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生物多样性实践案例开发模式的研究与应用
文_张 帆／北京市西城区青少年科学技术馆
一、研究背景
开展以生物多样性调查为主题的生物教育活动是培养未来高素质公民的要求。2021年，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于进一步加强生物多样性保护的意见》，明确“加强宣传教育”。《义务教育生物学课程标准（2022年版）》要求严格落实国家课程方案和课程标准，开齐、开足、开好中小学科学课及相关学科课程，开展实验和探究实践活动，落实跨学科主题学习原则上应不少于10%的教学要求。鼓励学校利用课余时间，安全、规范地向学生开放各类实验、实践场所，为学生创造良好的实验实践环境和更多的动手机会[1]。
二、研究意义
1. 生物多样性融入有助于多主题整合
在日常教学中，落实生物学核心素养往往存在教学素材不足、教学开展的有效途径不够多样、示范性案例不足等情况。目前生物学教学过程中，各个主题间从位置分布角度相对独立，且学习内容间存在的关联在教学中需要加强。“生物多样性”实则贯穿在生物课教学的各个主题中，侧重生物分类和生物多样性保护，使之成为生物学学习的暗线，在各个主题中均有表现[2,3]。
2. 增强感性认识有助于加强学习效果
很多生物对于学生而言比较陌生，一些学习内容也与学生有一定距离。学生缺乏生活经验，对生活中遇到的很多生命活动现象积累不足，不利于开展深入学习。此外，教学过程中的评价形式不够丰富，简单的评价方式难以全面、客观地评价学生在生物多样性学习中的表现。生物多样性的教学目标不仅包括知识的传授，还包括学生的情感态度、价值观及实践能力的培养，因此需要更加多元化的评价方式综合评价学生的学习成果，但教师在设计和实施多元化评价时可能会遇到困难，如评价指标的确定、评价工具的选择等。
3. 形成开发模式有助于教学实践
生物多样性实践案例开发模式对一线教师进行课程设计提供了基础性的理论框架，让一线教师可以利用身边资源，加强学生在实践层面的活动或任务布置，进一步增加或强化学生在生物多样性层面的感性认识。
三、研究思路与内容
1. 研究思路
（1）发现学习和教学过程中的困难 研究分别从学生和教师角度，寻找与发现教学过程中存在的困难。学生对于生物多样性学习存在认识上的偏差，教师发现在生物多样性教学过程中存在课时紧张、内容松散、学生感性认识基础不足等情况。
（2）基于真实问题的设计与实施 研究在问题的基础上提出解决方案，比如丰富学生对生物的认识，在不同主题中实现多样生物以研究对象的形式“落地”；利用多种学习策略，如项目式学习使过程性内容模型化，探究式学习使具体的现象问题化等，实现跨学科实践的同时丰富学生的学习形式；将生物多样性的内涵与其他主题结合，如不同植物的气孔形态与功能与生存环境结合、群体中隐性矮化与自然选择的关系等。
（3）用实验方式检验研究模式效果 研究通过实验实施不同程度的分组，探讨生物多样性实践和嵌套模式应用的效果；通过观察实施前后、不同实施组别的学生学习效果和能力差异，讨论此研究对学生核心素养发展的影响。
本研究的思路框架如图1所示。
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图1 研究设计思路框架
2. 研究内容
根据学习内容，从生物多样性与其他主题的关系，分析生物多样性内涵如何渗透到其他主题；根据学习效果，从学生的学习困难与核心素养培养，分析如何将多样生物特征展现给学生或如何利用多种教学策略；根据评价方式，从真实教学和活动情境的多元评价方式，分析如何利用实践活动对学习效果进行立体化评价。希望本研究能以案例作载体，提升学生的核心素养；以模式为途径，增强真实的实践反馈；以培训为推广，将成果应用于更多学校；以效果为方向，促进教师的教学反思。
四、研究结果
1. 多元嵌套模式
研究提出多元嵌套模式（如图2），对于城市生物多样性实践案例的开发与应用，尝试解释生物多样性主题与其他主题的结合方式。另一方面，将城市特点与实践活动的性质进行有效结合，将模型应用于案例开发和后续实验研究过程中。
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图2 多元嵌套模式
（1）形成内容丰富的主题嵌套教学模式 生物多样性表现在不同主题层次，形成主题嵌套。在结合过程中，生物多样性可以作为背景、素材、应用等，扮演多种角色，具体可分为形式嵌套和内容嵌套。
·形式嵌套
