黃小斌
[摘 要]學(xué)生解答高考生物學(xué)試題時(shí),會(huì)因畫(huà)不對(duì)能量流動(dòng)示意圖而不得分,這一情況暴露出以下問(wèn)題:教師教學(xué)設(shè)計(jì)的目標(biāo)性弱,教學(xué)重點(diǎn)偏離教材的焦點(diǎn)內(nèi)容;缺乏真實(shí)情境的承載,學(xué)生難以吸納自身已有的經(jīng)驗(yàn),無(wú)法有效建構(gòu)模型;學(xué)生死記硬背靜態(tài)模型,學(xué)習(xí)思維層次低。在進(jìn)行建模教學(xué)時(shí),教師可通過(guò)引發(fā)情感共鳴、搭建分析支架、提供循證機(jī)會(huì)、設(shè)計(jì)拓展活動(dòng),突破樸素模型的隱蔽性、實(shí)現(xiàn)建模教學(xué)的生成性、關(guān)注混合模型的變化性、凸顯科學(xué)模型的實(shí)用性,讓學(xué)生獲得“真素養(yǎng)”。
[關(guān)鍵詞]心智模型;建模教學(xué);生態(tài)系統(tǒng);能量流動(dòng)
[中圖分類(lèi)號(hào)]? ? G633.91? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058(2023)17-0077-04
一、問(wèn)題提出
2020年高考全國(guó)Ⅲ卷生物學(xué)試題第31題第(2)問(wèn)要求學(xué)生畫(huà)出湖泊生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的示意圖??己蠊俜劫|(zhì)量分析數(shù)據(jù)顯示,全廣西考生該題的平均分為4.67分,得分率僅為52%。生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)示意圖在高中生物學(xué)教材中就有,教師在課堂上也花了大量的時(shí)間進(jìn)行講解,但學(xué)生還是畫(huà)不對(duì)、不得分。高考評(píng)價(jià)理念已由“知識(shí)立意”“能力立意”評(píng)價(jià)向“價(jià)值引領(lǐng)、素養(yǎng)導(dǎo)向、能力為重、知識(shí)為基”綜合評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變。這不得不引起反思:課堂上教師怎樣教、怎樣引導(dǎo)學(xué)生學(xué)才能讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中獲得“真素養(yǎng)”?
二、原因剖析
高考生物學(xué)試題要求學(xué)生畫(huà)出生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)示意圖就是在考查學(xué)生在學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的相關(guān)知識(shí)時(shí),是否習(xí)得建模技能,形成科學(xué)思維素養(yǎng)。學(xué)生畫(huà)不對(duì)能量流動(dòng)示意圖而不得分,暴露出以下問(wèn)題。
其一,教師教學(xué)設(shè)計(jì)的目標(biāo)性弱,教學(xué)重點(diǎn)偏離教材的焦點(diǎn)內(nèi)容。教師沒(méi)有深入分析和領(lǐng)會(huì)教材的編寫(xiě)意圖,被輔導(dǎo)書(shū)“牽著鼻子走”,輔導(dǎo)書(shū)中的習(xí)題考什么上課就講什么。“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)”一節(jié)的練習(xí)中出現(xiàn)大量的能量計(jì)算題,因此部分教師在課堂上選用了很多繁雜的計(jì)算題,并花費(fèi)了大量的時(shí)間對(duì)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行講解,弱化了對(duì)能量流動(dòng)過(guò)程的梳理和歸納。殊不知,這些計(jì)算題本質(zhì)上還是在訓(xùn)練和檢測(cè)學(xué)生對(duì)能量流動(dòng)過(guò)程的理解。
其二,能量流動(dòng)知識(shí)過(guò)于抽象,沒(méi)有真實(shí)情境的承載,學(xué)生難以吸納自身已有的經(jīng)驗(yàn),無(wú)法有效建構(gòu)模型。能量是一種無(wú)形的存在,看不見(jiàn)也摸不著。人教版教材在敘述能量流動(dòng)的過(guò)程時(shí),并不是以學(xué)生熟知的生態(tài)系統(tǒng)或一條具體的食物鏈為例,而是以生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者等籠統(tǒng)地加以說(shuō)明。這樣的能量流動(dòng)知識(shí)對(duì)學(xué)生而言過(guò)于抽象,沒(méi)有真實(shí)情境的承載,學(xué)生難以吸納自身的已有經(jīng)驗(yàn),無(wú)法有效建構(gòu)模型。
