数轴法：初中生物学概念教学的新转向
刘波 李永团
摘 要：数轴法是一种线性思维模型，有着明晰、直观、易懂、顺序明确且呈线性关联等特征。其在概念习得方法上有着整体视域，能促进学生对整体学科知识框架的把握。采用数轴法进行生物学教学，可以串联重要概念形成大概念、凸显概念达成过程，可以聚焦学科思想、助力学科本质理解，可以清晰地呈现生物学的多样性内在美，帮助学生形成跨学科思维，提升学生运用数学思维解决生物学问题的能力。
关键词：数轴法;植物类群;动物类群;生物科学史;概念教学
《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称“《课程标准》”）明确指出，关注生物科学史，围绕重要概念来组织开展教学，能有效提高教学效益，有助于学生对知识的深入理解和迁移应用。可以说，生物科学史，本质上就是一部概念史。但在以往的概念教学中，存在着重知识点轻概念体系、重结论轻过程，忽视学生科学思维能力的培养，以及重教法轻学法，忽视学生概念习得方法的培育等问题[1]。而数轴法在概念习得方法上有着整體视域，可以让概念之间的衔接更具逻辑性，从而促进学生对整体学科知识框架的把握。当前，有关数轴法在生物学概念学习方法上的研究，还十分薄弱。以下，笔者以人教版义务教育教科书《生物学》七年级上册及八年级上册中的植物、动物主要类群相关内容，以及生物科学史的教学为例，探寻其在生物教学中的应用路径，以期为教师和学生进行生物学概念的教和学提供参考。
一、“数轴法”的内涵、价值
数轴法是人教版义务教育教科书《数学》七年级上册的内容，数轴的三要素“原点、方向、单位长度”学生已耳熟能详。数轴上的点与实数具有一一对应的关系。通过数轴能形象直观地说明生物进化的趋势，以及事物发展的主要节点和方向。在单元设计中，原点表示原始生命，依照从左往右的顺序，数值越大表示生物进化的等级越高等。
从《课程标准》的要求看，教学内容如何聚焦大概念很关键。数轴法这种数学思维，作为串联植物、动物类群教学问题的主线，让生物学主要类群重要概念的教学，不会仅停留于知识点的识记上，还能让学生感受到学科交叉的魅力，为学生的发散性思维提供有益的方向引导。
从教学材料与学习内容的角度看，生物科学史闪耀着生物学家智慧的光芒，集中体现着科学家的工作方式，重演着生命科学的发展轨迹，彰显着格物致知的科学精神。教师对于教学材料的精加工程度，决定着学生学习的方式与效率。当前，生物科学史教学已走入吴举宏老师所说的“学生成为旁观者、仅停留于真实的科学史、异化为布道场”等误区，这与生物科学史教学方式不当有较大关系。而跨学科教学，不仅能整合生物科学史的知识，也能有机融入其他学科的内容，拓展学生对生物科学史的理解。因此，要让生物科学史学习从浅层走向深度，跨学科思维不失为一种有效途径。而通过数轴再现经典科学实验，凸显概念的形成过程，有助于学生科学探究能力的提升。
胡玉华老师认为，从概念教学方法的角度看，重要概念体现着学科知识体系的主干，揭示了生物学科的核心内容，反映着学科的本质。而进化思想以及结构与功能相适应等学科思想，能够促进学生对于学科本质的理解，使学生感受到学科的味道[2]80。指向概念转变外部因素中的数学模型，可以高效地帮助学生理解科学概念，为学生理解进化与适应观念打下良好基础[3]。经实践检验，采用数轴数学模型进行教学，可以有效提升学生的类比推理能力、系统思维与逻辑思维能力[4]。
赵占良老师认为，从美学与美育的角度看，生物学课程中外在的形式美与内在的逻辑美统一起来，才是比较完整的科学美，这样的美育才是比较完整的科学美的教育。数轴可以简洁、明了、集中地表达生物学的多样性内在美，是把形式美和逻辑美联结为整体美的一种实践。
二、数轴法应用例析
生命观念是生物学学科核心素养的本质特征，具体体现为大概念，而核心概念则是大概念的下位概念。数轴可以化作时间轴，轴上闪动着科学发展过程中科学家思维的火花。用好、用足这一生物科学史教学资源，对于达成核心概念起着至关重要的作用。概念学习进阶的数轴图如图1。
（一）数轴法上的动物主要类群
