王銘志

摘 要 闡述了學(xué)生的概念認知結(jié)構(gòu)類似于耗散結(jié)構(gòu)，學(xué)生的概念轉(zhuǎn)變是一個從“無序”的迷思概念到“有序”的科學(xué)概念的過程。教師要充分了解學(xué)生的迷思概念，利用小組討論、探究實驗或反例等引發(fā)學(xué)生的認知沖突和漲落，并通過概念圖促進學(xué)生的自組織，進而實現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變。為保證概念的穩(wěn)定理解，教師還需幫助學(xué)生對概念進行跟蹤式的鞏固復(fù)習(xí)。

關(guān)鍵詞 耗散結(jié)構(gòu)理論 概念轉(zhuǎn)變 教學(xué)策略 生物學(xué)教學(xué)

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

1 引言

1969年，比利時科學(xué)家伊利亞·普利高津提出耗散結(jié)構(gòu)理論，并于1977年獲得諾貝爾化學(xué)獎。普利高津認為一個開放的非線性系統(tǒng)在不斷的物質(zhì)和能量的輸入達到閾值時，系統(tǒng)會從最初的無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行驙顟B(tài)，這種遠離平衡狀態(tài)的有序結(jié)構(gòu)稱為耗散結(jié)構(gòu)。耗散結(jié)構(gòu)形成的條件可概括為：系統(tǒng)是一個開放的系統(tǒng)；系統(tǒng)必須遠離平衡狀態(tài)；系統(tǒng)內(nèi)部存在非線性的相互作用；系統(tǒng)可以發(fā)生內(nèi)部漲落。耗散結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)完全是自組織的，人們無法創(chuàng)造耗散結(jié)構(gòu)，但可以創(chuàng)造出現(xiàn)耗散結(jié)構(gòu)的條件。

2 學(xué)生的概念認知結(jié)構(gòu)作為耗散結(jié)構(gòu)所具有的特征

2.1 認知結(jié)構(gòu)是一個開放的系統(tǒng)

建構(gòu)主義認為，人的學(xué)習(xí)不是封閉于個人頭腦中的過程，而是同周圍環(huán)境中的工具、符號、語言乃至人際關(guān)系等媒體和功能性資源的交互過程中生成的過程，學(xué)生的學(xué)習(xí)依賴于認知結(jié)構(gòu)。學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)一方面需要從外界環(huán)境輸入信息，作為具有自我能動性的個體，學(xué)生通過紙質(zhì)文本、視頻、廣播等途徑獲得大量的信息輸入；另一方面，學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)通過對信息進行加工，完成對外的輸出，即對抽象的理性問題或生活中一些實際問題的解決。因此，學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)必然是一個開放的系統(tǒng)。

2.2 認知結(jié)構(gòu)是一個遠離平衡態(tài)的系統(tǒng)

學(xué)習(xí)者無法解決世界上所有的問題。學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)與外部環(huán)境存在這樣一個矛盾，即問題解決所需要的知識與學(xué)生認知結(jié)構(gòu)中知識的不足或缺失之間的矛盾。這種矛盾導(dǎo)致學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)遠離平衡態(tài)，矛盾越大，認知結(jié)構(gòu)就離平衡態(tài)越遠。這種矛盾促使學(xué)生不斷地完善認知結(jié)構(gòu)，從而形成更高水平的認知結(jié)構(gòu)。另外，學(xué)生認知結(jié)構(gòu)中的各組成部分之間也存在較大差別，這種內(nèi)部組成部分間的差別也反映出學(xué)生認知結(jié)構(gòu)并非是一個由均一同質(zhì)的各部分所構(gòu)成的平衡系統(tǒng)。

2.3 認知結(jié)構(gòu)存在非線性的相互作用

認知結(jié)構(gòu)由認知形式、認知策略與方法、知識經(jīng)驗及其結(jié)構(gòu)、認知風(fēng)格和解悟認知等5個小系統(tǒng)組成。這五個小系統(tǒng)中還可細分為更小的組成部分。認知結(jié)構(gòu)的功能不等于各部分功能的簡單加和。在學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中，認知結(jié)構(gòu)的各組成部分之間存在復(fù)雜的相互影響和相互作用。這種復(fù)雜的作用說明認知結(jié)構(gòu)各組成部分之間存在極為復(fù)雜的非線性作用，而非簡單的線性作用。