其三,學(xué)生死記硬背靜態(tài)模型,學(xué)習(xí)思維層次低。教師在教學(xué)中往往把教學(xué)重心放在能量流動(dòng)示意圖中能量的來(lái)源、去路等原始模型內(nèi)容的分析上,把模型當(dāng)作靜態(tài)科學(xué)事實(shí)直接傳授給學(xué)生。學(xué)生死記硬背靜態(tài)模型,缺少自主構(gòu)建模型、應(yīng)用模型、修正模型等的嘗試,而這恰恰是學(xué)生思維發(fā)生碰撞而提升的機(jī)會(huì)。可見(jiàn),教師對(duì)建模教學(xué)的了解僅限于理論層面,運(yùn)用建模方法實(shí)施教學(xué)的實(shí)踐性差。
三、解決方案——以“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)第一學(xué)時(shí)”為例
(一)教材和課標(biāo)分析
“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)”是人教版高中生物學(xué)教材選擇性必修2第3章第2節(jié)的內(nèi)容。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》的內(nèi)容要求為:分析生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)在生物群落與無(wú)機(jī)環(huán)境之間不斷循環(huán)、能量在生物群落中單向流動(dòng)并逐級(jí)遞減的規(guī)律;舉例說(shuō)明利用物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)規(guī)律,人們能夠更加科學(xué)有效地利用生態(tài)系統(tǒng)中的資源;解釋生態(tài)金字塔表征了食物網(wǎng)各營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間在個(gè)體數(shù)量、生物量和能量方面的關(guān)系?!镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》的學(xué)業(yè)要求為:能夠使用圖示等方式表征和說(shuō)明生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息傳遞的過(guò)程和特征,并對(duì)相關(guān)的生態(tài)學(xué)實(shí)踐應(yīng)用作出合理的分析和判斷。
(二)學(xué)情分析
學(xué)生在本節(jié)課之前就對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的組成成分、食物鏈和食物網(wǎng)有了一定的認(rèn)識(shí),這為本節(jié)課生命觀念的形成奠定了基礎(chǔ)。同時(shí),學(xué)生通過(guò)“血糖調(diào)節(jié)”“種群數(shù)量變化”等內(nèi)容的學(xué)習(xí),初步掌握了建立概念模型和數(shù)學(xué)模型的步驟和方法,為本節(jié)課的探究活動(dòng)打下良好的基礎(chǔ)。
(三)教學(xué)目標(biāo)
(1)結(jié)合南湖生態(tài)系統(tǒng)的案例,探究并說(shuō)出生態(tài)系統(tǒng)能量的輸出、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失的途徑,形成結(jié)構(gòu)與功能觀。
(2)通過(guò)繪制南湖生態(tài)系統(tǒng)能量流經(jīng)單一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的示意圖、繪制生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)示意圖等探究活動(dòng),說(shuō)出能量流動(dòng)的特點(diǎn)及其原因,發(fā)展科學(xué)思維。
(3)根據(jù)能量流動(dòng)的現(xiàn)象和特點(diǎn),為保護(hù)南湖的生態(tài)系統(tǒng)提出可行性建議,形成社會(huì)責(zé)任意識(shí)。
(四)基于心智模型進(jìn)階的建模教學(xué)
本節(jié)課以家鄉(xiāng)的南湖生態(tài)系統(tǒng)為載體“一境到底”,圍繞課程標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容要求和學(xué)業(yè)要求展開(kāi)教學(xué)。在學(xué)生已有的建模水平的基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生依次進(jìn)行動(dòng)態(tài)的建?;顒?dòng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)心智模型的進(jìn)階(見(jiàn)圖1)。
