創設認知沖突發展高階思維
——以“動物細胞融合技術與單克隆抗體”為例

曹正瓊 路 遙 郭 威

(湖北省襄陽市第三十六中學 湖北襄陽 441021)

高階思維是發生在較高認知水平層次上的心智活動或認知能力,其關鍵為在已知基礎上進行“跨越”。教師若在教學中設計制造認知沖突,可以激活學生思維,激發其學習的內驅力,增加課堂中學生有意注意的時間,促使學生在深度學習過程中積極建構與完善知識結構,在認知沖突的解決和轉化過程中,實現分析、綜合、評價、創造等高階思維的發展。下文將以人教版生物學教材《選擇性必修3·生物技術與工程》第二章第二節“動物細胞工程”中“動物細胞融合技術與單克隆抗體”部分內容為例,探討認知沖突設計在教學中的具體運用。

1 課標與教材分析

根據《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》),梳理本節課的各級概念如下(表1),兩個次位概念既是本章也是本節的教學重點。其中,動物細胞融合技術為單克隆抗體的制備開辟了新途徑,而兩者在動物細胞工程領域中均占據重要地位。

表1 “動物細胞融合技術與單克隆抗體”小節各級概念

從教材內容上看,“動物細胞融合與單克隆抗體”選自人教版《選擇性必修3·生物技術與工程》第二章第二節“動物細胞工程”。前一節“植物體細胞雜交技術”的學習為本節課打下良好的認知基礎,同時該內容又與《選擇性必修1·穩態與調節》第四章第二節“特異性免疫”聯系緊密。

從教學內容上看,本節內容主要涉及動物細胞融合技術、單克隆抗體及其應用兩個方面,而單克隆抗體的制備是動物細胞融合技術最重要的應用,為本節的重難點。

2 學情分析與教學目標的確立

基于過往學習,學生已了解植物細胞原生質體融合的原理及方法,掌握免疫細胞、特異性免疫過程等相關知識,且通過必修教材的學習,已具備一定的建模能力。基于上述分析,確立本節課的核心素養目標:

(1)通過對比、比較等思維方法,明確動物細胞融合的概念及所需條件。

(2)通過建模等科學方法,理解單克隆抗體制備的具體過程。

(3)通過關注及搜集資料,認同單克隆抗體在臨床上具有重要的應用價值。

3 認知沖突的創設

根據核心素養目標,選用多種方式激發學生的認知沖突,切實提高認知沖突的深度和廣度,并通過討論方案、模型建構、展示評價、創設知識遷移或運用情境等活動,以解決及轉化認知沖突,使學生間發生思維碰撞,幫助學生在自主建模、合作交流中獲取知識、領悟方法和提升能力。課程具體設計如下。

3.1 認知沖突設計一:創設真實情境激發認知沖突,導入課題學習

在導入課題環節,教師要善于發現認知沖突的興奮點,廣泛收集、整理相關素材,為學生創設有足夠沖擊力,能引發學生深入思考的認知沖突情境。

如人們被貓狗抓傷或咬傷后要注射狂犬疫苗,這是學生熟知的生活常識。課上,教師先展示一則新聞標題,“女子被流浪狗咬傷,注射疫苗后狂犬病發作死亡引發網友熱議”。而學生基于已有的生活經驗,無法解釋上述事實,由此產生認知沖突驅使學生一探究竟。

其后,教師再呈現新聞的具體內容,使學生了解遭遇嚴重咬傷時要同時注射狂犬疫苗和狂犬病毒抗體,而非僅注射疫苗。接著,進一步引導學生結合已學的特異性免疫知識,明確注射原因并引出課題“價值千元的狂犬病毒抗體究竟如何制備”。以此,創設可激發學生認知沖突的真實情境,引起學生“認知失衡”,激發學生的求知欲和好奇心,使其產生解決認知矛盾的內在需要,提供主動實現知識建構的契機和動力。

