式呈现给学生，从而使学生系统掌握所学的知识，摆脱众多概念无序地堆放在一起的局面。例如：糖代谢包括几个部分：糖原的合成与分解、糖酵解、三羧酸循环、糖异生以及磷酸戊糖途径等部分。对于初学者而言，每个代谢途径的反应以及催化反应的酶，以及酶的调节过程，需要花费大量的精力去理解记忆。平时在记忆这些小知识点的同时非常容易忽略各代谢途径之间的联系，产生“只见芝麻不见西瓜”的现象或者即使注重了代谢途径问的联系，也会忽略其中某一途径与另一途径的联系。如何找到各代谢途径间的相互关系，帮助学生在掌握各单个代谢途径的基础上，将糖代谢的途径联系起来形成整体概念，在学生完成糖代谢的学习任务之后，教师通过梳理总结制作了以下概念图来解决上述问题。

通过制作概念图，教师可以将生物化学中的难点和重点内容简洁明了的方式呈现给学生，帮助学生系统完整地掌握生物化学的知识。

二、概念图作为一种学习的策略

国内外研究结果指出，概念图可以有效地改变学生的认知方式，大面积的提高学生的学习成绩和自学能力。学生的认知方式主要有：记忆、规则、质疑和应用四种形式。然而，普遍认为选择规则方式进行认知的学生，比选择其他认知方式的学生，在进行有意义学习时更具优势。运用概念图进行学习的策略，学生采用的是规则的认知方式，即在学习新概念时，总是试图去分析概念之间的关系，并加以理解与记忆；而在传统教师讲，学生听的学习系统中，学生主要采用的是记忆认知方式。因此，概念图是一种有效的学习策略，能够调动学生主动学习的积极性。在教学过程中，教师的感受是只有调动学生主动学习的积极性、教会学生如何学习，才能有效地改善教学效果。例如：针对蛋白质的合成部分，教师可以要求学生制作概念图以帮助他们全面理解和掌握本章的内容。在概念图的绘制过程中，学生不得不主动地思考、总结和综合所学知识，这一过程使他们对蛋白质合成的理解不再局限在蛋白质的合成场所核糖体(rRNA)、合成的信息模版(mRNA)以及合成原料的携带者tRNA和合成所需要的因子等单个知识点，而是在掌握单个知识点的基础上更加注重了他们之间的联系，从更深层次理解蛋白质合成的全过程。

三、概念图作为评价工具

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1.1 消极影响

苏霍姆林斯基指出：“在学生的意识中，不明确的、模糊的、肤浅的表象越少，压在他肩上的负担就越轻，他的思想对于学习新知识的准备就越充分，他在课堂上的脑力劳动的效果就越好.”可见前概念对科学概念的学习很多起消极影响.所以，对物理现象的片面或错误理解而产生的前概念，将会成为学生学习物理的障碍，这些错误的前概念如果得不到及时纠正，学生就会觉得物理很难学.例如，学生的生活经验告诉他们，力是使物体运动的原因，物体运动一定是受到力的作用，所以他们会认为在空中运动的足球仍然受到脚的踢力.平时照镜子的经验告诉他们，当他远离镜子时，自已的像看起来变小了，所以学习平面镜成像特点时他们对像与物大小相等的结论深感怀疑.生活中他们认为铁比木块重，铁放入水中会下沉而木块放入水中会漂浮，所以认为重的物体受到的浮力小而轻的物体受到的浮力大.这些片面的甚至错误的前概念已经对科学概念的学习制造了许多障碍，要让学生牢固掌握科学的物理概念，就必须打破这些不正确的认知图像.

1.2 积极影响

教学实践也证明，学生头脑中的不少前概念有助于科学概念的建构与掌握，对教师和学生来说都是一种资源. 我们应把这种“资源”作为让学生理解新知识的“生长点”，引导学生从原有的前概念中生长出新的科学概念.例如“铁比木头重”是密度的前概念；“冬天，室外的铁块比木块的温度低”是热的良导体的前概念；“平面镜成的像看起来随距离的变大而变小”是视角的前概念.教师应抓住这一契机，帮助学生建构正确的物理概念.还有一些前概念本身已经很接近科学概念，只要稍作深化就能整理出科学概念.例如，学生通过推箱子的经验可以得出影响摩擦力大小的因素，通过坐车看见树木往后退得出运动的相对性原理.

2 物理前概念的成因及常见前概念举例

建构主义理论认为，个体的学习过程，是个体自己主动建构知识的过程.在这过程中，个体通过已有的认知结构对输入的新信息主动地进行选择、加工和编码，从而建构自己对新信息的理解.由于个体经验背景的差异，在特定的学习情境下，个体只能理解到事物的某些方面，没有全面、标准的理解.中学物理学习中，学生形成前概念的途径很多，常见的有以下几种.