2.4 認知結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在漲落

在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)受到很多信息的刺激，如文字、聲音、圖片等。在概念學(xué)習(xí)過程中，教師為學(xué)生提供了指向概念轉(zhuǎn)變的多種信息，創(chuàng)造出多元的對話活動和情景。這些外在刺激能夠使學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)發(fā)生微漲落。微漲落通過非線性的相干作用和連鎖效應(yīng)不斷放大，當(dāng)達到一定的閾值時，學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)就會巨漲落。此時，概念發(fā)生轉(zhuǎn)變，認知結(jié)構(gòu)的水平層次提高。因為閾值是可以通過試探性嘗試找到的，因此在教學(xué)中具有操作性。

綜上所述，學(xué)生的概念認知結(jié)構(gòu)具有耗散結(jié)構(gòu)特征，具備耗散結(jié)構(gòu)形成的必要條件。

3 耗散結(jié)構(gòu)理論視閾下的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)策略

概念轉(zhuǎn)變的過程類似于耗散結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)過程，學(xué)生獲得生物學(xué)概念的過程實際上就是經(jīng)歷從“無序”的迷思概念概念轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝行颉钡目茖W(xué)概念的過程。因為概念轉(zhuǎn)變是通過學(xué)生自組織實現(xiàn)的，因此教師在教學(xué)中需要創(chuàng)造學(xué)生概念轉(zhuǎn)變的必要條件，幫助學(xué)生自主構(gòu)建起對科學(xué)概念的理解，從而使學(xué)生實現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變。

以高中生物學(xué)概念“細胞呼吸”為例，耗散結(jié)構(gòu)理論視閾下的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)策略可以按以下環(huán)節(jié)進行。

3.1 充分了解學(xué)生認知結(jié)構(gòu)中的“無序”：迷思概念

學(xué)生認知結(jié)構(gòu)中的無序狀態(tài)是指學(xué)生所具有的迷思概念。迷思概念是學(xué)生在進入課堂學(xué)習(xí)前所具有的對某事物或事件不完全合理的認識、想法。學(xué)生迷思概念的無序體現(xiàn)在：（1） 迷思概念具有片面的、零碎的內(nèi)容，在知識聯(lián)系上缺乏適當(dāng)?shù)年P(guān)聯(lián)；（2） 學(xué)生面對情景不同的同一類型問題時，往往會有不同的解釋；（3） 有些迷思概念前后不一致，而有些迷思概念則十分穩(wěn)定，極難改變。在教學(xué)中，教師應(yīng)該調(diào)查和了解學(xué)生在學(xué)習(xí)“細胞呼吸”概念之前所具有的迷思概念，并做為教學(xué)的起點和突破口。

“細胞呼吸”屬于微觀的細胞水平的內(nèi)容，學(xué)生主要是通過教材和教師的介紹，獲得有關(guān)的了解。浙教版初中教材八年級下冊第三章第五節(jié)“生物的呼吸和呼吸作用”通過汽車內(nèi)部燃料與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的類比，向?qū)W生介紹了動物、植物和微生物體內(nèi)葡萄糖和氧氣發(fā)生反應(yīng)的呼吸作用過程。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對“細胞呼吸”具有以下迷思概念：

（1） 細胞呼吸是葡萄糖的氧化分解過程；

（2） 細胞呼吸的發(fā)生必須有氧氣的參與；

（3） 細胞呼吸的產(chǎn)物都是二氧化碳和水；

（4） 在動物、植物和微生物的體內(nèi)都可以進行葡萄糖與氧氣的反應(yīng)。

3.2 提出問題，小組討論，暴露學(xué)生的不平衡狀態(tài)

社會建構(gòu)主義強調(diào)概念的學(xué)習(xí)不應(yīng)只是強調(diào)個體心智的主動建構(gòu)，而更應(yīng)該兼顧社群和集體中的對話、互動和切磋。