3.2 認知沖突設計二:新舊知識聯系激發認知沖突,小組討論方案解決、轉化沖突

教師全面、科學地分析學生已有的知識和教材內容,找到“新舊知識結合點”,分析原有知識和新知識之間的差異及形成差異的原因,開展針對性教學,以此產生的認知沖突能促使學生主動改變原有概念,從而促進新概念的形成。

宏觀來講，其中涉及到長時期演變——不同朝代的營造活動本身的時代特征；以及短時期演變——重大歷史事件帶來的影響，如移民活動等。中觀來看不同區域的匠派發展具有其特殊的傳承脈絡。隨著工具的進步、社會的發展及審美等的變化，本身匠派的營造發展也隨之變化，結構更為穩定，同時更追求美觀。具體而微，匠師個人的接受與傳承活動本身就具有一定的變化與不確定性。

例如在“單一抗體的制備方案”學習環節中,若直接呈現英國科學家米爾斯坦和德國科學家科勒設計的制備方案,會讓學生失去一次自主思考、推理方案的機會。因此,教師可先引導學生結合已學知識,整理出如下信息:合成并分泌抗體的細胞是經免疫的B淋巴細胞→每一個經免疫的B 淋巴細胞只能產生一種特異性抗體→傳統生產的血清抗體產量低、純度低、特異性差。然后,再組織學生開展小組活動,討論單一抗體的制備方案。新舊知識間的沖突和學生間的思維碰撞,使小組討論更加熱烈、深入,最終提出制備方案:將一個經免疫的B 淋巴細胞和無限增殖的瘤細胞融合,形成既能大量繁殖,又能產生特定抗體的細胞;再通過細胞培養技術,獲得單一抗體。

此時,教師再展示兩位科學家設計的單克隆抗體制備方案,并介紹科學家們以這一極富創造性的實驗榮獲諾貝爾生理學或醫學獎。當學生發現自己提出的制備方案與科學家的想法大體相似時,將會信心大增。此外,有的小組還在此基礎上提出新方案:將無限增殖的調控基因導入經免疫的B 淋巴細胞。教師趁此提出,創新是進步的不竭動力,鼓勵學生勤于觀察,勇于創新。

3.3 認知沖突設計三:設置問題串激發認知沖突,小組建模評價解決、轉化沖突

教師基于學生的既有認知結構,設置有梯度、多層次的問題串,使學生產生持久的學習熱情,推動學生認知由已知區走向最近發展區,全面發展高階思維能力,引導學生在探究問題的過程中主動完成認知結構的建構。

本節課的重難點在于單克隆抗體具體制備過程的教授。在第一輪嘗試教學階段中,教師組織學生先自學教材內容,再以小組為單位,圍繞問題串展開討論;然后鼓勵小組建構單克隆抗體制備模型,描述具體過程;最后由小組代表展示、解說模型。在該種教學設計中,學生雖能通過自學教材和小組模型建構等活動,引發一定的認知沖突,但因為學生已提前自學因此在模型建構時思維受到束縛,自主性較弱。在第二輪優化教學階段,教師在保留小組展示評價模型的基礎上,組織學生分步驟在展板上建構單克隆抗體制備模型,展示板上可選擇粘貼模具或繪制圖文信息等,分步建構設計具體如下。

3.3.1 建構細胞融合模型階段

教師請各組學生從材料盒中拿取B 淋巴細胞和骨髓瘤細胞模型,要求學生自主完成細胞融合的模型建構,并在學生構建完成后引導組間相互觀摩。通過組間學習,發現有的組只選取一種顏色的B 細胞和骨髓瘤融合,獲得一種融合細胞;有的組則選了多種顏色的B 細胞,繪制多種融合細胞。基于學生建構的不同模型,教師拋出問題1:比較各小組模型,說說哪組模型建構更科學? 此問激發學生深入思考,在比較、辨析中找出不同模型的異同點,引導學生從哺乳動物體內現存的B 淋巴細胞種類和誘導動物細胞融合的成功率兩個角度,判斷最為科學、合理的模型。

