閆白洋

摘? ?要“三重表征”中宏觀、微觀和符號的表征及相互轉化對培養(yǎng)學生科學思維有著重要的作用。本文以生物學科基因分離定律的教學為例，介紹“三重表征”在教學中的體現，并指出在基因分離定律教學中可采取“宏觀切入-微觀分析-符號表征”和“符號表征-微觀預測-宏觀驗證”的方式，促進學生科學思維的發(fā)展。

關鍵詞? 三重表征 科學思維 基因分裂

隨著各個學科《普通高中課程標準（2017年版）》的頒布，新一輪的教學改革拉開了帷幕。此次教學改革圍繞“立德樹人”的根本任務，在學科教學中發(fā)展學生的核心素養(yǎng)。生物學核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學探究、科學思維和社會責任。其中科學思維是支持學生獲取新知識，使用新知識，形成生命觀念和科學探究所必需的品質。因此，庫恩認為，發(fā)展學生的科學思維是教育的核心，也是發(fā)展學生智力的目標[1]。本文嘗試以基因分離定律的教學為例，利用“三重表征”理論進行提升學生科學思維的教學實踐，希望為培養(yǎng)學生科學思維素養(yǎng)的教學提供參考。

一、“三重表征”理論在生物學科教學應用的依據

表征是認知心理學的核心概念之一。表征系統(tǒng)是人們知覺和認識世界的一套規(guī)則。著名認知心理學家布魯納認為，表征方式包括：表征直接觀察的現象、通過“遷移”方式表征物體或事件、利用符號來表征現象或原理。布魯納認為，學生的認知過程就是通過直接觀察到“遷移”表征到符號表征的發(fā)展過程，是表征系統(tǒng)逐漸形成并完善的過程[2]。這一理論是符合人類認知發(fā)展規(guī)律的。

“三重表征”理論是由蘇格蘭格拉斯哥大學科學教育中心的約翰斯頓教授提出的，認為化學課程的學習要注重宏觀、微觀和符號三個水平，以及相互之間的轉化。約翰斯頓還認為，生物、物理等課程的學習也可以應用“三重表征”理論[3]。生物學科是一門研究生命現象及其規(guī)律的學科，不僅要研究生命的形態(tài)、行為等可觀察的宏觀現象，也要研究解釋宏觀現象的細胞、分子等微觀現象，并要用特有的生物學符號進行表征。生物學的學科特點決定了生物學科的學習必然要從宏觀、微觀和符號等水平進行多重探究，進而形成宏觀、微觀和符號的“三重表征”，并建立三者之間的聯系及轉化（見圖1）。

二、“三重表征”理論在生物學科中的體現

對于生物學科學習而言，“三重表征”是指“宏觀-微觀-符號”三類知識在頭腦中的加工過程和儲存形式。一方面，它是認知結果在大腦中的儲存形式[4]。另一方面，它是學生在大腦中構建、組合、表示當前學習的知識，并將其組成有機整體，形成內在聯系的認知活動過程[5]。在此過程中，學生要能夠基于生物學事實和證據運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法進行論證和探究，這正是生物學核心素養(yǎng)中科學思維的實質。如果學生利用“三重表征”理論進行生物學概念的學習與建構，并熟練地利用恰當的方式進行微觀、宏觀和符號信息的轉化，必然能夠促進學生科學思維能力的提升，更有效地掌握知識，分析問題和解決問題。

1.宏觀表征

宏觀表征是宏觀現象在學生大腦中的呈現方式，包括可觀察的宏觀事物或現象。生物學科中的宏觀表征是由生活中的生命現象或實驗結果在學生頭腦中的反映形成的。例如，秋冬季節(jié)植物葉片變成黃色，黃山迎客松的向光生長，不同溫度（pH）下淀粉、淀粉酶和碘液混合后出現的顏色差異，去除大腦的牛蛙腳趾放入鹽酸中的反應，黃色圓粒豌豆和綠色皺粒豌豆雜交后代的表現型等。宏觀表征是由學生通過觀察、實驗等方式獲得的宏觀的生物學現象，能夠引起學生的學習興趣，激發(fā)學生的探究潛力。宏觀表征的具體性，使學生在真實問題情境中很容易識別和再現。

2.微觀表征

微觀表征是微觀現象在學生大腦中的呈現方式，在生物學科中主要是指不能通過直接觀察或實驗獲得的細胞結構、分子組成、化學反應和機理等微觀信息在學生大腦中的反應。微觀表征不是簡單的現象描述，而是理性地、深入地對現象的認識和理解，它是在認知概念基礎上經過科學探究實現的。在此過程中，歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等科學思維至關重要。微觀表征的形成是宏觀表征由感性向理性思維的上升。例如，秋冬季節(jié)植物葉片變成黃色的微觀解釋是葉肉細胞中4種色素含量受溫度影響差異，黃山迎客松的向光生長微觀解釋是單側光下生長素向背光側運輸，不同溫度（pH）下淀粉、淀粉酶和碘液混合后出現的顏色差異的微觀解釋是淀粉酶在不同溫度（pH）下蛋白質空間結構變化等。

