初高中生物學科學思維進階的實踐研究

吳丹丹

自史密斯2004年第一次正式提出“學習進階（Learning Progressions）”，10余年以來，學習進階理論已成為美國各州和學區的課程開發和教學設計的重要參考。我國對學習進階的認識與研究正處于起步

階段，在中學生物學教學領域少有實踐研究。

1“學習進階”理論和研究現狀

史密斯最早提出學習進階理論時，將其定義為“學生在學習某一核心概念的過程中，所遵循的一系列逐漸復雜的思維路徑”;劉晟、劉恩山等認為“學習進階是對學生各學段學習同一主題的概念時所遵循的連貫的、典型的學習路徑的描述，一般呈現為圍繞核心概念展開的一系列由簡單到復雜、相互關聯的概念序列”。國內已有的與學習進階相關的實踐研究中，多注重學生已有對概念的認知和概念本身的發展順序、多學科知識融合和評測學生構建的概念網狀結構等方面，對學生在概念發展中的科學思維的體驗、發展少有涉及。學習進階理論強調了學習過程中的階段性、發展性，在某一學習階段，起點是學生已有水平，終點是本階段的學習目標，教師要以核心概念的進階為中心，以多個學科教學為載體，使用多種進階途徑。這一理論對教師帶來了很多積極的影響，如教師在分析從起點到終點的各個中間水平后，能更細化分析出不同學段學生對科學概念的理解應達到的水平，從而有利于設計并實施連貫、遞進的教學實踐。但是這也為教師提出了挑戰，即教師如何根據學生的心理發展水平和認知規律，細分出一個個中間水平，并設計合理的教學活動來達成進階。

2生物學學科核心素養和科學思維

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《新課標》）中提出“學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確的價值觀念、必備品格和關鍵能力”。核心素養也具有層次性，其培養需要關注學生的不同階段心理機制的發展，從整體考慮培養策略。生物學學科核心素養包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任4個方面，其中科學思維是“尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力”。“學生應該在學習過程中逐步發展科學思維，如能夠基于生物學事實和證據運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等方法，探討、闡釋生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題。”科學思維聚焦在“質疑是思考的視角、實證是判斷的尺度、邏輯是論辯的準繩”，能幫助學生更好地理解科學概念，促進生命觀念高效、正確地形成，能幫助學生更深入理解科學探究的本質，有能力在離開課堂后正確地使用所學科學知識和技術，形成應有的社會責任和擔當。因此，在學習進階的教學實踐中，教師不僅需要關注概念的進階，也應注重形成概念的過程中所必備的科學思維的進階。這對教師的教學活動的設計起到了很重要的作用。

3基于科學思維學習進階的以“遺傳”為例的的教學環節設計

3.1初中運用情境教學發展分析、比較等科學思維

初中學生對遺傳學的認識大多是日常生活經驗，但這種對遺傳概念的前認知可能是正確，也可能是錯誤的。所以，教師在上課時可聯系學生身邊實例的活動，讓學生厘清前概念、建立正確的概念，促進學生在辨析過程中發展分析、比較的科學思維。

教師在幫助學生建立“生物能以不同的方式將遺傳信息傳遞給后代，一些進行無性生殖，后代的遺傳信息來自同一親本;一些進行有性生殖，后代的遺傳信息可來自不同親本。”這一重要概念時，可創設一些情境幫助學生更好地理解。例如，學生在教室中用水插綠蘿，一段時間后綠蘿長出新根，綠蘿長出根是一種繁殖方式;學生用菜豆種子萌發實驗產生新個體，菜豆新個體的產生也是一種繁殖方式。教師使學生置身于真實的情境中，分析比較這兩個過程是否都是遺傳、有什么區別。學生大多可以先列舉是否產生種子來繁殖這一表面差異，教師引導學生回顧種子的產生過程，進一步分析出二者在遺傳過程中的本質差異，即是否有兩性細胞的結合過程，從而引出無性生殖和有性生殖。由此，教師選取學生熟悉的多個遺傳現象，在此過程中發展學生分析、比較的科學思維。

“DNA是主要的遺傳物質;基因是包含遺傳信息的DNA片段，它們位于細胞的染色體上。”這一重要概念對初中生來說比較微觀，認知上的困難較大。這時，教師可使用自制教具來幫助學生理解這一微觀的概念、突破這一難點，如課堂上用剪開的網球代表細胞，再用一個剪開的乒乓球代表細胞核，用幾根不同顏色的毛線代表細胞中的染色體，配以“細胞-細胞核-染色體-DNA”關系的圖片，進一步明確它們之間的包含關系，從而為學生理解這些結構之間的關系提供直觀模型，并最終引出“基因”這一重要概念。在教師創設的這個情境中，學生能更好地理解細胞中遺傳信息的位置，從而發展比較思維。

初中學生側重于形象思維，對抽象思維的理解能力較弱;對概念的學習過程能運用回憶、理解等低階思維，不能駕馭綜合、評價等高階思維，這是由學生的認知規律所決定的。教師要根據這一科學規律，依據學生擅長的思維方式進行教學活動的設計，如運用分析、比較等科學思維方法，借助于情境教學將微觀問題宏觀化、抽象問題具體化，發展學生科學思維的同時形成這一階段的科學概念，實現科學思維和科學概念的進階。

