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摘要:高中生物课程在学生核心素养发展方面的基本价值,是让学生形成基本的生命观和生物学基本观点,提升科学素养。必修内容应涵盖理解生命必需的基本概念,并渗透生物学思想观念以整合这些概念,关注科学通用概念;整体规划科学方法教育和实验、探究等活动,强调活动中的知行合一、能力提升;注意促进科学本质的理解,渗透科学精神。特别要关注多维整合,促进学生的全面发展。

关键词:高中生物;必修;科学素养;核心素养

我国正在深化的高中课程改革中,核心素养(key competencies)体系被置于基础地位。高中生物课程改革的深入进行也将以促进学生核心素养发展为目标。由于高中生物课程里只有必修才是面向全体学生的,因此回答好“高中生物必修内容怎样变革才有利于全体高中生核心素养的发展”这一问题十分重要。

一、生物学的本质与本课程的价值

高中教育所谈论的核心素养,是“所有学生应具有的最关键、最必要的基础素养,是知识、能力和态度等的综合表现。”[1]从表面看,素养似乎依然是知识、能力和态度,但是发展核心素养的教育更知识能力整:素养=知识+ 能力态度[2]

科学素养science literacy是高中生核心素养不可或缺的一部分。不少学者、机构提出了关于科学素养的理解,如科学素养包含概念理解、科学过程、科学能力和科学探索4个要素;科学素养包括认识科学的地位、作用,理解科学思想与行动,理解科学与社会的关系,具有科学媒介素养,理解科学的动力与信念;等等[3456]。综上所述,科学素养包括具有理解自然界所需的基本知识,掌握基本的研究方法;愿意并能够运用有关知识和方法描述自然现象、提出问题,能基于证据和逻辑得出结论、与人交流;具有批判性思维品质;具备尊重事实、理性质疑的精神,理解科学的本质,关注科学技术与社会的关系。

要探讨高中生物课程在发展科学素养方面的价值,需要先讨论生物学的本质。生物学之所以为生物学,在于研究的对象是自然界中的“生命”,生命是复杂的、多层次的、经亿万年进化而来的;在于研究的方法既符合科学的基本要求又有自己的特色;在于研究建立的知识,是一个相对独立的、自洽的、开放的、发展的体系;在于具有生物学科独特的思想。生物学的本质决定高中生物课程的性质,也决定高中生生物课程在发展科学素养方面的价值(表1)。

1 高中生物课程在发展科学素养方面的价值

素养要素

具体内容

生命观与生物学观点

知道生命是什么、生命活动如何进行、生命为什么会这样;了解科学共通概念,加深对自然界的理解;形成进化观、生态观等基本观点

探究兴趣与能力

对探索自然奥秘感兴趣;掌握基本的科学方法,具有批判性思维品质;能提出科学问题,寻求证据、合理解释;在探究过程中能与人良好地合作交流

科学态度与精神

具有尊重事实的科学态度和理性质疑的科学精神,理解科学的本质

实践意愿与行动

愿意并能在社会生活中运用所掌握的知识、方法解释生命现象,做出合理的决策,关注生物学与社会的关系,关注并以行动维护自身健康

由于只有必修课才是全体高中生都要学习的,高中生物课程在全体高中生发展科学素养方面的价值基本是靠必修来实现。因此要特别规划好哪些应当必修,哪些应当选修,要关注重要内容列为选修会不会造成很大一部分高中生核心素养的残缺。

二、知识内容的选择

1.涵盖理解生命必需的基本概念

生物学基本知识包括什么?我们可以从以下两个途径去考察。一是借鉴国内和国际上正在使用的大学普通生物学教材。考察可知,其基本内容都包括生命的物质基础,细胞,植物与动物的结构、功能、生殖、发育,物质、能量代谢,调控,遗传与变异,进化,生物多样性,生态学等。二是参考生物学哲学对生物学知识的提炼。迈尔认为,生物学的基本任务是研究生命系统的结构、功能,生命的过去、现在和未来[7]。美国国家科学院研究理事会提出,二十一世纪新生物学依赖于从各个学科整合而来的知识,以促进对生命系统的理解[8]。我们可以由此总结:生物学基本知识的核心指向是理解生命。具备哪些知识才能理解生命?我们可以从回答生命“是什么”“怎么样”和“为什么[9]这样3个基本问题所需去阐述。

2 理解生命应该能回答的3个基本问题

问题

需要用到的相关知识

生命是什么?

