教学理念

教与学

教，是我做的事；学，是学生做的事。二者并不相同，因此我会分开备课。我所教的两门学科有一个共同难点：科学解释会在不同的描述层次之间移动，专家切换时毫无觉察，学生则做不到。以下每门学科均先说明学习难点，再说明我如何教，最后是如何检验成效。

化学

Johnstone 三角模型

学习上的难点

化学在三个层次上教授：烧杯中看得见的现象、粒子层面正在发生的事，以及我们书写的符号（Johnstone, 1982, 1991）。专家在这三者间切换时不需要思考，学生却无法同时扶住三者，工作记忆会超载（Johnstone, 1991; Sirhan, 2007）。

大多数课堂主要停留在符号层面，而这正是距学生可见经验最远的一层（Johnstone, 1991）。学生于是学会了操作方程式，头脑里却没有粒子的图像。方程式看似正确，理解并未发生。

我如何教

  • 明确说出此刻所在的层次。
  • 新课题先从一个层次切入，再与其他层次建立连接。
  • 要求画出粒子图，而不只是配平方程式。
  • 实验中将观察与解释分开。
  • 图示与文字配合使用，不让解释只停留在语言上。

我如何检验成效

  • 按层次诊断错误。“摩尔没学懂”因此变成全组教师都能处理的具体缺口。
  • 能配平方程式却画不出粒子图的学生，是概念缺口，而非粗心。
  • 命题时要求在两个层次之间转换，而非单一层次的复述。
  • 用小白板一次性看到全班每一位学生的粒子图，而不只是举手的那三个人。
专家自由转换，初学者会超载2微观粒子在做什么1宏观看得见的现象3符号H₂O(l) → H₂O(g)我们书写的符号同一现象，三个层次 —— 水的沸腾1液体变为水蒸气。2分子获得能量，彼此距离变大。3这一变化以方程式表示。
图 1. 化学解释所处的三个层次，以及层次之间的转换。 改编自 Johnstone（1982, 1991）与 Taber（2013）。
层次尺度示例放大视野聚焦细节生态系统10³–10⁵ m种群10²–10³ m个体~1 m动物出现病征组织 / 器官~1 cm组织受损细胞~10 µm受感染细胞死亡分子~1 nm一个病毒蛋白因果自下而上只停留在单一层次的是标签；能够跨层次移动的才是解释。
图 2. 生命组织层次，并将我本人病毒学研究中的因果链映射其上。 层次框架参考 Schneewieß 与 Gropengießer（2022）；示例取自 Xu 等（2014）。

生物

跨生命层次的推理

学习上的难点

生物学面对同样的难点。现象出现在某一层次，成因却在另一层：发烧由一个蛋白质解释，种群变化由一个基因解释（Schneeweiß & Gropengießer, 2022）。学生往往只在单一层次推理，因此能说出结构的名称，却解释不了它。

这并非宽泛的类比。Wright 等人（2017）将 Johnstone 三角模型直接移植到生物学，提出“DNA 三角”，并证明专家会结合分子、染色体与信息三个层次解释减数分裂，学生则停留在染色体层面。我自己的研究正是沿这些层次向下展开的：从一个病毒蛋白，到正在死亡的细胞，再到生病的动物，因此我会把这些层次明确地教给学生。

我如何教

  • 先点明层次，再用同一例子上下走一遍。
  • 使用结构—行为—功能框架：组件是什么、如何相互作用、实现了什么（Hmelo-Silver et al., 2007）。
  • 在术语出现之前，先用模型或图示展示机制。
  • 给学生一张层次地图，让他们在组织答案时自己使用（Schneewieß & Gropengießer, 2022）。

我如何检验成效

  • 要求解释至少跨越两个层次，让“是什么”变成“怎么发生”。
  • 把目的论表述视为信号。“细胞想要……”通常意味着机制缺失。
  • 观察学生是否无需提示就主动向下走一层。这正是我要培养的习惯。
  • 在进入下一环节前，用小白板做一道跨层次的快速提问。

两件不同的事

教学策略与学习策略

教学策略是我做的事，学习策略是学生做的事。二者极易混淆，而混淆的结果，就是一节看似热闹、实则空洞的课。以下例子来自我在一个 12 人的九年级 IGCSE 化学班开展的行动研究，其中大多数学生以英语为第二语言学习。

