基于三重表征理论的生物学实验教学

摘 要：本文基于三重表征理论，以“无氧呼吸”部分内容为例，通过真实情境导入实验教学，从“宏观－微观－符号”三个维度引导学生设计实验，培养学生的创新精神和实践能力，进而达到提升学生科学思维和科学探究能力的目标。

关键词：三重表征理论；无氧呼吸；实验教学

文章编号：1003-7586（2024）07-0024-04 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

1 生物学三重表征理论的内涵

苏格兰格拉斯哥大学科学教育中心Johnstone教授首次提出，三重表征理论是基于科学学习的本质，即构建科学学习的思维层次三角形—宏观、微观、符号，以期降低科学学习的难度。［1］生物学作为一门研究生命现象及生命活动的科学，具有独特的表征与内涵。宏观表征指在生物学研究过程中，人类通过观察与实验，直接感知宏观的生命现象；微观表征指细胞的结构、生化反应和机理等人类难以直接观察到的生命现象；符号表征主要指利用生物学特有的模型、字母等符号解释宏观及微观的生命现象及规律。［2］三重表征理论指导生物学教学的过程是以生物学符号为工具，从宏观与微观相结合的视角认识生命世界。生物学的学科特点决定了其思维层次的推理应建立在感知宏观线索之上，如果没有观察与实验，概念的构建也将难以进行。

2 三重表征理论指导下的生物学实验教学模式

基于对三重表征理论及生物学实验教学的认识，本文归纳三重表征理论指导下的生物学实验教学模式（见图1）。其教学程序一般为：提出指向学科核心素养的核心问题—将核心问题拆分为子问题—从“宏观－微观－符号”三个维度设计子活动—真实情境中应用概念。教师在教学过程中开展多元性、持续性评价以检测和调控学习过程，实时跟进学习目标的达成情况及核心素养的发展水平。

在设计教学活动时，教师应始终关注学生生物学学科核心素养的发展情况，始终维护学生在课堂中的主体地位。

3 三重表征生物学实验教学模式的应用

3.1 前端分析，制定目标

人教版普通高中教科书《生物学·必修 1· 分子与细胞》（以下简称“教材”）第5章第3节主要包括：细胞呼吸的方式、有氧呼吸、无氧呼吸过程中物质和能量的变化，以及细胞呼吸原理在生产生活中的应用。从知识结构上看与前期所学细胞的生物膜系统、线粒体的结构与功能、物质的跨膜运输方式、酶、ATP等内容都有紧密的联系，同时又为后期学习光合作用等其他细胞代谢理论奠定基础。本节内容可以让学生更加深刻地理解细胞生命活动中物质与能量变化的内在联系，培养学生的物质与能量观。笔者为培养学生的实验探究能力，对本节内容进行了拆解和重组，将其扩充为三个课时，如表1所示。

第一课时教师带领学生利用酵母菌，探究其有氧呼吸过程中物质与能量的变化，归纳提炼有氧呼吸的实质和代谢过程。第二课时教师引导学生通过小组合作、讨论，自主设计实验探究酵母菌等常见微生物在无氧条件下的代谢反应，归纳总结无氧呼吸过程中物质与能量的变化。第三课时教师组织学生自主查阅资料，联系生活实际，交流分析生产生活中应用细胞呼吸的实例，增强社会责任意识。本文以第二课时“无氧呼吸”为例展开设计，力求通过对教学环节的详尽设计，引导学生探究无氧呼吸过程中物质与能量的变化，掌握无氧呼吸的原理。

3.2 教学目标

（1）能够合作设计并实施探究实验，阐明酵母菌无氧呼吸过程中物质与能量的变化，运用物质与能量观归纳无氧呼吸的概念（生命观念、科学思维、科学探究）。

（2）通过阅读教材，分析概括无氧呼吸场所及不同阶段的物质和能量变化，并能够从进化与适应的角度，分析无氧呼吸的意义（生命观念、科学思维）。

（3）探讨细胞呼吸原理在生活情境中的应用，认识适量运动的意义，认同科学的健康运动方式，崇尚健康生活（社会责任）。

3.3 问题剖析，任务规划

教师围绕“无氧呼吸过程中物质与能量发生怎样的变化”展开讨论，将核心问题拆解为七个子问题（见图2），根据问题逐一设计学生活动，引导学生完成任务，逐步解决问题，从而构建概念体系，突破教学重难点。

3.3 “宏观—微观—符号”课程设计

3.3.1 课前准备，布置任务，设计实验

教师课前布置探究实验题目，组织学生以小组合作的形式进行实验方案的设计和探究。学生以小组为单位，在探究酵母菌有氧呼吸的实验基础上，设计酵母菌无氧呼吸实验的探究方案，并在课堂上交流分享。

3.3.2 课堂引入，由宏观到微观

教师准备装有酵母葡萄糖混合液的密封装置，打开装置，让学生体验声音、气味等实验现象，引导学生结合生活实际提出问题。

教师引导学生回忆有氧呼吸过程中酵母菌的代谢方式，让学生举出对产物的猜想并提出以下问题：①酵母菌的无氧呼吸产物是否为酒精和二氧化碳；②二氧化碳的产生是在有氧还是无氧条件下；③所有生物是否都能在无氧条件下进行呼吸作用；④不同生物的无氧呼吸产物有何差异。