3.2在高中新授課中運用科學史料發展推理、歸納、模型等科學思維

高中學生通過化學學科的學習，對元素、分子結構、化學反應等知識已有所了解，通過高中生物《必修1·分子與細胞》的學習，對核酸等遺傳的分子基礎也有所了解，這為學生在《必修2·遺傳與進化》中“核酸是遺傳物質的證據”的學習打下基礎。在證明核酸是遺傳物質的過程中，科學家設計縝密的實驗、經歷了非常精彩的論證，教師在課上可使用“肺炎雙球菌的體內和體外轉化實驗”的科學史料，從核酸和蛋白質兩種大分子物質的多樣性、特異性、穩定性、連續性等角度分析，理解當時的科學家提出“核酸和蛋白質哪個才是遺傳物質”這一問題的前提，也能更好地理解科學家艾弗里設計“分別提取各種化學成分與核酸混合進行體外轉化”的實驗設計前提，從而幫助學生樹立結構與功能觀。教師在課上使用科學家的實驗過程、分析和結論等史料時，與學生一起分析各位科學家實驗設計中的單一變量的控制、自變量和因變量的關系、從結果分析推出實驗結論等，都能發展學生的推理、歸納等科學思維。

孟德爾開展的豌豆雜交是現代遺傳學的奠基性實驗，他使用的“假說-演繹法”以及實驗求證的研究思維，在分析孟德爾實驗“3∶1”的過程中，能極大地幫助學生用模型的思維去理解生命現象，而這正是孟德爾定律提出假說的精彩之處。模型建構是目前高中生物學教學中較為薄弱的方面，筆者在講授孟德爾遺傳規律時，先使用大量數據，帶領學生分析規律。閱讀孟德爾原文以及饒毅教授的《孤獨的天才》一文后，發現孟德爾大量實驗數據中最重要的一個數據是F1自交實驗后的F2的自交實驗結果。這個結果反應出顯性性狀（如高莖）中有1/3其自交結果不發生性狀分離（全為高莖），有2/3自交仍會發生性狀分離（高莖：矮莖=3∶1）。這就有助于在模型建構中將其中的顯性（即3/4）分解為1/4和2/4。教師引導學生分析證據、得出模型，使學生更明確模型建構過程中數據處理和抽象出模型這些重要環節的意義。

推理、歸納是一種由特殊具體的案例推導出一般原理、規律的過程。這一過程需要學生在具備分析、比較的基礎上，還要能進一步歸納出所有特殊案例中所共有的特質，而這正是建立在初中所具備的分析、比較的基礎上的。因此，這一過程很好地實現了科學思維的進階。推理歸納的科學思維是學生今后的科學探究中所必須的一項重要思維能力。模型建構是人們根據原型的特質，略去次要因素、保留主要特征，對原型進行簡單、抽象處理的過程，借助于設計出的模型可對原型進行更多的認識。但建構過程需要學習者能對原型的特征進行分析、比較，并能根據已有經驗對原型的特質進行刪減和突出處理，這對學生的認知水平要求較高，因此相關的教學活動要安排在高中生物學學習階段。

3.3在高中生物復習階段運用真實研究情境發展學生的批判性和創新性思維

3.3.1梳理復習內容，發展進階思維

在高中生物復習階段，教師要幫助學生夯實知識基礎，更要鍛煉學生在新情境中靈活應用的能力。在一輪復習階段，教師可用表1幫助學生系統地梳理遺傳學在不同該研究層次的主要研究思路。

在梳理研究體系的基礎上，教師要結合真實的研究情境，發展學生的科學思維。例如，以一種遺傳病為例，從研究者的角度如何來研究？學生討論后，得出：首先要對患者家系進行調查制作家系圖，依據比較、分析、綜合等科學思維推理出最可能的遺傳病的遺傳方式，再對遺傳病的遺傳性狀進行個體、細胞和分子水平的研究。例如，針對性狀與環境的關系、性狀與遺傳物質的關系，對由遺傳物質控制的問題首先從染色體的類型上進行判斷，結合現代生物技術如酶切電泳、測序、PCR技術等對患者和健康人的遺傳信息進行比對;對于遺傳信息不變但性狀改變的則需要考慮表觀修飾現象。由此，學生梳理出一個遺傳病的研究思路的歸納，并從致病原因角度出發，思考如何對該遺傳病進行治療和預防，有助于更系統地分析和綜合運用，并提高了社會責任素養。

綜合運用能力是建立在理解、分析的基礎之上。在高考復習階段，學生一方面需要夯實對概念的理解和建立知識點間聯系，另一方面還要能駕馭不同的情景、運用恰當的已學知識進行分析。因而，教師使用真實案例能檢驗學生對概念的理解是否準確，并且在一個情景中是否能運用多個知識點，這也考驗學生對知識理解的網絡化水平。

3.3.2分析進階思維網絡圖

有學者研究了生物學科能力包括四大項（理解、應用、思辨、創新）九小項（辨認、比較、解讀、推理、歸因、論證、評價、假設、設計）。這幾項能力之間也存在著非常明顯的進階。為便于高考復習備考和高中不同學段教學，筆者結合“遺傳”中“遺傳病”部分將這幾項能力進行梳理如圖1所示。

由圖1可知，在初中、高中新課、高中復習階段對“遺傳”部分的能力要求水平是不斷發展的。教師在教學活動的設計中既要考慮科學概念的進階，也需關注科學思維水平的進階：不同學習階段之前已有的科學思維水平是什么？本階段能達到的水平是什么？這有助于教師結合教學內容選擇恰當的教學素材，以達到該階段的目標水平。這樣的梳理分析對“遺傳”部分內容的教學素材選擇、教學活動設計、教學設計實施、教學效果量化評價提供了一定的參考。

雖然，筆者對結合教學實踐對科學思維進行了簡要梳理，但是真正的科學學習是非常復雜的，學生的生物學學科核心素養發展也是非常綜合的，且不同學校、不同學生之間也有很大的差異。所以，在多元化、多維度的基礎上，現有的科學思維的進階研究可能還需要今后更多的實踐積累、總結提升。

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