3.符號表征

符號表征是用符號來實現信息在學生大腦中的呈現，具有抽象性和概括性，是較為高級的表征方式。在生物學科中，符號表征主要是利用生物學特有的字母、圖形等符號表示宏觀或微觀現象和規(guī)律。符號表征是將宏觀和微觀信息抽象、概括為最簡煉的符號信息。例如，DNA→mRNA→蛋白質（遺傳信息的表達）、XBXb×XBY→F1：XBXB∶XBXb∶XBY∶XbY=1∶1∶1∶1、光合作用暗反應符號表征（見圖2）等。生物符號是用簡潔的方式記載著豐富的生物學知識與信息，用直觀的形式揭示著生命體內變化的規(guī)律和機理，只有準確地利用生物學符號對生物學宏觀和微觀現象進行分析和表達，才能更好地建構生物學科知識，提升學生生物學核心素養(yǎng)。

三、“三重表征”理論在生物學科中的教學實踐

基因的分離定律是《普通高中生物學課程標準（2017年版）》模塊2中大概念“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”的內容，也是上海《生命科學》教材第三冊第八章的內容，在高中生物教學中有著重要的地位。此節(jié)內容首先通過觀察、閱讀和實驗等手段獲得紫花豌豆和白花豌豆雜交試驗后代表現型的宏觀事件，運用遺傳信息、減數分裂等微觀信息分析與解釋宏觀事實，并利用符號進行表達。其次，根據基因分離定律，結合微觀信息和符號表達對雜交結果進行預測與分析，通過實驗等方法對預測進行宏觀證實或證偽。最后，編擬一套生物學符號或術語來表示基因分離定律的事實、規(guī)律與理論。綜上分析，在基因的分離定律教學中可以采取“宏觀切入—微觀分析—符號表征”和“符號表征—微觀預測—宏觀驗證”的生物學知識表征方式及相互轉化方式，在此過程中促進學生科學思維的發(fā)展。

1.宏觀切入—微觀分析—符號表征

基因分離定律教學設計均以學生為主體，教師的作用是提供資源、評價、矯正，重點關注學生科學思維方式的提升。首先，根據教師提供的“孟德爾試驗中的紫花豌豆和白花豌豆雜交的試驗過程及結果”等多個一對相對性狀的雜交試驗，展示方式可以是動畫或者圖片，學生歸納概括，表述一對相對性狀雜交試驗的規(guī)律，并進行宏觀表征，讓學生認識到生物學規(guī)律或概念都是基于科學事實經過論證形成的。然后，教師引導學生根據基因本質、基因通過控制蛋白質合成控制生物性狀、等位基因位于同源染色體上、減數分裂中同源染色體的行為、減數分裂形成配子過程、精卵隨機結合的受精過程等微觀現象引導學生利用推理與演繹、批判與創(chuàng)造等科學思維方式對宏觀現象進行解釋，形成微觀表征。最后，利用“P”“×”“？茚”“F1”“F2”“→”等遺傳學獨特的符號進行符號表征一對相對性狀雜交試驗的過程與機理。具體教學流程見圖3。

2.符號表征—微觀預測—宏觀驗證

通過“三重表征”之間轉化實踐基因分離定律的驗證。首先，以孟德爾的高莖豌豆和矮莖豌豆測交試驗為資料設計真實情境，學生在問題情境中運用適當的思維方法進行情境問題的符號表征。然后，利用基因分離定律、基因本質、減數分裂時染色體的行為、雌雄配子隨機結合、細胞的分裂與分化等微觀信息對情境中子一代高莖與矮莖進行雜交，后代高莖和矮莖的比例進行預測、表達和闡明其內涵。最后，利用真實的子一代高莖和矮莖雜交試驗結果∶高莖豌豆30株，矮莖豌豆34株，結果接近1∶1，通過宏觀表征進行結果驗證。具體教學流程見圖4。

四、“三重表征”理論教學實踐反思

在基因分離定律教學中，“宏觀—微觀—符號”三重表征及相互轉化需要學生在新的問題情境中，基于事實和證據，采用歸納與概括、演繹與推理等適當的科學思維方法去宏觀表征、微觀表征，并相互轉化，從而揭示基因的分離定律，同時利用遺傳學符號進行表征和表達，闡明其內涵。經過課堂教學實踐發(fā)現，“三重表征”理論的教學能夠促進學生知識的結構化，激發(fā)學生的探究意識，提升學生的科學思維素養(yǎng)。

在生物學教學中，除了基因分離定律之外，膝跳反射的原理、中心法則及補充、伴性遺傳定律、基因的自由組合定律、基因的連鎖互換定律、微生物抑菌過程等內容均涉及到宏觀、微觀和符號的表征及相互轉化。因此，“三重表征”理論在生物學教學中具有重要價值，需要一線教師不斷地去探索、實踐和完善。

參考文獻

[1] Kuhn D. Science as argument： implications for teaching and learning scientific thinking [J].Science education，1993，77（03）.

[2] 紀新慧.高中生化學三重表征思維方式的培養(yǎng)研究[D].濟南：山東師范大學，2009.

[3] A.H.Johnstone.Why is Science Difficult to Learn？ Things Are Seldom What They Seem[J].Journal of Computer Assisted Learning，1991，7（02）.

[4] 張丙香，畢華林.化學三重表征的界定及其關系分析[J].化學教育，2013（03）.

[5] 畢華林，亓英麗.高中化學新課程教學論[M].北京：高等教育出版社，2005.

[6] 李宜蕓，李雪峰.基于MAS問題編碼的高中生生物學伴性遺傳三重表征轉換能力診斷[J].生物學通報，2017，52（11）.

【責任編輯? 郭振玲】