教师从学生提出的问题出发，利用生活中常见两种微生物，酵母菌和乳酸菌，探究其无氧条件下的代谢过程。教师通过宏观的生活现象导入，引导学生对微观的生命活动原理产生疑问，搭建“宏观－微观”的思维桥梁。在此过程中，学生通过观察现象，提出有价值的探究性问题。

3.3.3 问题引导探究过程

教师引导学生思考，进一步突破实验设计的关键问题：①该实验设计的自变量、因变量、无关变量分别是什么；②如何设置该实验的对照组和实验组；③如何控制无氧条件；④如何保证酵母菌在整个实验过程中的正常生命活动；⑤如何对反应前后的产物（二氧化碳、酒精、乳酸）和能量变化进行检测。

学生完成实验方案的设计后，合作搭建实验装置，过程中学生将微观现象的探究过程转化为流程符号，又将流程符号转变为宏观实验装置。小组完成实验设计后，展开分享和讨论，并由其他小组进行评价和补充。评价需从以下几个维度考量：①该实验是否遵循生物学实验的设计原则；②实验设计是具有否可行性；是否具有创新性。

之后由小组合作，逐步完善实验探究方案。第一步为制造无氧条件。

教师带领学生分析教材中实验装置的不足之处如下：无法精准测量放置时间，时间过长会导致营养物质消耗殆尽，而时间过短则会导致氧气消耗不完全。因此引导学生采用无菌密封输液袋对教材实验装置进行改进（见图3）。

第二步为物质检测方法。

酒精的检测：使用酒精检测仪直接读数，操作安全、简便。二氧化碳的检测：密封输液袋的配套针管，取一定溴麝香草酚蓝水溶液于针管中，并插入输液袋中抽取气体，观察针管中溶液颜色的变化。乳酸的检测：用针管将紫色石蕊溶液直接打入输液袋，直接观察液体颜色的变化。

第三步为检测能量变化。学生

选用比热容较大的水作为介质，吸收热量并测量水温的变化；也可以将热能转变为压强的变化，再用压强传感器进行测量（见图4），测量结果如表2所示。

第四步为展现实验结果，分析结论。无氧呼吸过程中，物质和能量发生了怎样的变化？教师展示兴趣小组完成的实验装置，通过小组合作，检测实验装置中物质与能量的变化。学生根据检测结果，分析得出实验结论，提出无氧呼吸概念，并构建无氧呼吸的化学反应式。从宏观实验现象出发，学生通过抽象与概括，认识微观生命活动，感知无氧呼吸的原理，并用生物学符号进行表示。在构建概念的过程中，发展学生的科学思维与科学探究能力。

3.3.4 由符号到微观，提升概念

教师从无氧呼吸的化学反应式出发，引导学生通过教材，深度思考微观层面的问题：①无氧呼吸发生的场所是什么？②无氧呼吸分为几个阶段？③无氧呼吸过程中ATP的产生发生在第几阶段？学生讨论完成后，教师追问：相比于有氧呼吸，无氧呼吸有何意义？学生通过分析材料，从进化和适应的角度，更深入地理解无氧呼吸的本质与意义，落实对学生生命观念和科学思维的培养。

3.3.5 从微观到宏观，真实情境评价

教师展示横纹肌溶解的相关材料，引导学生结合细胞呼吸的原理分析原因，并思考长期运动的人群是否会出现类似现象，从而培养学生热爱生命、积极运动。学生用微观的生命现象解释宏观的真实生活情境，调动不同维度的知识，学以致用，提升自身的材料分析能力及社会责任意识。

3.3.6 课后归纳，由微观到符号

教师课后布置任务，引导学生独立思考，对比并总结有氧呼吸和无氧呼吸的异同点。将之前所学课时的内容进行归纳和比较，提升科学思维。

3.4 多元评价，实时监控

教师在整个课程设计中，通过多种形式的评价，对课堂效果进行实时把控：以学生之间的评价、师生之间的评价达到评价多元化；以实验设计、实验操作来评价科学思维、科学探究水平；以真实情境评价生命观念和社会责任意识。同时进行评价激励和及时反馈，重视评价的诊断作用和激励作用，在评价中关注学生的个体差异和发展需求，帮助学生认识自我、建立自信，促进其生物学学科核心素养的发展。

4 教学反思

本节课以小组合作为主要模式，以问题情境为主线，引导学生设计实验，解决实验环节的各种问题，同时加深学生对酵母菌细胞呼吸的理解和实验探究能力的培养。教师引导学生从纷繁复杂的宏观现象入手，通过实验，探究微观生命世界的本质，运用科学思维，借助生物学符号这一媒介，具体概括出抽象的生物学概念。

总体来看，对比常规的实验教学，基于“宏观－微观－符号”三重表征理论的实验教学设计更有利于学生全面、深刻、透彻地内化生物学概念，进而构建生命观念。学生在实验探究过程中，主动思考问题、解决问题，沉浸在科学探究的情境中。这种实验教学设计能够充分调动学生的学习兴趣，帮助学生更好地理解和应用所学知识，在一定程度上发展了学生的生物学学科核心素养。

参考文献

［1］JOHNSTONE A H. Why is science difficult to learn？ Things are seldom what they seem［J］.Journal of Computer Assisted Learning， 1991（7） ：75-83．

［2］苏晓玲. 基于三重表征理论的生物学深度学习实践路径研究［J］.中学生物学， 2023， 39（5）： 5-7+10.