教学策略 —— 我做的事
  • 为长篇作答提供句式框架与写作支架。
  • 按学生个体而非按全班来匹配支持力度。
  • 仅在证据表明学生已准备好时才撤除支持，而非按固定进度。
  • 将分数、学生所需的帮助、科学内容的准确性，作为三项分开的衡量指标。
  • 在决定是否继续前，用小白板检查全班。
学习策略 —— 学生做的事
  • 在动笔之前，先与同伴口头预演一遍解释。
  • 先用卡片把思路排序，再写成句子。
  • 先借助句式框架作答，再脱离框架重写一遍。
  • 说出自己还需要哪些帮助——这本身就是一项能力。

这一区分并非纸上谈兵。当我撤除支架过快时，全班长篇作答平均分降至 39.6%——而就在当天上午，这批学生还能用卡片正确地排出思路。他们懂化学，只是还没有找到独自表达的方法。引入同伴口头预演与分层支持后，平均分回升至 62.5%，且所需的帮助更少。

我每节课都在用的工具

小白板

问一句“有问题吗？”再叫三位学生回答，我只获得了全班十分之一的信息，其余都是假设。小白板去掉了这个假设：每位学生写下答案并同时举起，我一眼就能看到全班。Wiliam（2018）称之为“全员应答系统”，Black 与 Wiliam（1998）的研究表明，这类评估是教师手中最有效的手段之一。

它也恰好契合上述两个框架。化学课上最难看见的，是学生能否在脑中构建粒子图像；生物课上最难看见的，是他们能否向下走一层。小白板几秒钟内就让两者可见：画出粒子，或用下一层解释。如果大多数人都错了，我当场重教，而不是到单元结束才发现。

学生在理科课堂上举起小白板

这两套框架是同一个思路，这也是我乐于同时执教两门学科的原因。一个学会追问“我现在在哪一层推理？下一层又在发生什么？”的学生，所学的会比考纲活得更久。

参考文献

  1. Black, P., & Wiliam, D. (1998). Assessment and classroom learning. Assessment in Education: Principles, Policy & Practice, 5(1), 7–74. https://doi.org/10.1080/0969595980050102
  2. Hmelo-Silver, C. E., Marathe, S., & Liu, L. (2007). Fish swim, rocks sit, and lungs breathe: Expert–novice understanding of complex systems. The Journal of the Learning Sciences, 16(3), 307–331. https://doi.org/10.1080/10508400701413401
  3. Johnstone, A. H. (1982). Macro- and micro-chemistry. School Science Review, 64(227), 377–379.
  4. Johnstone, A. H. (1991). Why is science difficult to learn? Things are seldom what they seem. Journal of Computer Assisted Learning, 7(2), 75–83. https://doi.org/10.1111/j.1365-2729.1991.tb00230.x
  5. Schneeweiß, N., & Gropengießer, H. (2022). The Zoom Map: Explaining biological phenomena across the levels of organisation. Journal of Biological Education. https://doi.org/10.1080/00219266.2022.2134174
  6. Sirhan, G. (2007). Learning difficulties in chemistry: An overview. Journal of Turkish Science Education, 4(2), 2–20.
  7. Taber, K. S. (2013). Revisiting the chemistry triplet: Drawing upon the nature of chemical knowledge and the psychology of learning to inform chemistry education. Chemistry Education Research and Practice, 14(2), 156–168. https://doi.org/10.1039/C3RP00012E
  8. Wiliam, D. (2018). Embedded formative assessment (2nd ed.). Solution Tree Press.
  9. Wright, L. K., Catavero, C. M., & Newman, D. L. (2017). The DNA triangle and its application to learning meiosis. CBE—Life Sciences Education, 16(3), ar50. https://doi.org/10.1187/cbe.17-03-0046
  10. Xu, Y., Victorio, C. B. L., Ng, Q., Tan, Y. J., & Chua, K. B. (2014). Saffold virus is able to productively infect primate and rodent cell lines and induces apoptosis in these cells. Emerging Microbes & Infections, 3(2), e15. https://doi.org/10.1038/emi.2014.15