心智模型是長(zhǎng)時(shí)記憶中的元素與外界環(huán)境或刺激物交互作用所產(chǎn)生的內(nèi)在表征,因此它會(huì)隨外在人、事、物等的變化而變化,具有動(dòng)態(tài)變化特質(zhì)。根據(jù)該模型理論,教師在課堂上可以按照如圖1所示的步驟,讓學(xué)生先表征樸素模型,再構(gòu)建混合模型,然后逐步完善修正混合模型,最終形成科學(xué)模型并應(yīng)用科學(xué)模型,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)心智模型的進(jìn)階。
1.調(diào)動(dòng)生活經(jīng)驗(yàn),表征樸素模型
【多媒體展示】廣西南寧市南湖公園的宣傳視頻。
【教師講述】南湖公園綠樹(shù)成蔭,鳥(niǎo)語(yǔ)花香,是廣大市民休閑散步的好去處。公園里一切生命的活動(dòng)都伴隨著能量的變化。南湖生態(tài)系統(tǒng)要保持相對(duì)穩(wěn)定,就必須實(shí)現(xiàn)能量收支平衡。
【教師提問(wèn)】南湖生態(tài)系統(tǒng)的能量來(lái)源和去路有哪些?請(qǐng)用文字和箭頭表示出來(lái)。
【學(xué)生回答】能量的來(lái)源有光能,能量的去路有以熱能的形式散失和用于日常生命活動(dòng)(見(jiàn)圖2)。
設(shè)計(jì)意圖:運(yùn)用多媒體展示學(xué)生熟悉的南湖公園的景觀,給學(xué)生帶來(lái)視覺(jué)的沖擊,引起情感共鳴;引導(dǎo)學(xué)生說(shuō)出自己對(duì)生態(tài)系統(tǒng)能量輸入和散失的看法,暴露學(xué)生關(guān)于能量流動(dòng)的前概念,表征樸素模型。
2.分析生命現(xiàn)象,構(gòu)建混合模型
【教師講述】南湖生態(tài)系統(tǒng)中存在著不同的食物鏈,能量流動(dòng)就是沿著這些路徑進(jìn)行的。請(qǐng)寫(xiě)出其中的一條食物鏈。
【學(xué)生活動(dòng)】書(shū)寫(xiě)食物鏈。
【實(shí)物投影】展示學(xué)生書(shū)寫(xiě)的食物鏈:草→蟲(chóng)→鳥(niǎo)→蛇→老鷹;草→蟲(chóng)→青蛙→蛇→老鷹,等等。
【教師提問(wèn)】以食物鏈“草→蟲(chóng)→鳥(niǎo)→蛇→老鷹”為例,該食物鏈所需能量來(lái)自哪里?
【學(xué)生回答】來(lái)自草光合作用吸收的光能。
【教師追問(wèn)】草吸收的光能通過(guò)光合作用發(fā)生了什么變化?
【學(xué)生回答】光能→ATP中的化學(xué)能→有機(jī)物中的化學(xué)能。
【教師追問(wèn)】草的有機(jī)物中的化學(xué)能又會(huì)發(fā)生什么變化?
【學(xué)生回答】草的有機(jī)物中的化學(xué)能經(jīng)過(guò)細(xì)胞呼吸,一部分以熱能的形式散失,另一部分儲(chǔ)存在積累的有機(jī)物中。
【教師追問(wèn)】?jī)?chǔ)存在積累的有機(jī)物中的能量用于草的生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖。若干年后,草的命運(yùn)可能是什么?能量又流向哪里?
【學(xué)生回答】草可能被蟲(chóng)吃掉,能量流向蟲(chóng);草也可能自然死亡變成遺體殘骸,能量流向分解者。
【教師講述】通過(guò)上述途徑,草獲得的能量就可能傳遞到下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)。請(qǐng)同學(xué)們將上述過(guò)程用文字和箭頭表示出來(lái)(見(jiàn)圖3)。
設(shè)計(jì)意圖:從一條具體的食物鏈入手,以具有邏輯關(guān)聯(lián)的問(wèn)題串為支架,引導(dǎo)學(xué)生分析能量輸入生態(tài)系統(tǒng)、經(jīng)由第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的傳遞和散失過(guò)程。學(xué)生根據(jù)教師的提示初步構(gòu)建出能量流經(jīng)第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的模型。該模型是學(xué)生的“樸素模型”和新習(xí)得的知識(shí)混合形成的,故稱(chēng)為“混合模型”。“混合模型”與實(shí)際情況并不完全相吻合,還需要修正才能稱(chēng)為“科學(xué)模型”。
3.演繹推理驗(yàn)證,修正混合模型
【教師提問(wèn)】蟲(chóng)獲得能量的方式與草相同嗎,為什么?鳥(niǎo)、蛇和老鷹等其他消費(fèi)者呢?