生物多样性、分类,生命的本质特征、生命系统的结构层次(包括组成细胞的分子,细胞的结构、功能,种群、群落、生态系统)。

生命活动怎样进行?

基因的本质以及从基因到蛋白质的过程,细胞的生活需要物质与能量,细胞分裂、分化、凋亡,减数分裂、受精及胚胎发育,个体新陈代谢、稳态以及调控过程,遗传、变异,种群的动态变化、群落的演替、生态系统的运转。

生命为什么是这样?

近期原因:基因与环境的相互作用;终极原因:生物进化的结果。

3大问题中每个问题又包括多个层次的问题。回答这些问题所构成的基本内容框架主要是什么呢?迈尔曾经说过,生物学的进展大多是概念(或原则)发展的结果。可见,生物学知识的主体是一个概念体系,生物学核心概念是框架。强调“核心”,“精”是本质,“少”是外在表现。怎么精选核心概念?一是借鉴国际经验。英国、美国课程文件和PISA 2015 科学框架图关于生物学核心概念的叙述见表3[10,11,12]这几份文件内关于生物学核心概念的内容虽然表述各异,但都可以由共同点构成交集。

3 英国、美国、PISA2015文件中的生物学核心概念

 

列出的核心概念

英国:科学学习项目

生命的分子基础、细胞形成组织、系统、生物体

光合作用、呼吸作用

生物体相互依存,并且与环境相适应

种群、群落和生态系统

基因组与环境的相互作用

自然选择、进化和多样性

美国:K-12 年级科学教育框架

从分子到生命体:结构和过程

生态系统:相互作用、能量和动力

遗传:性状的遗传和变异

生物进化:统一性和多样性

PISA 2015 科学框架图

细胞(结构与功能、DNA、植物和动物)

生物体

人体健康、主要系统和它们的相互关系

生态系统

生物圈

种群(物种、进化、生物多样性、可遗传的变异)

 

二是考察我国现有高中生物课程的现实与历史。近年在相关机构开展的对现行高中生物课程标准的调研中,很多专家都提出,除了目前已有的分子、细胞、遗传、进化、稳态、环境等核心概念,还应增加新陈代谢、发育等方面的内容。

综上所述,我们提出,高中生物必修应涵盖细胞、新陈代谢、稳态与调节、生态系统、遗传与变异、进化等概念(表4)。

4 高中生物必修应涵盖的生物学核心概念

基本问题

生物学核心概念

具体内容

生命是什么?

生物多样性及分类(生物类群的形态、结构、分类,初中已安排,高中可不再安排)

细胞

包括组成细胞的分子,细胞的结构、功能,细胞构成生物体(延伸介绍生命系统的层次)

生命活动怎样进行?

细胞的生活需要物质与能量,细胞的分裂、分化、凋亡

新陈代谢

新陈代谢的主要过程及其物质变化、能量转换

稳态与调节

稳态是生命系统的基本特征,稳态通过调节而实现,维持稳态是维护健康的基本条件

生态系统

生物依存于环境,并能与环境相互作用,生物与环境组成生态系统;种群的动态变化、群落的演替、生态系统的运转

遗传与变异

生物的遗传、变异,减数分裂,生物的生殖与发育

生命为什么是这样?

基因与环境相互作用,是生命现象发生的直接原因

生物进化

生物的多样性、适应性是进化的结果,生命现象发生的根本原因是生物进化

考虑必修学分、学时减少的现实,必修部分可以适当降低核心概念包括的下级概念的深度、广度的要求,但上述六个核心概念都是必修内容所不可缺少的,不可以将某些核心概念列入选修。面对类似问题,我国台湾地区高中生物课程就是按照这一思路设计[13]。生物学的发展很多时候是在发现事实和发展概念,必修课程缺席的基本事实和核心概念,学生难以从其他概念推演而得到,因此,生物学必修课程中保持上述核心概念的相对完整显得尤为重要。放眼世界,发达国家和地区的高中生物课程,还几乎没有将生命活动的调节、生态学等内容整体放到选修的做法。