不同生物的案例可以应用于具体方法的素材，例如在生物体结构层次内容中，植物组织和器官的观察采用叶的横切，可根据生活中不同特点的植物叶作为素材，学生既能巩固叶的结构，也能发现叶的不同，为物种多样性打下基础，形成题材嵌套。
从生物结构角度（客观事实）建立与环境的联系，进而推论生物演化的过程与原因，形成环环相扣的逻辑思维过程，利用不断给出的证据（生物多样性的表现）引领主题之间的联系，引导学生逻辑思维的发展，形成逻辑嵌套。
从生物之间的相互作用，以及如何发挥不同生物结构、行为的特点，作为生物促进或抑制其他生物的方法，在生态系统或为人类社会发挥作用，形成应用层面的嵌套。
根据感觉形成的原理，判断感觉障碍的成因；与遗传疾病相联系，结合表现遗传多样性内容，分析产生疾病的可能性，形成分析层面的嵌套。
·内容嵌套
以生物多样性为背景，选用情境与其他主题结合形成大单元，如为社区设计一种防治蟑螂的方案，即可从种群、食物链、生活习性等角度多方面嵌套。从内容结合角度，能使教学更立体，丰富生命观念的维度，使科学思维更加生动，贴近生活而形成探究实践的动力，也能从身边出发培养学生的态度与责任。
（2）形成调查应用实践与教学结合的情境嵌套教学模式 情境嵌套主要表现在充分利用课外资源从生活层面为学生提供丰富的感性认识和学习素材，引发学生学习兴趣，在课堂教学中形成理性认识应用于社会与生活，再不断修正认识与规律反馈，进一步学习抽象规律，从而指导实践，形成创新能力，螺旋上升，发展学生素养，即认识基础（课外）—原理及规律（课堂）—应用与实践（课外）—反馈与深化（课堂）—创新与发展（课外）。
为深化实践活动的教育效果，课前、课后分别与课外资源形成联动，要将理论学习与实践活动有机结合起来。例如，在课前布置任务，对特定地点的环境、生物进行观察，课上利用观察结果开展活动、进行实验、设计项目，课后将课上学习成果付诸生活中实践，布置对应的实践性任务。举例说明，在学习“绿叶在光下产生淀粉”内容前，为学生布置任务前往公园、社区或校园内，观察植物的叶，记录叶的特征；课上教师为学生准备多种叶，学生根据课前观察结果进行对应，实施本课实验，发现淀粉产生的必要条件；课后布置拓展实验，寻找具有类似外形、结构等特征的叶，观察生活环境，推测淀粉产生结果，也可以再带回学校进行实验验证。
（3）形成课外活动与竞赛参与的评价嵌套模式 评价嵌套是在活动过程中通过观察和统计学生作品，整体综合评价学生核心素养及关注方向等多方面水平。如在西城区设有保护生物多样性海报设计制作比赛、观鸟比赛等活动，在学生当前阶段性评价方面，不仅能从学生的技术水平角度观察学生的能力，也能从关注对象与认识事物的科学性角度发现学生的特点；从学生发展性评价方面，可以纵观年际学生的能力变化、关注倾向，以及学校间差异等情况。除此之外，还有各种级别的实践活动、课外活动、课后活动等可以作为评价学生的切入点。例如，可以关注在实践活动中学生对生命现象的兴趣、对问题的发现、对未知现象的思考、对已学内容的应用与分析、对已学方法的实践等方面，以及学生关注对象的深度和广度。活动过程还有利于开展学生的小组协作和学生互评等工作。结合日常教学的嵌套评价与反思可以帮助教师不断调整和改进教学，达到发展学生核心素养的目标。课外活动的评价比较开放，可结合活动特点和课程标准，根据学生关注的领域方向、关注对象的着眼点、对于细节问题的思考，以及持续兴趣的倾向性等问题进行评价。
2. 基于城市生物多样性的实践活动与应用实验
在研究和设计的基础上将成果应用于教学实验，涉及10余所学校，包含北京市第一六一中学、第三十五中学、第一五六中学等多所基地校的平行班，共437名学生，连续2学年（4学期）进行跟踪调查。根据生物多样性综合学习实施与否，分别在每所学校设置实验组和对照组。通过对是否采用主题嵌套和情境嵌套的班级作为调查对象，以评价嵌套方式分别在课堂、课后实践作业、课外活动评价开展，学习内容覆盖不同主题。
例如，在“观察多样的细胞”主题活动中，在制作临时装片后进行显微镜观察过程中，让学生绘制和描述不同生物细胞的特征与其他能够关注的内容。学生的关注内容包括模糊和具体特征2个方面，其中模糊特征包括大小、颜色，具体特征包括长度、体积、数量、形状等。在生物结构层次教学过程中，实验组强调结构多样性差异，并给出更多结构细胞材料进行观察，关注细胞体积、长度等具体特征的学生人数显著多于常规教学班级人数，有些学生还会向教师询问测量方法。而在常规班级中，学生也关注相应的特征，但往往以大小作为描述方式，对于描述的准确性或关注的具体程度方面，二者存在一定差距。