2.1 日常生活经验

学生在日常生活中，已从大量的物理现象中获得了不少物理方面的感性知识，积累了许多生活经验，但这些凭直观感觉学习到的东西不一定都是正确的.例如，用力推桌子，桌子就运动，停止用力桌子马上停止运动，所以学生认为物体要运动就一定要受力，认为踢出去的足球能继续在草地上运动是因为足球一直受到脚的踢力；认为推物体不动是因为推力小于摩擦力；推物体时摩擦力阻碍前进，所以认为摩擦力总是与物体运动方向相反等等.

2.2 其他学科知识的负迁移

数学知识是学习和研究物理学的重要工具，能否恰当运用数学工具解决物理问题也是衡量学生能力高低的重要方面.但物理学不同于数学，物理学更重要的是物理事实、物理本质和物理关系.学生由于从小就接受数学教育，在思考物理问题时常常有“数学惯性”，用数学思维来理解物理概念.比如对公式R=U/I的理解，学生用数学思维，就认为电阻与电压成正比，与电流成反比，却忽视了电阻是导体的一种物理属性，与电压和电流没有成正比和反比的关系.类似的理解还有密度，速度，比热容，热值等.

2.3 进行不恰当类比

类比是推理的一种重要方式，是人们认识新事物或做出新发现的重要思维形式.但类比的结果是否正确，还需要经过实践检验.学生在学习一些物理概念时，运用类比思维可得到很大帮助，但有时用其它概念来类比推理一些物理概念时，会导致错误的结论.例如把电流比作水流，把电荷的移动比作水的流动，以为电荷像水一样在电路中不停地快速移动.

2.4 对词语的曲解

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一、错误概念的形成原因及特点

错误概念的形成受学生、教师、学习内容等多种因素的影响。学习的实质是学习者在已有认知的基础上对新刺激、新内容进行新的意义建构，这是建构主义关于学习的最重要观点。在这个过程中，日常概念的干扰、知识的负迁移、心像系统的替代、学生的心理发展水平等，对学生错误概念的形成具有重要影响。

1.日常概念的干扰

日常概念（daily conception）是学生在日常生活中直接观察事物的外部特征而形成的概念。它一般在专门的教学之前获得。随着儿童交往、提问的逐渐扩大，日常概念形成了儿童对于世界的观念建构和再建构。如，刚出生的儿童会认为所有事物都有生命。随着经验的积累，这一观念再次建构为：只有移动的物体才有生命。因为汽车是移动的，所以有生命，而小草是不动的，所以没有生命。由于日常概念往往没有触及对事物的本质理解，因而具有宽泛性、多义性和模糊性等特点，对学生学习科学概念往往造成干扰。例如，学生在学习几何中的“垂直”概念时，根据日常观察和狭义的理解，总是认为，一条直线水平、另一条直线与之相交成90°所形成的图形才叫垂直。又如，生物课上，学生往往认为果实都是可以吃的，鸟类就是会飞的动物等等，不一而足，从而导致错误概念的产生。

2.知识的负迁移

迁移是指一种学习情境对另一种学习情境的影响。知识的学习离不开迁移。从两种学习情境相互影响的效果方面看，迁移分为两种：正迁移和负迁移。两种学习互相促进，形成正迁移；两种学习互相干扰或冲突，则形成负迁移。知识的正迁移和负迁移取决于两种学习在内容、过程、环境、条件等方面的相似性。当学生用先前经验和心向去建构内容、环境、条件等已发生变化的新任务时，就会造成对新任务的干扰，影响当前任务的学习。如，两种不同的语言，在语法规则上有很大的差异。学生如果根据先前的语法学习经验来建构另一种语言情境中的语法知识，往往会造成对概念的错误理解。又如，同一种化学物质在不同的条件下会产生不同的化学反应。当条件发生变化后，先前化学反应过程和结果的习得性知识极易形成学生的某种心理定势，对当前的认知产生不利影响，从而导致错误概念的发生。