【學(xué)生回答】不同。草通過(guò)光合作用把光能轉(zhuǎn)化為有機(jī)物中的化學(xué)能而獲得能量。蟲(chóng)不能光合作用,只能通過(guò)捕食草攝取現(xiàn)成的有機(jī)物。其他消費(fèi)者獲得能量的方式與蟲(chóng)相同。
【教師追問(wèn)】蟲(chóng)捕食的草會(huì)被完全消化吸收嗎?還有什么去向?
【學(xué)生回答】不會(huì)。有部分未被吸收則形成糞便,最終被分解者分解。
【教師提問(wèn)】蟲(chóng)獲得的能量的去向與草相同嗎?
【學(xué)生回答】相同。都有呼吸散失熱能、被下一級(jí)捕食和自然死亡形成遺體殘骸流向分解者等三個(gè)去向。
【教師講述】消費(fèi)者捕食的能量可以用“攝入量”表示,攝入量=同化量+未同化量(糞便)。以蟲(chóng)為例,請(qǐng)同學(xué)們將消費(fèi)者獲得能量的方式以及獲得的能量的去向用文字和箭頭表示出來(lái)(見(jiàn)圖4)。
設(shè)計(jì)意圖:教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用混合模型1,演繹推理蟲(chóng)等消費(fèi)者獲取能量的方式和能量的去向,以驗(yàn)證混合模型1的正確性。學(xué)生發(fā)現(xiàn)消費(fèi)者獲取能量的方式和獲得的能量的去向與生產(chǎn)者并不完全相同,混合模型1不能直接套用到消費(fèi)者身上。進(jìn)而對(duì)混合模型1進(jìn)行修正,形成了與消費(fèi)者相符的混合模型2。
【教師提問(wèn)】鳥(niǎo)、蛇和老鷹等營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量去向都完全相同嗎?
【學(xué)生回答】老鷹是最高營(yíng)養(yǎng)級(jí),沒(méi)有流向下一級(jí)的去向。
【教師講述】除了最高營(yíng)養(yǎng)級(jí),其他消費(fèi)者獲取能量的來(lái)源和獲得能量的去路與初級(jí)消費(fèi)者完全相同,都可以套用上述的模型。
【教師提問(wèn)】請(qǐng)將第一次建立的能量流動(dòng)模型(見(jiàn)圖2)中的“南湖生態(tài)系統(tǒng)”拆分為五個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí),每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)用一個(gè)矩形表示,并將每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量來(lái)源和去路用文字和箭頭表示出來(lái)。
【學(xué)生活動(dòng)】畫(huà)出南湖生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)示意圖(見(jiàn)圖5)。
設(shè)計(jì)意圖:經(jīng)過(guò)對(duì)草、蟲(chóng)等消費(fèi)者獲取能量的方式和獲得能量的去向進(jìn)行逐一分析和比較,學(xué)生對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的每一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量的輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失有了清晰的認(rèn)識(shí)。教師順勢(shì)回扣課堂之初學(xué)生建立的樸素模型,使學(xué)生由單一營(yíng)養(yǎng)級(jí)轉(zhuǎn)向整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的分析。由部分到整體,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的過(guò)程有了宏觀的認(rèn)識(shí),建立了能量流動(dòng)的科學(xué)模型。
4.綜合活動(dòng)延伸,應(yīng)用科學(xué)模型
【教師提問(wèn)】
(1)指向每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的箭頭表示的是該營(yíng)養(yǎng)級(jí)的“攝入量”還是“同化量”?
(2)每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)指向分解者的箭頭有什么含義?
(3)一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)獲得的能量能否百分之百地流向下一營(yíng)養(yǎng)級(jí),為什么?
(4)能量能沿著與圖中箭頭相反的方向流動(dòng)嗎?為什么?