针对动物的主要类群，教材按照进化的思路，从六类无脊椎动物到五类脊椎动物的进化方向展开，每节内容都彰显了结构与功能这种生命观念素养，其中也渗透了进化思想，但这种进化思想往往表现为隐性的思想。如何让隐性的学科思想成为显性的观念呢？这就需要教师创造性地处理好《课程标准》、教材、学情这三者之间的关系，其中，教法选择尤为关键。
数轴图具体的绘制方法是，原点表示原始生命，从左往右，按照不同时间节点由远到近排列，不同节点表示不同进化的生物类群，箭头表示生物进化的方向。
在日常教学中，教师要精准识别学生前科学概念中的错误概念，按照循序渐进的原则，从填图型概念图过渡到独立绘制概念图，再到创造性地运用数轴呈现进化过程。在绘制动物主要类群概念图（如图2）的过程中，教师要发挥学生的主体作用，有效促进学生对学科思想的领悟，实现“ 1+1>2 ”的效果。
（二）数轴法上的植物主要类群
同动物主要类群一样，也可将数轴概念图应用于植物主要类群的新授课和复习课教学中，如图3。这样，不仅能很好地展示知识间的逻辑结构，也能创造性地促进结构与功能观、进化与适应观等生命观念的建立。
（三）数轴法上的生物科学史
不同于生物类群示例，在植物的光合作用、动物的血液循环途径的发现史中，也可以通过运用时间轴进行整体设计，以清晰直观地展示进程，帮助学生整体把握知识。原点表示原始生命，按照从左往右的顺序，数轴上面显示时间和代表人物，图中仅展示在这个领域的主要贡献，如图4。
需要注意的是，生物科学史可采取融入式和再创造等教学策略，对于同一学段高低年级进行梯度教学。随着学生认知水平的发展，也可让他们根据自己原有的经验，用自己的思维方式重新“创造出”有关生物学概念[5]。当然，对于不同学段要关注探究要求，如初中阶段关注科学探究的过程，高中学段关注探究的结论。
三、数轴法：一节课的教学范式
关注核心素养，聚焦学科思想，围绕学科核心概念的教学设计，是有高度、有灵魂的教学[2]82。生物学学科知识体系大多分散分布，知识结构领域不够良好。具体到日常教学中，多体现为事实性知识或现象。下面笔者以“两栖动物与爬行动物”的教学为例，用数轴图展示一节课的教学范式（参考安军老师“一节教学范式”改编），关注基于证据的推测，用教学问题作为达成重要概念的主线，进一步廓清概念间的联系（如图5）。学生可根据自己的认知特点和思维方式，逐步绘制数轴概念图，也可小组间比拼，以选出兼具创意性和科学性的最佳作品。
四、启示与反思
（一）启示
《课程标准》提出小而精的教学内容，删繁就简，体现生物学学科主干知识框架。数轴法有着明晰、直观、易懂、顺序明确且呈线性关联等特征[6]。数轴法能体现核心概念到大概念的演进主线，便于学生了解不同类群的特征，有助于学生构建结构与功能观、进化与适应观等生物学核心观念。而采用数轴模型教学生物科学史，可以使学生摆脱零散知识点的思维定式，更好地理解科学的本质以及科学研究的思路和方法。因此，数轴法对于落实学科思想、构建大概念、习得科学思维方法有较大的辅助作用，是落实生物学学科核心素养的有力抓手。
（二）反思
数轴法是一种线性思维模型，因此，运用数轴法进行单元设计时需要注意两点：其一，应注意整套教材协同训练，尤其是知识点分布在不同单元、不同年级时，更要提前渗透数轴法;其二，不是所有学习内容都适用数轴法，知识点间须体现进化思想且重要概念之间应存在线性联系。当然，不是所有课型（复习课和新授课除外）都适合运用数轴法，应注意学生概念学习方法的多样化。
参考文献：
[1]郝琦蕾，樊桂芳.基于核心素养的高中生物概念教学研究[J].当代教育与文化，2019（1）：72.
[2]安军.围绕生物学科思想和核心概念的教学[J].课程·教材·教法，2017（4）.
[3]李诺，刘恩山.关于概念转变影响因素研究热点的国内外比較研究[J].生物学通报，2019（8）：16.
[4]郝琦蕾，姚灿.基于核心素养的高中生物模型建构教学研究[J].教学与管理，2019（12）：112.
[5]刘焕梅，李秀芬，王树芹.生物科学史在概念教学中应用的原则和策略[J].中学生物教学，2013（7）：16.
[6]杨志华.例析数轴法在初中化学教学中的应用[J].教学与管理，2012（4）：73.
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