在城市生物多样性实践环境教育活动案例中，存在对于外形特征关注的能力培养内容，如对花粉萌发过程的描述、水蚤外形及心脏所在部位的描述等。实验组学生在经过学习后，逐渐养成从外形特征和细节观察生物结构及生命活动过程的素养，逐步从多角度认识结构，形成生命观念中的结构与功能观，也体现了在探究过程中关注细节和过程。
本研究在开展课外实践活动或实验过程中观察了不同组别的表现，统计了不同行为层次表现的学生人数。依据认识过程，以及主动思考和尝试解决问题的层次，将学生行为类型分为“尝试描述现象”“尝试解释”和“尝试模拟过程”3个层次，体现学生主动学习和探究实践的能力。结果显示，实验组在上述3个层次的表现分别为93%、73%和23%，而对照组表现分别为95%、43%和8%，在“尝试解释”和“尝试模拟过程”2个层次的差异显著。
以生物多样性为主题开展区级活动和竞赛，在不断开展相关实践活动和科普活动后，从植物、动物等角度可分析区内学生的整体学习成果，例如通过城市公园中的水生生物或在特定季节出现的生物，可评价学生对生物物种、生物生存环境和生物行为规律等的了解程度。举例说明，在鸟类外形模拟活动中要求学生描述北京城区湿地的鸣禽，学生可以利用比赛提供的基础模型，用绘画的方式表现通过观察看到的鸣禽；在观察成果展现的基础上，还可以考查学生对于问题中“北京”“湿地”“鸣禽”的认识，鼓励学生在日常活动中更多积累。此外，利用植物栽培、保护生物多样性海报设计、鸟类外形模拟和鸟类生态摄影等活动，依据学生的作品可评价学生对于生物多样性及生物与环境的认识。3年来，共收集到相关活动中的学生作品6 284份，经过比赛要求的筛查，发现学生对于生物物种的关注度、物种生活的环境，以及物种的生态类型的认识显著提高（如图3），表明采用多元嵌套模式对学生的学习和认识有显著影响。
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图3 学生描述物种生态类型正确率的年度对比
通过鸟类外形模拟活动的开展，随着研究的实施，结果表明不仅在生态类型描述方面有显著提升，对生物特征的描述准确率，即对生物特征的正确认知也有明显的促进作用。生物的外形结构往往是学生认识生物的直接方式，是否能够发现生物的结构特征、比较不同生物的差别，是认识生物的基本能力。很多生物具有独特的结构，比如疣鼻天鹅的额部突起、石竹的锯齿形花冠、显花植物的三孔花粉等。培养学生耐心、细心地发现生物特征是帮助学生认识生物的重要手段，在培养学生观察能力提升和生命观念形成的同时，也不断培养学生的科学思维和探究实践能力。
五、总结与分析
生物多样性多元嵌套模式在学生能力提高、核心素养提升方面效果较为显著。研究发现，需要在城市环境中提升学生对生物多样性的认识和学习效果，为学生提供更多感性学习素材，有助于帮助学生构建基于生物多样性的以生命观念为基础的多主题结合大概念。课题成果案例能帮助学生通过观察现象，在发现问题的同时尝试解决问题，提升科学思维和探究实践的发展。经过生物多样性实践案例开发与应用模式的实施，可以达到以下效果。
（1）建立学习中的联系 在学习过程中，帮助学生建立生物学各个主题与生物多样性的关联，进一步深化学生对生物学的整体认识，通过项目式学习、探究式学习等方法，根据生活中的现象不断深入学习，促进学生科学思维和探究实践能力的提高。
（2）突出城市环境特点 生物学是基于生命和现象的学科，学习过程中需要不断综合运用观察、调查和实验等方法探寻生命活动规律。人为课外资源丰富是城市的重要特点，在生活中结合身边具有城市特点的课外资源，如校园、社区、街道、公园和博物馆中的生物种类、现象和相关教育资源，能让学生发现生活中的真问题。
（3）增加实践在学习中的比例 生物学作为实验学科，对城市资源的利用、对于深化学生的学科知识掌握和应用具有重要作用。特别是从生活出发，发现身边的生命活动现象，开展多种形式的实践方式（观察、调查、实验、模拟等），形成更多感性认识和理性思考，不仅可以深化学生对生物学的认识，还能有效促进核心素养的提升。
参考文献
[1] 中华人民共和国教育部．义务教育生物学课程标准（2022年版）[M]．北京：北京师范大学出版社，2022．
[2] 李俊清．保护生物学[M]．北京：科学出版社，2012．
[3] 孙儒泳．动物生态学原理（第四版）[M]．北京：北京师范大学出版社，2001．
（本文为北京市教育科学“十四五”规划2021年度青年专项课题“基于城市生物多样性调查的环境教育活动研发与实践研究”（编号：CJCA21130）成果）■
来源 | 《中国科技教育》2025-01，文章编辑：毕晨辉
编辑、排版 | 孟想