用支架式教學模型培養學生高階思維探究

吳倩　程建欣

摘 要：基于學生思維滑坡較為嚴重的現狀，在教學中借鑒“支架式”教學理論，構建以問題驅動為導向、知識為載體、設置具體的情境，通過開展探究活動以達成教學目標的“四維一體”支架模型，培養學生在生物學學習中的高階思維。

關鍵詞：“支架式”教學模型；問題導向；高階思維

在教育改革的背景下，對學生的整體性思維和系統性思維要求更高，因此在教學目標制訂時，本著在生物學習過程中培養、鍛煉學生高階思維能力的目的，借鑒“支架式”教學理論搭建一種概念框架，使學生在獲取新知識的同時，思維得到同步進階。

“支架式”教學源自維果茨基的“最近發展區”理論，教師以問題驅動為導向、知識為載體、設置具體的情境，通過開展探究活動以達成教學目標的“四維一體”支架模型。“支架式”教學為學生理解知識提供一種概念框架，這種框架中的概念是學生發展問題解決能力所需要的，為此，事先把復雜的學習任務加以分解可以逐步加深學習理解[1]。本文探索性地將“支架式”教學拓展應用到培養學生在生物學習中的高階思維能力。高中生物學中涉及的具體高階思維包括：抽象思維（分析與綜合、比較、歸納、假說——演繹、因果與推理）和創新性思維、批判性思維等。

一、構建“支架式”教學模型

構建“支架式”教學模型：教學目標是核心，問題驅動、探究活動、情境創設、知識授予這四個維度都要指向教學目標；情境、探究活動、知識、問題驅動這四者相輔相成：創設情境能更好地進行活動探究，在探究中獲取知識，而后進一步進行問題驅動，達到教學的生成。反過來，以問題驅動激發學生思維，讓學生在問題的指向下獲取知識，便于學生更好地進行活動探究，最后再以情境創設檢驗探究的成果。總而言之，這四個維度無論以哪一個為起點，都能夠輻射另外三個維度，而這一切又緊緊圍繞教學目標展開，這也是架構式教學的優勢，既能夠靈活設計處理各個教學環節，又能夠不蔓不枝，緊緊圍繞教學目標這個核心，最終形成思維活躍、探究深入、學習高效的理想課堂。

二、利用“支架式”教學模型培養高階思維策略

高階思維能力是學生應該具備的適應終身發展和社會需要的必備品格和關鍵能力，培養高階思維就是形成高階思維能力的重要途徑[2]。

（一）借鑒科學家的思路和方法培養高階思維

實例1：細胞膜成分和結構的探索

問題驅動：細胞膜是物質的實體，它由什么物質構成的呢？又是怎樣的一種結構？

情境和已有知識的融合：將紫色洋蔥外表皮細胞制作臨時裝片，將甘油滴加在蓋玻片的一側，另一側用吸水紙引流。現象：細胞出現質壁分離，一段時間后出現質壁分離復原。

學生推測出：細胞能吸收甘油，因為甘油是小分子物質容易進入細胞，說明細胞允許甘油通過。

探究活動：

子問題1：利用相似相溶的原理，推測細胞膜含有的成分？

學生推測：有脂質

子問題2：如何證實細胞膜的成分？借助歐文頓實驗并展示科學家提純和鑒定結果。

得出結論：細胞膜中含有脂質，其中磷脂所占比例較大。

子問題3：根據磷脂分子的結構，請用磁鐵片在黑板上展示，磷脂分子在空氣—水界面如何分布？

學生展示：親水性的頭部都朝下、疏水性尾部都朝上。

通過朗繆爾的實驗證實脂質分子鋪展在空氣——水界面上，發現脂質分子形成單分子層。

子問題4：磷脂分子在水中是如何分布的？為什么？

學生推測：當磷脂分子的內外均是水環境時，磷脂分子“尾部”相對排列在內側，“頭部”朝向兩側的水環境，形成磷脂雙分子層。

子問題5：能否得出細胞膜中的磷脂分子就是雙分子層的結論呢？補充戈特和格倫德爾的實驗結果。

得出結論：細胞膜的磷脂分子是雙層分子。

子問題6：細胞膜中還存在其他成分嗎？借助丹尼利和戴維森實驗。

學生推測：細胞膜中可能還存在蛋白質

子問題7：如何證實推測？借助科學家提取紅細胞膜并進行化學成分分析。

得出結論：細胞膜中還有蛋白質。

子問題8：蛋白質分子以何種方式分布在磷脂雙分子層中？

新技術證實：20世紀60年代出現了冰凍蝕刻技術，讓細胞膜中蛋白質分布的神秘面紗揭開。

構建新知：細胞膜的主要成分是脂質分子和蛋白質分子。細胞膜的基本支架由磷脂雙分子層構成，蛋白質分子有的鑲嵌、有的貫穿在磷脂雙分子層中。

思維能力訓練：在目標問題驅動下、隨著子問題層層深入，在推理、猜測、驗證與結論中體現了抽象思維及邏輯思維的訓練。

環節點評：這種逐層推進，由淺入深、由表及里的訓練，在保證學生趣味性的同時，讓他們不知不覺中進入到了更深層次的認識與探究之中，保持了他們的好奇心和探索精神。同時滲透了結構和功能觀、進化與適應觀。