在“細胞呼吸”的教學(xué)中，教師首先提出問題：細胞呼吸是否就是指細胞內(nèi)葡萄糖和氧氣發(fā)生的生化反應(yīng)呢？然后，組織學(xué)生以小組形式進行討論。因為初中教材中對呼吸作用介紹是通過類比汽車燃料與氧氣反應(yīng)呈現(xiàn)的，所以導(dǎo)致很多學(xué)生堅定地認為細胞呼吸的底物只能是葡萄糖。雖然有些小組的學(xué)生回憶起初中階段提到的三大能源物質(zhì)，但是由于缺乏細胞呼吸明確的概念內(nèi)容，難以大膽做出假設(shè)性的推斷。此時，教師給出“細胞呼吸”的概念：細胞呼吸就是細胞內(nèi)進行的將糖類等有機物分解為無機物或小分子有機物，并且釋放出能量的過程。然后，組織學(xué)生再次討論。因為有了概念的明確內(nèi)容作為依據(jù)，小組內(nèi)學(xué)生通過交流、討論，認識到糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等物質(zhì)的氧化分解都屬于細胞呼吸的范疇。

接下來，教師引導(dǎo)學(xué)生一起對“細胞呼吸”的概念進行解構(gòu)，找出概念的關(guān)鍵詞。教師對應(yīng)關(guān)鍵詞提出相應(yīng)的問題，繼續(xù)讓學(xué)生小組討論，并說出判斷依據(jù)（表1）。

學(xué)生對“分解”有不同的看法。教師可以提供有關(guān)化學(xué)知識作為“腳手架”，向?qū)W生解釋說明：物質(zhì)分解的化學(xué)反應(yīng)沒有氧氣參加依然可以發(fā)生，依然會釋放能量。

為了進一步幫助學(xué)生明確細胞呼吸的底物可以是多種類型的有機物，教師可以呈現(xiàn)糖類、脂肪和蛋白質(zhì)等食物分子分解的過程示意圖。

通過對“細胞呼吸”概念的解構(gòu)，教師可以幫助學(xué)生梳理出概念的關(guān)鍵要素，然后對應(yīng)概念的關(guān)鍵要素，設(shè)置相應(yīng)的問題，讓學(xué)生在對問題的思考和解決過程中加深對概念的整體理解。

3.3 通過探究實驗和反例，促使“漲落”，實現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變

耗散結(jié)構(gòu)理論認為漲落是耗散結(jié)構(gòu)的觸發(fā)器。漲落只有出現(xiàn)在遠離平衡態(tài)的區(qū)域時，才起到觸發(fā)器的作用。因此，教師在暴露出學(xué)生的不平衡狀態(tài)后，應(yīng)進一步創(chuàng)造條件促進其概念認知結(jié)構(gòu)的漲落。

對于細胞呼吸是否需要氧氣的問題，教師可以讓學(xué)生進行探究性實驗——“探究酵母菌的細胞呼吸的方式”。學(xué)生通過自主設(shè)置有氧條件和無氧條件，探究并檢測酵母菌在不同條件下的呼吸產(chǎn)物，最終得出實驗結(jié)論：酵母菌在有氧條件下產(chǎn)生二氧化碳和水；在無氧條件下產(chǎn)生二氧化碳和乙醇。學(xué)生通過探究實驗真實經(jīng)歷了的整個實驗過程，認識到細胞呼吸在有氧和無氧條件下都可以發(fā)生。因為有直觀、真切的實驗結(jié)果，學(xué)生“小漲落”形成“巨漲落”，從而推翻了之前的觀點：① 細胞呼吸的發(fā)生必須有氧氣的參與；② 細胞呼吸的產(chǎn)物都是二氧化碳和水。

為了進一步促進學(xué)生的理解，教師繼續(xù)提供反例材料：乳酸菌在無氧條件下可以使牛奶發(fā)酵成酸牛奶或奶酪。在此過程中乳酸菌能夠?qū)⑵咸烟前l(fā)酵成乳酸，具體反應(yīng)如下：C6H12O6→2C3H6O3（乳酸）+少量能量。學(xué)生通過分析，拓展了“細胞呼吸”的概念外延。學(xué)生通過總結(jié)，認識到在無氧條件細胞呼吸的產(chǎn)物可以是乙醇和二氧化碳，也可以是乳酸，呼吸產(chǎn)物的種類取決于生物的類型。

教師繼續(xù)提供專性好氧菌的例子：有些細菌如銅綠假單胞菌、放線菌等必須在較高濃度分子氧的條件下才能生長，它們有完整的呼吸鏈，以分子氧作為最終氫受體，沒有氧氣則不能生長。通過讓學(xué)生閱讀這樣的材料，他們能夠發(fā)現(xiàn)有些微生物只能進行需氧呼吸，從幫助拓展對細胞呼吸的認識。