需要强调的是,这里讨论的是生物学核心概念,考虑的是生物学的独特性。生物学与科学通用概念的关系,我们将在后文讨论。

1.以生物学思想整合概念形成网络

理解生命需要以上述核心概念及其下级概念为基础,但是这些概念需要相互关联形成概念网络才具有解释力,整合这些概念需要生物学思想。高中生物课程里需要特别关注的生物学思想主要有进化思想、系统论与生态学思想,它们是沟通核心概念的桥梁,也是生物学的灵魂(图1)。

1 生物学思想与核心概念的关联

生物学里最核心的思想是“进化”。“现代的生物进化理论,为人们理解生命的历史、各种生物之间的关系、以及生命依赖于物理环境提供了统一的准则,生物进化的概念提供了将大部分生物学知识构建成一个整体的框架 [14]。甚至有人说,生命就是自然选择作用下的物理、化学现象 [15]。渗透进化思想的课程,就不仅要介绍进化理论,还注意以进化思想贯穿各概念,发挥“进化”在解释生命现象“终极原因”时的解释力。

生态学思想与系统论思想的关系非常密切,二者有时甚至难以区分。系统论认为系统是物质存在的普遍形式,系统具有整体性、层次性和动态性 [16]。生态学从整体性角度,研究不同层次和等级生命系统与环境的相互作用 [17] 究方法上以整体性为核心从整体上思考突出生态综合重视非线性复杂现象为基本特征[18]高中生物课程中渗透系统论思想与生态学思想,落实在让学生认识生命系统的层次性、整体性,尝试系统分析局部与整体、生命与环境的关系,关注从细胞、个体到生态系统等各层次生命系统物质、能量变化和信息的传递;在理解生命的繁衍、进化时,将生物放到与其他个体、群体以及环境的关系中去理解;学习遗传现象与规律时,理解遗传不但是个体的,更是群体的。

当前,中央正在提倡以生态文明理念推进美丽中国建设,“生态”得到了前所未有的重视,高中生物课程理应强化生态学内容和生态学思想。

2.建立生物学概念与科学通用概念的联系

生物学属于自然科学,生物学概念与科学通用概念广泛联系在一起科学通用概念搭建物质科学、生命科学、地球与空间科学等学科之间的桥梁[19]。美国《K-12科学教育框架》提出的跨学科的通用概念包括以下7个。模式;原因与结果:机制与解释;尺度、比例和数量;系统与系统模型;能量与物质:流动、循环和守恒;结构与功能;稳定性与变化。英国科学学习项目提出的大概念(ideas)是:概念模型和理论;结果与原因;变化与相互作用;科学研究过程;量化分析等[20]。理解这些通用概念有利于学生更好地理解生物学、理解科学。有学者探讨过高中生物课程如何融入跨学科概念[21]。高中生物核心概念既应该、也可以与通用概念建立联系(表5)。

5 生物学概念与科学通用概念之间的关系

通用概念

与生物学概念学习的关系

模式(事物形态、表现方式与分类)

细胞的多样性与分类、细胞周期、碱基序列与基因、生物的性状、群落与生态系统的类型,等等。

原因和结果

基因决定生物的性状,进化与生物多样性、统一性,等等。

模型

双螺旋结构模型、细胞结构模型、种群增长模型,等等。

系统与相互作用

结构与功能

从分子、细胞、器官、系统、个体,到生态系统各层次,均包含结构与功能的关系。

物质、能量、信息

基因、DNA、细胞的结构与功能、免疫系统的组成与功能、生态系统的结构与功能等,都与物质、能量、信息等有关。

稳定与发展、变化

细胞的生命历程,稳态与生命活动的调节,生物个体的发育,群落的演替、生态系统的稳定与发展变化,等等。

建立生物学概念与科学通用概念的联系,课程文件可以是提出大致要求,具体落实可以靠教材。教材在阐述生物学概念时,可以是隐含的方式,也可以设置相应栏目总结提炼出科学通用概念,提示学生予以关注,注意引导学生在科学探究时运用科学通用概念(有些通用概念本来就属于科学方法范畴)。