（二）類比法培養學生高階思維

實例2：動物細胞培養的條件

問題驅動：如何在體外創造出一個適合細胞生長的環境呢？

誤解設置和已有知識的結合：體內細胞生活在組織液、血漿、淋巴等構成的內環境中。消化道對食物消化、吸收所獲得的營養物質大部分進入血漿中。還有部分物質是由神經系統、內分泌系統、免疫系統的細胞產生的分泌物，如激素、生長因子等，這些是細胞生長所需的調節性物質。通過呼吸系統保證了內環境中氧氣和二氧化碳濃度的相對穩定，泌尿系統通過泌尿保證內環境的有毒物質及時排出體外，免疫系統保證內環境的無菌環境。正常狀態下，體內細胞一般生活在一個營養豐富、無菌無毒、理化性質穩定的環境中。

探究活動：

子問題1：實驗室培養細胞所需要的條件分別對應內環境的哪些部分？

子問題2：動物培養瓶有什么特點？能不能達成所需要的條件？

子問題3：動物細胞大規模培養需要提供什么條件？如何實施自動化控制？

類比分析思想：動物細胞大規模培養體系裝置，看上去似乎非常復雜，如果從細胞生活的條件去考慮的話，你可能一下子就明白了。

整個裝置的核心是細胞培養罐，里面含有動物細胞和培養液，相當于人體內的細胞和生長環境。細胞生長增殖的各種指標通過相應的探針進行監測（溫度、PH、氣體環境），通過調控實現穩定。

進入培養罐的培養基、空氣經過滅菌后進入培養罐前還要經過無菌過濾器，防止污染。必要時還會向培養基中添加抗生素。通過控制培養基進入和產品流出的速度，保證營養物質的供應，又防止有害代謝物質的積累。

除此之外，還要控制好攪拌的速度，促進細胞與營養物質充分接觸，同時又不能攪拌過快，為了及時了解培養進程，通過光密度計監控細胞密度，了解細胞培養進程，以便及時進行調整。

新知構建：動物細胞的培養條件：營養，無菌、無毒的環境，溫度、PH和滲透壓，氣體環境。

思維能力訓練：通過對動物細胞的培養條件的展開分解，再到培養罐的類比還原、功能實現，為學生創新思維的延伸提供一條路徑；

環節點評：通過對內環境成分及人體各大系統在生命活動調節層面的分析，利用類比法拓展學生創新思維，將細胞學原理滲透到工程學中，為學生以后在實際生產中設計工程學方案提供了新思路。

（三）利用假說—演繹法培養學生高階思維

實例3：驗證基因分離定律

問題驅動：寫出驗證分離定律的思路和預期結果

情境：以自然條件下獲得的甜玉米子粒、非甜玉米子粒，為材料來驗證基因分離定律。

已有知識：1.玉米是一種二倍體異花傳粉作物，在自然狀態下，既可進行雜交也可進行自交。2.判斷顯隱性的方法3.假說—演繹法的具體流程。

探究活動：

1.提出問題：①甜玉米和非甜玉米，哪種性狀為顯性性狀？

②顯性性狀的基因組成，是純合子還是雜合子？

③方法確定：雜交法還是自交法？

2.提出假說：甜的玉米子粒和非甜的玉米子粒，若用B/b表示控制該子粒性狀的等位基因，且甜玉米子粒為顯性性狀，則這兩種玉米對應的基因型分別為B和bb。

3.演繹推理：①讓甜玉米與非甜玉米雜交，F1表現一種性狀，F1自交得到F2，F2中出現3：1的性狀分離比。

②甜玉米與非甜玉米雜交，F1表現一種性狀，且出現1：1的性狀分離比。

4.驗證假說：在雜合子細胞中，形成配子時成對的遺傳因子發生分離，分離后的遺傳因子分別進入不同的配子中，隨配子遺傳給后代[3]。

新知構建：針對不同的實驗材料，選擇的實驗方法有所差別，但最終目的都是要創造出雜合子，以便在減數分裂時產生等量的B和b配子，證明基因分離定律。

思維能力訓練：假說與驗證，不僅能提升學生發散思維能力，還能有效的鍛煉他們批判性思維的能力，在這樣一種互相促進的循環中找到

真知。

環節點評：以假說—演繹法為抓手，基于生物學的原理、研究方法和思想，將現有的素材進行了綜合分析和運用，培養了學生知識遷移及相關的實驗設計能力，同時為他們今后如何解決遇到的問題，提供了一種方法。

（四）基于問題求解的創新策略培養學生高階思維

實例4：垃圾分類

問題驅動：如何處理分類的垃圾？

情境設置和已有知識：每個小區都有四種顏色的垃圾桶，學生清楚地知道每種顏色的垃圾桶應該投放的垃圾類型。垃圾分類的目的：可以減少環境污染、提高資源的利用率、實現物質的循環再生。