【課件展示】能量流動(dòng)的特點(diǎn):逐級(jí)遞減、單向流動(dòng)。
【布置作業(yè)】根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的過(guò)程和特點(diǎn),請(qǐng)對(duì)南湖公園的園林植物種植、南湖中魚(yú)類(lèi)投放等方面提出建議,并說(shuō)明其中蘊(yùn)含的生物學(xué)原理。
設(shè)計(jì)意圖:引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所建立的科學(xué)模型解釋生態(tài)系統(tǒng)能量的輸入和散失過(guò)程,并歸納能量流動(dòng)的特點(diǎn),逐步發(fā)展科學(xué)思維。通過(guò)課后作業(yè),讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決生產(chǎn)實(shí)踐中的問(wèn)題,為家鄉(xiāng)的湖泊生態(tài)系統(tǒng)提出可行性建議,形成社會(huì)責(zé)任意識(shí)。
四、教學(xué)反思
前面所述的種種問(wèn)題在建模教學(xué)中屢見(jiàn)不鮮,為了解決這些問(wèn)題,提高建模教學(xué)的效率,使學(xué)生獲得“真素養(yǎng)”,教師可通過(guò)模型建構(gòu)的“調(diào)·析·證·動(dòng)”四重表征,引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)模型(見(jiàn)圖6)。
(一)引發(fā)情感共鳴,突破樸素模型的隱蔽性
通過(guò)創(chuàng)設(shè)符合學(xué)生發(fā)展需要的環(huán)境,引發(fā)學(xué)生的情感共鳴,促使學(xué)生在現(xiàn)實(shí)環(huán)境和主體活動(dòng)的交互作用中獲得發(fā)展。認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)為,人在認(rèn)識(shí)客觀事物時(shí)總是以自己的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的。如學(xué)生在課前對(duì)南湖生態(tài)系統(tǒng)的能量輸入和輸出已經(jīng)有了自己的看法,即樸素模型。樸素模型是個(gè)體認(rèn)識(shí)世界的一種內(nèi)在表征,具有一定的隱蔽性,但對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)有很大的影響。熟悉的情境更容易引發(fā)學(xué)生的情感共鳴,激活學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn),暴露樸素模型;便于教師了解學(xué)情,幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)心智模型的進(jìn)階。
(二)搭建分析支架,實(shí)現(xiàn)建模教學(xué)的生成性
支架式教學(xué)是指為學(xué)生提供適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)線索或提示(即支架),讓學(xué)生通過(guò)這些支架逐步攀升,逐漸發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題。模型與建模是人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界的重要工具。建模教學(xué)不應(yīng)只是關(guān)注模型本體、把靜態(tài)的模型直接傳授給學(xué)生,而應(yīng)讓學(xué)生體驗(yàn)建構(gòu)模型的過(guò)程,學(xué)會(huì)建構(gòu)模型的方法。教師可通過(guò)問(wèn)題等支架,引發(fā)學(xué)生思考、探究、討論,讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中不斷地產(chǎn)生新問(wèn)題、建立新模型,有效實(shí)現(xiàn)建模教學(xué)的生成性。
(三)提供循證機(jī)會(huì),關(guān)注混合模型的變化性
循證的過(guò)程,是師生之間基于證據(jù)進(jìn)行研討和質(zhì)疑的過(guò)程,也是促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的過(guò)程??茖W(xué)發(fā)展的過(guò)程是一個(gè)不斷創(chuàng)建模型、檢驗(yàn)?zāi)P秃托拚P偷倪^(guò)程。建模教學(xué)中,教師應(yīng)讓學(xué)生像科學(xué)家那樣去經(jīng)歷類(lèi)似的過(guò)程。如教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用生產(chǎn)者能量輸入和輸出混合模型去解釋初級(jí)消費(fèi)者的能量輸入和輸出,學(xué)生發(fā)現(xiàn)原有的混合模型與新研究對(duì)象不符。教師再鼓勵(lì)學(xué)生改變自己的認(rèn)知,建構(gòu)新的混合模型。提供循證機(jī)會(huì),能讓學(xué)生根據(jù)研究對(duì)象的變化來(lái)調(diào)整混合模型,逐步建構(gòu)科學(xué)模型。
(四)設(shè)計(jì)拓展活動(dòng),凸顯科學(xué)模型的實(shí)用性
課堂的時(shí)間是有限的,但學(xué)生的求知欲卻是無(wú)限的。學(xué)生在課堂上經(jīng)過(guò)建模學(xué)習(xí)已經(jīng)初步感受了科學(xué)探究的過(guò)程。教師在課后應(yīng)針對(duì)性地設(shè)計(jì)一些與教學(xué)情境相關(guān)的拓展活動(dòng),使學(xué)生感受到知識(shí)最原始的狀態(tài),讓學(xué)生在新情境中遷移運(yùn)用科學(xué)模型,體會(huì)科學(xué)學(xué)習(xí)的價(jià)值,凸顯科學(xué)模型的實(shí)用性。
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