如何從融合及未融合的各類細胞中篩選出雜交瘤細胞? 對學生而言,現有的知識儲備不足以回答該問題。為此,教師提供資料:已知細胞合成DNA 有D和S 兩條途徑,其中D 途徑能被氨基嘌呤阻斷。在小鼠經免疫的B 淋巴細胞中,存在這兩種DNA 合成途徑,但一般不分裂增殖;而小鼠的骨髓瘤細胞中DNA只通過D 途徑合成,能無限增殖。請學生根據上述信息,建構出含氨基嘌呤的選擇培養基以篩選雜交瘤細胞的模型。

3.3.3 建構獲取單一抗體的模型階段

基于上述分析討論,學生發現培養多種雜交瘤細胞最終能獲得多種抗體,無法實現獲取單一抗體的需求。教師對此發現表示肯定,并提供進一步解決問題所必要的材料模型——96 孔板,介紹其用法:將雜交瘤細胞群稀釋,每個孔盡量只接種1 個細胞進行克隆培養,一段時間后,每個小孔的上清液內就僅含有該雜交瘤細胞產生的特定抗體。教師繼續提問:哪個孔內上清液所含的抗體是我們需要的抗體? 學生聯系所學知識,找到抗體檢測的辦法,即運用抗原—抗體雜交原理,篩選出抗體檢測呈陽性的雜交瘤細胞,由此建構獲取單一抗體的模型。

3.3.4 建構獲取大量單克隆抗體模型階段

其后,教師進一步拋出問題:這樣獲得的雜交瘤細胞數量有限,怎樣獲得大量的單克隆抗體呢? 通過該問題引導學生明確如果想要制備大量單克隆抗體還需雜交瘤細胞增殖,由此完善模型。

在整個模型建構過程中,通過層層遞進的問題串,激發學生不斷產生認知沖突。學生為消除“認知失衡”以實現新的認知平衡,會迅速激活原有的認知結構,從中選擇相關信息,并結合新信息進行有目的的加工和整合,歷經推理、歸納、建模、評價等思維過程,有效促進高階思維的發展。

圖1 建構單克隆抗體制備模型過程中的問題串

本節課運用了創設真實情境、新舊知識聯系、設置問題串等方法激發學生的認知沖突,并在激發沖突后,設計多種課堂活動如方案設計、模型建構、展示評價等,引導學生進行辨析、推理、討論、建模、展示、評價等,以解決和轉化認知沖突。在完善認知結構,提升認知水平的同時,學生的高階思維得以提升,情感及態度也隨之升華。

4 高階思維發展情況測評

學生的思維發展外顯化,可以幫助教師及時調整或改進教學策略。為此,參考多篇有關高階思維能力測評量表編制或應用的文獻,編制《中學生高階思維評價量表》,從分析、決策、協作、創造、遠遷移五個維度對學生的高階思維發展進行量化評價(表2)。

表2 中學生高階思維評價量表

此量化評價在認知沖突設計運用教學前及實施半年后進行,量化分析結果如圖2所示。觀察圖2可以發現,在教學實施前后,高階思維五個維度的平均得分均在3 分以上,這說明學生已有的高階思維處于中等水平。通過一段時間的實驗教學,學生在五個維度的量化評價得分均有一定提升。其中,在“決策—綜合”維度的得分增幅最大,即學生選擇和評估解決方案的思維能力提升最明顯;“決策—分類”和“協作”等思維的得分增幅次之;在面臨陌生問題時,整合過往經驗對目標進行分析,發生新舊經驗相互作用的“遠遷移”思維小有進步;而高階思維的核心——批判性思維與創造性思維得分增幅最小。

圖2 中學生高階思維發展量化評價

通過分析實驗數據,教師可以獲得下一階段的明確教學方向,修正教學目標和方法。上述結果提示各位教師,仍需在學生自我反省、思想開放度、材料加工,考慮設計可行性等方面加強訓練。