3.心像系统的替代

1986年，加拿大心理学家Paivio及其团队提出了人脑认知系统的“双重编码”理论[2]。该理论认为，言语系统和心像系统，作为人的大脑认知系统中的两个子系统，分别对不同信息进行编码、存储等处理。前者主要处理言语类信息，后者主要处理声音、图像等非言语类信息。两个系统既独立又联系，既分工又合作。同时运作，可以降低学习负荷，增强理解、记忆能力，大大提高学习效果。这就是人们常说的“左右脑”全脑学习。但是，这两个系统在执行任务时并不是平均运作。多数情况下，某个系统比较强大时，另一个系统就会变得弱小。在早期概念教学中，这种不均衡被教师放大了。幼儿和小学教师在教授具体事物的概念时，一般直接用概念例子进行实物直观或模型直观，启动了儿童的心像系统，却疏忽了对儿童关于概念本质特征的言语信息输入。比如，花朵、交通工具，昆虫等概念。图像等非言语类信息的过多输入使得儿童的心像系统替代了言语系统本应发挥的作用。虽然，心像系统在理解和记忆概念时，有其自身的优点，如丰富性、深刻性、形象性、整体性等，但是它并不能取代概念定义的明确性、不变性和抽象性。最主要的是，它缺少概念定义的排他性。当然，把抽象的定义硬塞给低龄儿童确实不妥，但教师不可不作为，可将反映概念本质特征的抽象语言（即概念定义）进行具体、形象地言语转化后，配合直观教学，以灵活方式呈现出来。教师对概念定义的不作为，导致学生仅仅建立了概念的整体心理映像，对概念本质特征的理解模糊、易变，知其然而不知其所以然，为错误概念的产生提供了土壤。

4.学生心理发展水平的制约

20世纪最著名的发展心理学家Jean Piaget将学生从出生到成人的认知发展分为感知运动、前运算、具体运算和形式运算四个阶段[3]。这就是著名的Piaget认知发展阶段理论。它充分反映了学生心理和认知发展的阶段性差异以及在同一阶段内发展所具有的共性。知识的教学受到学生心理发展水平的制约。因此，教师在教学时，不能无视学生的心理发展水平（即学生的知识背景和认知水平）随意选择教学内容与方法，而应与之保持同步。如果教学内容与方法低于学生的心理发展水平，就会形成无效的教学，学生将得不到发展；超出了学生的心理发展水平，就会造成学生对概念的错误理解，甚至无法理解。例如，小学生的认知发展正处于具体运算阶段，如果数学教师忽略了这一点，对学生传授方程、函数等形式运算的内容，将会导致学生对这些概念的误解甚至不解。

错误概念具有广泛性和隐蔽性。不仅是儿童，即使是在大学生和成人中也屡见不鲜，并深藏于人的观念之中。由于错误概念通常能“解释”一些客观事物的表面现象，符合直观观察，表现出“合理的”一面，因此还具有顽固性。原有的错误概念可以引发新的错误概念，形成知识学习的恶性循环，具有很大的破坏力。

二、概念转化的条件

Posner等人在认知建构理论的基础上，提出概念转化（conceptual change）的条件理论[4]。他们认为，一个人的原有观念要发生转化，应具备四个条件：

一是对原有概念的不满，即它已经无法解释当前发生的学习情境，因而使学习者感到失望。二是新概念的可理解性。学习者能够理解新概念及其组织方式，这是学习者建立新的科学概念的前提条件。三是新概念的合理性。新概念与个体的其他知识经验、信念等保持一致，能够实现有效整合，而不是相互发生冲突。四是新概念的有效性。新概念能够提供对当前学习情境更好的解决方案，体现出巨大的价值和潜力。学生认识到新概念优于原有概念，是实现概念转变的现实动力。

个体的经验背景也是影响概念转化的重要因素。Posner等人称之为“概念生态”（conceptual ecology）[4]。它包含以下几个组成因子：一是认识信念；二是原有概念；三是获取知识的方式；四是解释知识的方式；五是问题解决策略；六是情绪情感；七是对科学本质的看法。概念生态构成的要素，例如问题解决的策略、情绪情感等，对学生学习的过程产生非常重要的影响，也都可能对不同的学习者的概念转化产生影响。1992年，针对该理论由于未重视学生的学习态度和动机所引起的质疑，Posner对此理论作了一些修改，把学习的动机因素也纳入概念生态中，进一步完善了概念转化的条件理论[5]。

三、促进错误概念转化的教学策略

有效的教学策略是实现学生错误概念转化的根本途径。在研究学生的心理发展水平的基础上，根据知识建构的过程和规律，尝试“探测错误概念引发认知冲突建构科学概念运用科学概念元认知监控（反思）”的五步转化法，是促使错误概念向科学概念最终转化的完整的、行之有效的教学策略与方法。