三、活动内容的设计

1.整体规划科学方法教育的内容

科学探究能力是科学素养的基本组成要素。科学探究能力是一种科学思维和科学推理能力[22]。科学思维、科学推理需要以科学方法为基础。现有高中生物课程标准有11条有关科学方法的描述。现行的人教版高中生物教材也对科学方法教育的内容做了较系统的规划[23]。不过,有关科学方法的教育内容值得进一步系统规划。科学方法应该包括以下3类。一是获取科学事实的方法,如观察、实验、调查、模拟。二是逻辑思维的方法,如分析与综合、抽象与概括、比较与分类、归纳与演绎等。三是批判性思维方式的关键特征,如思维的清晰、准确、逻辑、完整、公正等[24]。课程文件可以对科学方法的内容、功能、价值做更系统、全面、具体的描述,教材也可以对科学方法教育进一步系统规划、分清层次、理清先后关系,既系统设计又分步落实。

科学方法的掌握,关键是会应用。科学方法的教育途径,一是渗透在生物学史的介绍之中,二是在观察、实验、模型建构等活动中应用。由于实验、探究的教学是高中生物课程中的难点,以下就此重点展开。

2.系统设计学生实验、探究等学生活动

国际上一般认为科学实验可以促进科学教育以下目标的实现:理解科学概念,兴趣与动机,科学实践技能和问题解决能力,科学思维习惯,理解科学的本质,科学探究和理性的方法,科学知识在日常生活中的应用[25]。可见,实验教学的价值是多样的。

我国高中生物实验、探究教学现状如何?调查可知,一多半学校平均每个必修模块才做2次实验、探究甚至更少;有的实验开出率为0,如低温诱导植物染色体的加倍[26,27,28]。教学中开展了的实验、探究的效果也未必好。引起实验教学问题的原因,既有现实条件的限制,也有课程规划方面的问题。必修课里的实验、探究有必要进一步完善。

从现有活动是否充分的角度去考虑,现有的实验、探究还主要是服务于、依托于知识,缺乏从科学思想、方法教育和探究能力培养出发的系统规划。特别是几乎没有真正的问题解决的探究,而解决问题的能力实际上是科学素养的核心。加上有些实验、探究未真正实施,实验教学的价值实现比课程设计的还要打折扣。从现有活动是否都必要的角度分析,并不是所有实验、探究都有教育价值,需要综合评估每个活动的价值、意义。例如,我们可以尝试从以下三方面考察其教育价值(表6)。

6 实验、探究的教育价值分析思路

实验内容

教育价值分析

活动所获得的经验与建立概念的层级

科学方法、科学思维

科学态度、科学精神

观察根尖分生组织细胞的有丝分裂

1级 细胞

2级:细胞通过分裂产生新细胞

  3级:细胞分裂的过程

显微镜操作、临时装片制作,观察、比较

实证、逻辑

低温诱导植物染色体的加倍

1级 细胞

2级:细胞通过分裂产生新细胞

3;细胞分裂过程

4:染色体加倍的原因

5:低温可诱导染色体加倍

显微镜应用、临时装片制作,观察、比较

实证、逻辑

分析可知,“低温诱导植物染色体的加倍在概念建构方面的价值不高,在科学思维、科学精神教育方面也与其他实验类同。再考虑这个实验难开展、效果差,可以舍弃。

其次,实验、探究的目的要有知识,但是不局限于知识。即便是就知识而言,也不但要关注验证结论、探究知识,还应运用知识解决问题;不但考虑与单一的知识建立联系,也考虑知识综合应用的问题解决。可以考虑每学期学完基本知识之后给学生一次真正的问题解决的探究体验,突出探究的问题性、知识运用的综合性、问题解决途径的多样性。

除了实验、探究之外,课程文件和教材中所提供的学生活动可以适当丰富,可以规划多侧面的活动,系统化、整体化、分层次设计形成一个整体[29]。从教材编写的角度看,可借鉴某些教材做法设置实验、快速实验、探究活动、深度探索等类型[30]。当然,考虑到高考、学业水平考试的需要,课程文件应对必须做的实验和拓展的实验予以明确的标注。必须做的实验,是价值高、有普遍适应性、易开展的实验,以100%的实施为目标;拓展、选择类的活动则明确阐述可以灵活掌握。

