“三重表征”理论在生物学基因分离定律教学中的实践

闫白洋

摘   要“三重表征”中宏观、微观和符号的表征及相互转化对培养学生科学思维有着重要的作用。本文以生物学科基因分离定律的教学为例，介绍“三重表征”在教学中的体现，并指出在基因分离定律教学中可采取“宏观切入-微观分析-符号表征”和“符号表征-微观预测-宏观验证”的方式，促进学生科学思维的发展。

关键词  三重表征 科学思维 基因分裂

随着各个学科《普通高中课程标准（2017年版）》的颁布，新一轮的教学改革拉开了帷幕。此次教学改革围绕“立德树人”的根本任务，在学科教学中发展学生的核心素养。生物学核心素养包括生命观念、科学探究、科学思维和社会责任。其中科学思维是支持学生获取新知识，使用新知识，形成生命观念和科学探究所必需的品质。因此，库恩认为，发展学生的科学思维是教育的核心，也是发展学生智力的目标[1]。本文尝试以基因分离定律的教学为例，利用“三重表征”理论进行提升学生科学思维的教学实践，希望为培养学生科学思维素养的教学提供参考。

一、“三重表征”理论在生物学科教学应用的依据

表征是认知心理学的核心概念之一。表征系统是人们知觉和认识世界的一套规则。著名认知心理学家布鲁纳认为，表征方式包括：表征直接观察的现象、通过“迁移”方式表征物体或事件、利用符号来表征现象或原理。布鲁纳认为，学生的认知过程就是通过直接观察到“迁移”表征到符号表征的发展过程，是表征系统逐渐形成并完善的过程[2]。这一理论是符合人類认知发展规律的。

“三重表征”理论是由苏格兰格拉斯哥大学科学教育中心的约翰斯顿教授提出的，认为化学课程的学习要注重宏观、微观和符号三个水平，以及相互之间的转化。约翰斯顿还认为，生物、物理等课程的学习也可以应用“三重表征”理论[3]。生物学科是一门研究生命现象及其规律的学科，不仅要研究生命的形态、行为等可观察的宏观现象，也要研究解释宏观现象的细胞、分子等微观现象，并要用特有的生物学符号进行表征。生物学的学科特点决定了生物学科的学习必然要从宏观、微观和符号等水平进行多重探究，进而形成宏观、微观和符号的“三重表征”，并建立三者之间的联系及转化（见图1）。

二、“三重表征”理论在生物学科中的体现

对于生物学科学习而言，“三重表征”是指“宏观-微观-符号”三类知识在头脑中的加工过程和储存形式。一方面，它是认知结果在大脑中的储存形式[4]。另一方面，它是学生在大脑中构建、组合、表示当前学习的知识，并将其组成有机整体，形成内在联系的认知活动过程[5]。在此过程中，学生要能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法进行论证和探究，这正是生物学核心素养中科学思维的实质。如果学生利用“三重表征”理论进行生物学概念的学习与建构，并熟练地利用恰当的方式进行微观、宏观和符号信息的转化，必然能够促进学生科学思维能力的提升，更有效地掌握知识，分析问题和解决问题。

1.宏观表征

宏观表征是宏观现象在学生大脑中的呈现方式，包括可观察的宏观事物或现象。生物学科中的宏观表征是由生活中的生命现象或实验结果在学生头脑中的反映形成的。例如，秋冬季节植物叶片变成黄色，黄山迎客松的向光生长，不同温度（pH）下淀粉、淀粉酶和碘液混合后出现的颜色差异，去除大脑的牛蛙脚趾放入盐酸中的反应，黄色圆粒豌豆和绿色皱粒豌豆杂交后代的表现型等。宏观表征是由学生通过观察、实验等方式获得的宏观的生物学现象，能够引起学生的学习兴趣，激发学生的探究潜力。宏观表征的具体性，使学生在真实问题情境中很容易识别和再现。

2.微观表征

微观表征是微观现象在学生大脑中的呈现方式，在生物学科中主要是指不能通过直接观察或实验获得的细胞结构、分子组成、化学反应和机理等微观信息在学生大脑中的反应。微观表征不是简单的现象描述，而是理性地、深入地对现象的认识和理解，它是在认知概念基础上经过科学探究实现的。在此过程中，归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维等科学思维至关重要。微观表征的形成是宏观表征由感性向理性思维的上升。例如，秋冬季节植物叶片变成黄色的微观解释是叶肉细胞中4种色素含量受温度影响差异，黄山迎客松的向光生长微观解释是单侧光下生长素向背光侧运输，不同温度（pH）下淀粉、淀粉酶和碘液混合后出现的颜色差异的微观解释是淀粉酶在不同温度（pH）下蛋白质空间结构变化等。