研究学生的心理发展水平，是教育适应学生身心发展规律的必然反映，是教学促进学生发展的客观要求，也是有效教学的基本条件。一切优化的教学都必须适应学生的心理发展水平和阶段特征。中小学生的心理发展多数处于具体运算阶段，在理解和运用概念时，需要具体经验的支持。针对这一心理特点，教师在教学中应综合使用实物直观、模型直观和言语直观，引导学生动手动脑，深入观察和实验，在此基础上进行感性概括，形成感性认识，并在教师的指导下进行理性概括，从而获得正确的概念。

1.探测学生的错误概念

在教学过程中，教师需要探测学生的错误概念。这是实现错误概念转化的前提。在揭示新概念之前，教师应首先尽力去了解学生对当前情境或任务的想法，采用具有揭示力的探测性问题，让学生积极参与，根据自己的理解，大胆推测可能的结果。教师先提供一种开放的问题情境，采用“如果……将会如何”的形式，鼓励学生说出自己的观点。可以先将学生进行分组，学生通过组内讨论充分发表意见，由自选代表进行综合后发言，更有利于激发学生的积极性。

2.引发学生的认知冲突

这是实现错误概念转化的重要环节。怎样制造认知冲突呢？较可行的思路是：诱导学生暴露其原有的概念或想法，创设情境使其与科学概念发生强烈冲突，使学生认识到自己的原有概念与科学概念产生了无法调和的矛盾，让学生产生“震撼”，以动摇其顽固信念的基础，而不得不以批判的眼光审视他曾深信不疑的东西，才有可能发现其原有概念的局限性和错误之处，才能彻底地抛弃它们。

3.建构科学概念

引发学生的认知冲突不是最终目的。当认知冲突的情境发生后，教师应进一步组织学生进行讨论，引导学生去思考现象背后说明的问题，促使学生主动思考造成冲突和差异的深层次原因。在讨论中，教师不要过多地干涉，应该让学生根据自己的理解充分发表意见，自然地进行感性概括。学生通过交流一一呈现对冲突情境的理解，并去粗取精，基本达成一致意见时，科学概念的重建就开始了。教师的任务是：其一，呈现科学概念的定义，深刻揭示概念的内涵与外延。概念的内涵是对概念本质属性的界定，是此概念区别于彼概念的标志，也是解答认知冲突情境的钥匙。概念的外延是概念所反映的对象的具体范围。定义的教学是学习科学概念的关键环节；其二，综合呈现与概念本质特征相关的言语信息和图形图像信息，同时启动学生的“双重编码”系统，培养学生的全脑思维能力，提高学习和记忆效果；其三，呈现足够的概念正例和适当的反例，促使学生对概念理解的精确化。呈现正例，把符合概念本质特征的对象变化范围尽可能包括进来，可以防止“概括不足”；然后呈现适当表面相似的概念反例，可以防止“过度概括”，把不符合概念本质特征的成员排除出去。前者提供对概念的证明，后者提供对概念的辨别。二者的综合使用，则会迅速促使学生对概念定义的精确理解；其四，解释科学概念的可理解性、合理性和有效性。如上所述，新概念要被学生接受是有条件的。教师应该通过科学概念的内涵与外延、科学概念与其他相关概念之间的联系、科学概念的运用等方面的具体解释和直观呈现，使学生在主观上认识到它的种种“优点”，从而在心理上真正接纳它，实现科学概念的重建。

4.运用科学概念

熟练地运用科学概念是检验概念掌握程度的标准，也是概念学习的最终目的。但是，错误概念的彻底转化和科学概念的真正建构不是一朝一夕就能达到的，必须经过反复地运用和练习才可以实现。在概念的运用阶段，教师应考虑到概念对象各种可能的变化类型（变式），通过训练学生对概念对象各种变式的理解与运用，触类旁通，才能促使学生错误概念的最终转化和科学概念的真正建构。

5.元认知监控（反思）

元认知，就是对认知的认知。具体地说，是指认知主体对自身思维和学习活动的自我认识、自我评价、自我监督和自我调控等。元认知对学习状态的改变具有监控、评价、管理等重要功能。在错误概念转化的学习过程中，元认知的参与可以使学生激发学习动机、端正学习态度、提高注意力、选择有效的学习策略等，使学习过程从死板低效变为富有生机和高效。在学习之后，通过反思概念转化的过程及评价学习过程的得失，使概念学习得到升华，学习兴趣得到培养，学习策略得到提高。

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参考文献

[1] 陈琦，刘儒德.教育心理学.北京：高等教育出版社，2005.

[2] Clark，J.M.，Paivio，A.Dual coding theory and education.Educational Psychology Review，1991（Vol 3）.