再次,学生活动规划要立足生物学科,又应有跨学科的大科学视野,也就是说,实验、探究的设计应有跨学科的视角,强调活动中的综合科学思维。美国《新一代国家科学教育标准》中,不对具体的生物学实验做规定,而是结合具体学习内容,围绕着提出科学问题、描述工程问题,创设和使用模型等8类科学与工程实践做出要求[31]。这给我们很多的启示。

3.更加强调学生在活动过程中的知行合一

在学生活动过程中强调知行合一,整合知识、方法,是理解概念、掌握方法、提高能力的有效途径。美国《K-12科学教育框架》强调必须把学科核心概念、跨学科概念、科学与工程实践三个维度有效整合[32]。怎样整合?我们可参考英国约克大学的PACKS项目组提出的科学探究能力模型(图2[33]。这个科学探究能力模型给我们的启示是:我们可以在课程文件、教材中,明确探究、实验流程中各项行为所对应的能力要求,从而给学、教、评等给予更明确的指导信息,帮助学生在完成活动时真正在“做”中有“思具体说,在提出科学问题阶段,能说出提出问题的依据,可客观地评价问题的探究价值;在解决问题时,知道选择观察、测量、实验等途径来获取证据,能运用已有的科学知识、根据科学规范要求设计探究方案,正确地操作,获取证据;在陈述结果阶段,可以客观地陈述事实、描述结果;在得出结论阶段,能依据结果,得出符合逻辑的结论,并评价结论的可靠性。

2 PACKS科学探究能力模型

 

 

四、科学本质教育的渗透

科学是科学知识、科学方法和科学精神三个方面组成的一个不可分割的有机整体。帮助学生理解科学的本质、树立科学态度、发展科学精神是高中生物课程责无旁贷的义务。

关于科学的本质,美国较早就出现了研究和讨论。AAAS( 1989) 就从科学的世界观科学探究科学事业这3个方面做了详细阐述[34]McComas( 1998)总结了科学的本质,要点是:科学知识是可信的同时又是试探性的科学知识非常(不是完全)依赖于观察、实验证据、理性的辩论和质疑不存在一种做科学的唯一方法科学试图解释自然现象观察建立在理论的基础上科学和技术相互作用科学观点受社会和历史背景影响;等等[35]。近十年来,国内中学教育界对科学的本质问题已经有不少讨论[36,37]。目前广为认可的科学的基本特点是:以实证为判别尺度以逻辑作论辩的武器,以怀疑作审视的出发点[38]。让学生理解科学的本质,重点是要让学生理解科学的这些本质特点。

理解了科学的本质,树立科学态度、发展科学精神就有基础。科学精神是本体论承诺科学态度是认识论承诺[39]。二者有密切关联,本文不拟对它们作明确的细分,仅从培育科学精神的角度讨论。科学精神至少包含以下六大要素:“客观的依据理性的怀疑多元的思考平权的争论实践的检验宽容的激励[40]。高中生物课程在培育学生科学精神方面,重在引导学生建立尊重实证、寻求论证逻辑的严谨以及发展理性的怀疑精神,形成多元思考、平等讨论的意识和宽容的品质。

课程文件中可以更明确科学本质的内涵、科学精神的要素,提出理解科学本质、培育科学精神的基本途径。教材可以结合具体内容渗透科学的本质和科学精神。例如,在科学实验、探究活动中重视引导学生理解证据的作用,强调运用证据和逻辑去质疑、辩论;通过生物科学史引导学生理解科学知识的开放性;在阐述理论、观点、规律时,提供事实证据,呈现由事实到观点、规律、理论的逻辑过程。

发展核心素养的课程更关注元素的整合,因此高中生物必修内容的变革,要特别注意多维整合。一方面要将知识内容、活动设计进行整合,将知识、能力与态度的教育进行整合。另一方面,要从整个高中教育的视角去看生物课程。教育的目的,是让学生学会认知、学会做事、学会共处、学会做人(发展)、学会改变[41]。高中生物课程内容的变革,应该也可以为学生的终身发展提供更丰富的“营养”:让学生既学习知识又经历知而识之的过程,并在知而识之的过程中学会认知和合作共处;内化的知识、能力与态度可以迁移运用于生存和发展;生态学思想可以迁移到生活中的平等合作、和谐共处;系统论思想、进化思想可迁移为对开放交流、发展、改变的深刻认同。

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