此時，教師繼續(xù)追問：動物、植物和微生物都可以進行葡萄糖與氧氣的反應(yīng)嗎？再次，組織學(xué)生進行小組討論，然后發(fā)表觀點。經(jīng)過之前的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以比較充分地做出判斷：動物和植物可以進行需氧呼吸和厭氧呼吸；有些微生物既可以進行有氧呼吸，又可以進行厭氧呼吸，有些微生物只能進行需氧呼吸或厭氧呼吸。

3.4 建構(gòu)概念圖，促進學(xué)生的自組織

概念轉(zhuǎn)變是學(xué)生內(nèi)部認知結(jié)構(gòu)自組織的過程。概念轉(zhuǎn)變需要學(xué)生構(gòu)建起完整的概念框架。概念圖作為學(xué)生概念組織的體現(xiàn)和概念水平的評價途徑，可以促進學(xué)生對概念認知水平的提高。

教師引導(dǎo)學(xué)生先進行組間討論交流，小組合作畫出“細胞呼吸”的概念圖，然后各小組之間補充、修正，最終形成完整的概念圖（圖1）。

3.5 跟蹤式的鞏固練習(xí)或變式訓(xùn)練，維持科學(xué)概念的穩(wěn)定理解

耗散結(jié)構(gòu)理論認為耗散結(jié)構(gòu)需要持續(xù)的能量和信息的輸入才能保持其有序狀態(tài)。因此在概念教學(xué)中，長期跟蹤式的鞏固練習(xí)或變式訓(xùn)練是極為必要。這樣的長期鞏固復(fù)習(xí)能保證科學(xué)概念水平的穩(wěn)定，防止學(xué)生對科學(xué)概念的理解回到迷思概念的狀態(tài)。

鞏固練習(xí)或變式訓(xùn)練可以是對“細胞呼吸”某個概念要素的考查。這種類型的考查能夠幫助學(xué)生對概念關(guān)鍵要素的復(fù)習(xí)和理解。另外，鞏固練習(xí)或變式訓(xùn)練可也可以是開放的問題，例如細胞呼吸的意義是什么。這樣的問題只有在學(xué)生了解細胞呼吸的反應(yīng)物、過程和產(chǎn)物后才能做出回答，從而促進學(xué)生對概念的復(fù)習(xí)和理解。教師還可以提出：“動物、植物和微生物的細胞呼吸的異同點有哪些？”這樣的問題要求學(xué)生對整個細胞呼吸的過程進行詳細復(fù)習(xí)，回扣以往的知識點。這就保證對概念的持續(xù)穩(wěn)定理解。

4 小結(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論視閾下的概念轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變教學(xué)不是讓學(xué)生僅僅記住概念的內(nèi)容或概念涉及的一些生物學(xué)事實，而是要幫助學(xué)生摒棄迷思概念，并理解科學(xué)概念所包含的某些生物學(xué)事實的總體特征和規(guī)律的東西。教師需要創(chuàng)造概念轉(zhuǎn)變的條件，不斷地引發(fā)學(xué)生的認知沖突，促進漲落和學(xué)生自組織，建構(gòu)起合理的概念框架，最終促使學(xué)生從迷思概念到科學(xué)概念的概念轉(zhuǎn)變。為了保證學(xué)生對科學(xué)概念的持續(xù)穩(wěn)定的理解，教師需要提供多元的問題解決情景，長期跟進關(guān)注學(xué)生的概念水平。

參考文獻：

[1] 吳彤.耗散結(jié)構(gòu)理論的自組織方法論研究[J].科學(xué)技術(shù)與辯證法.1998，15（6）：19-24.

[2] 鐘啟泉.知識建構(gòu)與教學(xué)創(chuàng)新——社會建構(gòu)主義知識論及其啟示[J].全球教育展望.2006，35（8）：12-18.

[3] 李紅.論認知結(jié)構(gòu)——系統(tǒng)的分析[J].心理學(xué)探新.1988， （4）：45-48.

[4] 彭聰.我國概念轉(zhuǎn)變教學(xué)策略的研究綜述[J].教育導(dǎo)刊. 2015，（9）：54-57.