3.符号表征

符号表征是用符号来实现信息在学生大脑中的呈现，具有抽象性和概括性，是较为高级的表征方式。在生物学科中，符号表征主要是利用生物学特有的字母、图形等符号表示宏观或微观现象和规律。符号表征是将宏观和微观信息抽象、概括为最简炼的符号信息。例如，DNA→mRNA→蛋白质（遗传信息的表达）、XBXb×XBY→F1：XBXB∶XBXb∶XBY∶XbY=1∶1∶1∶1、光合作用暗反应符号表征（见图2）等。生物符号是用简洁的方式记载着丰富的生物学知识与信息，用直观的形式揭示着生命体内变化的规律和机理，只有准确地利用生物学符号对生物学宏观和微观现象进行分析和表达，才能更好地建构生物学科知识，提升学生生物学核心素养。

三、“三重表征”理论在生物学科中的教学实践

基因的分离定律是《普通高中生物学课程标准（2017年版）》模块2中大概念“遗传信息控制生物性状，并代代相传”的内容，也是上海《生命科学》教材第三册第八章的内容，在高中生物教学中有着重要的地位。此节内容首先通过观察、阅读和实验等手段获得紫花豌豆和白花豌豆杂交试验后代表现型的宏观事件，运用遗传信息、减数分裂等微观信息分析与解释宏观事实，并利用符号进行表达。其次，根据基因分离定律，结合微观信息和符号表达对杂交结果进行预测与分析，通过实验等方法对预测进行宏观证实或证伪。最后，编拟一套生物学符号或术语来表示基因分离定律的事实、规律与理论。综上分析，在基因的分离定律教学中可以采取“宏观切入—微观分析—符号表征”和“符号表征—微观预测—宏观验证”的生物学知识表征方式及相互转化方式，在此过程中促进学生科学思维的发展。

1.宏观切入—微观分析—符号表征

基因分离定律教学设计均以学生为主体，教师的作用是提供资源、评价、矫正，重点关注学生科学思维方式的提升。首先，根据教师提供的“孟德尔试验中的紫花豌豆和白花豌豆杂交的试验过程及结果”等多个一对相对性状的杂交试验，展示方式可以是動画或者图片，学生归纳概括，表述一对相对性状杂交试验的规律，并进行宏观表征，让学生认识到生物学规律或概念都是基于科学事实经过论证形成的。然后，教师引导学生根据基因本质、基因通过控制蛋白质合成控制生物性状、等位基因位于同源染色体上、减数分裂中同源染色体的行为、减数分裂形成配子过程、精卵随机结合的受精过程等微观现象引导学生利用推理与演绎、批判与创造等科学思维方式对宏观现象进行解释，形成微观表征。最后，利用“P”“×”“？茚”“F1”“F2”“→”等遗传学独特的符号进行符号表征一对相对性状杂交试验的过程与机理。具体教学流程见图3。

2.符号表征—微观预测—宏观验证

通过“三重表征”之间转化实践基因分离定律的验证。首先，以孟德尔的高茎豌豆和矮茎豌豆测交试验为资料设计真实情境，学生在问题情境中运用适当的思维方法进行情境问题的符号表征。然后，利用基因分离定律、基因本质、减数分裂时染色体的行为、雌雄配子随机结合、细胞的分裂与分化等微观信息对情境中子一代高茎与矮茎进行杂交，后代高茎和矮茎的比例进行预测、表达和阐明其内涵。最后，利用真实的子一代高茎和矮茎杂交试验结果∶高茎豌豆30株，矮茎豌豆34株，结果接近1∶1，通过宏观表征进行结果验证。具体教学流程见图4。

四、“三重表征”理论教学实践反思

在基因分离定律教学中，“宏观—微观—符号”三重表征及相互转化需要学生在新的问题情境中，基于事实和证据，采用归纳与概括、演绎与推理等适当的科学思维方法去宏观表征、微观表征，并相互转化，从而揭示基因的分离定律，同时利用遗传学符号进行表征和表达，阐明其内涵。经过课堂教学实践发现，“三重表征”理论的教学能够促进学生知识的结构化，激发学生的探究意识，提升学生的科学思维素养。

在生物学教学中，除了基因分离定律之外，膝跳反射的原理、中心法则及补充、伴性遗传定律、基因的自由组合定律、基因的连锁互换定律、微生物抑菌过程等内容均涉及到宏观、微观和符号的表征及相互转化。因此，“三重表征”理论在生物学教学中具有重要价值，需要一线教师不断地去探索、实践和完善。

参考文献

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

[2] 纪新慧.高中生化学三重表征思维方式的培养研究[D].济南：山东师范大学，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] 张丙香，毕华林.化学三重表征的界定及其关系分析[J].化学教育，2013（03）.

[5] 毕华林，亓英丽.高中化学新课程教学论[M].北京：高等教育出版社，2005.

[6] 李宜芸，李雪峰.基于MAS问题编码的高中生生物学伴性遗传三重表征转换能力诊断[J].生物学通报，2017，52（11）.

【责任编辑  郭振玲】