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一、初中生物学前概念及转化策略

（一）初中生物学前概念及特征

新版生物学课程标准将生物学的概念教学提上一个重要地位，然而学生对概念的接受，绝不是靠教师加大灌输力度就能完成。因为在接受生物学科知识之前，现实生活中的经验积累已经给学习者留了下大量的感性认识，这些认识尚未经过科学的辨析和概括，就已经在学生个体的头脑中产生了与科学知识相悖或不尽一致的概念，并干扰着科学概念的形成。这就是前科学概念，它指的是个体所拥有的概念的内涵、外延及其特征与科学概念不尽一致的生物学概念。在日常教学中，老师们常常习惯将他们称为成为“前概念”，或“错误概念”、“社会概念”、“民间概念”等等。

（二）前概念转化的探究实验策略的理论基础

鉴于前概念的顽固性等特征，学者们提出种种前概念转变策略，如“合作学习”、“情景性教学”、“比较鉴别法”【3】等等。其中，探究实验法的理论基础是建构主义。建构主义的观点认为，想要学生完成对所学知识的有意义建构，让学生深刻理解该知识所反映事物性质、规律以及该事物与其它事物之间联系，最好的办法不是仅仅聆听教师关于这种经验的介绍和讲解，而是让学生到现实世界的真实环境中去探究发现、去体验，通过获取直接经验来学习。

二、“种子萌发需要光”前概念转化的实验研究

（一）关于前概念“种子萌发需要光”的调查

科学界普遍认为，大部分种子萌发是不需要光的，极少数如烟草、莴苣等萌发需要光，另外如西红柿等萌发受到光的抑制。笔者在多年的中学教学中发现，“种子的萌发过程需要外界条件――光”这一概念顽固地根植于学生心中。不论是新课讲授前、后，也不论是小学生、初中生或高中生，都有相当比例的人认同这一概念。以下是笔者在任教的七、八年段调查的结果。

此外，笔者也随机访谈了一些中学教师。28位教师中，有8人不认同“种子的萌发需要光”；19人认同。这19位教师中，有5人认为“不同种子情况不同，大多数种子萌发是需要光的”；有7人在获得答案后若有所思：“对了，种子埋在地下是可以萌发的”。

以上调查可以看出，“种子萌发需要光”这一前概念具有普遍性，顽固性和表象性。学生将自然现象表浅化，对事物的观察缺乏思辨，造成这一概念先入为主，并且在知识点学习之后仍顽固不化。对成年教师的访谈数据也从另一方面佐证了这个结论。

（二）“种子萌发需要光”概念转化的实验研究

1.实验研究的总体方案：

本研究采用等组前后测准实验设计法，图解如下：

其中O1、O3 表示前测成绩，X1是探究实验教学，X2是传统教学，O2、O4表示后测成绩，本实验采用独立样本的x2检验对实验结果进行统计分析。

2. 实验过程

笔者在实验组（10班）布置学生完成“光照（单因素）条件对种子萌发影响”的探究实验，让学生获得体验和感悟；在对照组（8班）采用传统启发、讲授分析法教学，对学生进行阐释。2011年11月新课开始实验，2012年1月期末考试结束实验。

3. 实验研究的结果

针对本次探究学习对概念形成的效果，笔者采用了实验组、对照组前后测的方式进行X2因子检验：

①实验前测：新课引入时，在对照组和实验组，教师都以启发提问的方式了解学生对种子萌发条件的已有概念：“同学们回忆日常生活中的观察，再仔细思考，种子的萌发需要光吗？”，经学生独立思考，教师让学生以举手方式回答。以下表格记录了8，10两班在这个问题学习前的认识：

前测（原始数据）

两个班的成绩无差异

②实验后测：两个月后学期结束，期末考试卷中有一道选择题涉及“种子萌发条件”这个知识点，对对照组、实验组的答题进行统计。题目如下：下列哪项环境因素是种子萌发的条件？（ ）

A、阳光、空气、水分 B、阳光、适宜的温度、水分

C、适宜的温度、水分、空气 D、水分、空气、土壤

（注：笔者认为实验是针对“光”， 答“土壤”在本实验中不计为错误，因此，答A、B属于错误；答C、D属于正确）

两个班成绩差异显著

（三）前概念转化实验研究结论

实验数据表明，在转化“种子萌发需要光”这个前概念的教学活动中，探究实验法把学生带入了真实的问题情景中，有利于激发学生的学习动机，弥补学生的课堂学习的不足。在探究实验过程中学生经过亲身的活动，发现亲眼看到的事实与头脑中的认知存在冲突，在发现、探究、解释过程中较好地实现了个体的“顺应”的过程，比起未经过探究活动的对照组来说，更好地实现了已有前概念的转化。

参考文献