探究活動：

聚焦廚余垃圾的處理，廚余垃圾含有大量有機物，從能源開發角度考慮利用價值比較高。現有的廚余垃圾處理技術可分為生物法、物理法、化學法等，具體的處理技術包括破碎直排處理技術、厭氧處理技術、蚯蚓堆肥技術、微生物菌體處理技術、飼料化處理技術、焚燒處理技術、制肥處理技術

等[4]。基于學生已有的微生物知識，選用以下方案進行探究。

子問題1：微生物能否降解廚余垃圾？

子問題2：如何分離得到能分解廚余垃圾的微生物？

子問題3：如何篩選出高效分解廚余垃圾的微生物？

子問題4：在自然條件下如何保證微生物的正常生長、繁殖？

學生查閱相關資料：微生物的選擇

白星花金龜是一種常見的鞘翅目昆蟲，節肢動物，其幼蟲為腐食性，在自然界中可以取食腐爛的秸稈、雜草以及畜禽糞便等。白星花金龜生長發育速率與溫度的關系特別密切，14～23℃時食量增多，活動增強，生長發育較快。白星花金龜成蟲具有強烈的趨腐性及“趨糖”性，喜歡取食腐爛的果實。因此可以從腐爛的食物、水果中篩選出該種微生物（相當于從選擇培養基中篩選）。

根據已有知識，可以將篩選出的微生物接著用廚余垃圾制作的培養液中培養，分別測定各瓶中剩余物的含量，接著再培養，重復多次，直至獲得純化的目的微生物為止。實例：處理過的廚余垃圾和菌渣的混合體作為白星花金龜幼蟲的飼料，給予幼蟲適宜的存在條件，經過幼蟲的過腹處理，降低垃圾含量。幼蟲獲取垃圾中的營養后，逐漸長成成蟲，成蟲可用于飼喂家禽，成蟲產生的糞便可以用作有機肥。

思維能力訓練：培養了學生在真實情境中解決實際問題的能力，這是一種思維能力的遷移。

環節點評：以降解垃圾之變廢為寶作為真實情景，借助已學過的微生物培養技術、生態學原理和一些成功案例，逐漸細化設計方案和實施方案，最后達到雙贏的效果，其實就是對學生創新思維很好的培養。

三、教學感想及啟示

（一）“支架式”教學模型能啟發學生的高階思維，幫助學生形成愛思考、善分析的良好品質。“支架式”教學的核心是以問題驅動為“抓手”實現教學目標，把教學中的有效問題分解成很多的子問題，借助相應的知識載體和技術手段來解決這些問題，通過學生的推理判斷、綜合分析等構建相應的概念及概念框架。教材中的例子比比皆是，例如：酶的概念、伴性遺傳的概念、植物組織培養概念等，這些概念都是基于一個個生物學事實和證據，運用歸納法概括出的規律。這樣的概念就是在特定的情境中逐漸生成的，當學生再次遇到類似情境時就能運用生物學的原理和規律，對結果或發展趨勢做出判斷，這也是對學生高階思維培養很好的路徑。在概念教學中如果都能按照這樣的思路來實施，形成的概念再也不是死記硬背，而是更深層次的理解。

（二）“支架式”教學模型既是新知的“生長點”，也是高階思維培養的“起點”。學生已有的知識就像一片肥沃的土壤，為孕育新知提供了良好的條件。圍繞教學目標進行的問題驅動就是新知識的“生長點”，例如在摩爾根的實驗中，子二代出現紅眼：白眼=3：1，這與孟德爾的分離比例完全吻合，但發現了新的現象——白眼性狀只存在于雄性果蠅中。學生就會產生質疑，教師順勢引導學生利用假說——演繹法進行探究，這就是一個新知的“生長點”，這種方法的掌握和思維模式的形成，也是高階思維培養的“起點”。

結束語

總而言之，教師要轉變角色，不只是帶著自己積蓄的“一桶水”去給予學生，而應該以培養學生的高階思維、讓學生具備攫取水源的能力，高階思維的培養也必將為學生今后的創造性思維培養打下堅實的基礎。新時代的卓越教師不只是知識的傳播者，更應該是思維的培養者，這才是真正地“授人以漁”。在未來，“支架式”教學模式在課堂教學中發揮的作用將越來越大，高階思維的培養也必將為學生今后創造性思維的培養打下堅實基礎，經歷過高階思維的培養，有助于學生成為敢于創新、善于創造的新時代青年。

參考文獻

[1]張琳，于冬青，李迅，等.基于支架式教學的單元復習課教學策略[J].中學生物教學，2022（27）：79-80.

[2]周有祥.指向高階思維能力培養的表現性評價：2021年高考全國乙卷生物學試題例析及教學啟示[J].生物學教學，2022，47（1）：76-78.

[3]朱正威，趙占良，曹保義，等.普通高中教科書生物學必修2遺傳與進化[M].北京：人民教育出版社，2019：6.

[4]蔣建國，耿樹標，羅維，2020年中國垃圾分類背景下廚余垃圾處理熱點回眸[J].科技導報，2021，39（1）：261-276.