指向高階思維發展的高中生物學問題鏈設計

［摘 要］文章以“DNA的結構”為例，圍繞DNA雙螺旋結構模型的發現史，將問題鏈的教學設計與學生的高階思維發展相結合，旨在實現學生思維層次由低到高的進階。

［關鍵詞］高階思維；問題鏈；高中生物學

［中圖分類號］" " G633.91" " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）23-0085-04

高階思維是一種以高層次認知水平為主的綜合能力，比如問題求解能力、決策制定能力、批判性思維能力和創造性思維能力[1]。美國教育學家布盧姆根據教育目標的具體實現所需要的思維復雜水平，將認知過程分為記憶、理解、應用、分析、綜合和評價，其中后三個維度就是指向高階思維。《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》）中提出對學生科學思維進行培養，而科學思維包括歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創造性思維等。其中模型與建模、批判性思維、創造性思維屬于高階思維的范疇。教學應該更多地著眼于學生適應未來社會發展和個人生活的需要，培養學生適應未來生活的必備品格和關鍵能力。因此，課堂教學目標不能只停留在對低階思維的培養，應采取更能促進學生思維發展的教學模式，讓學生思維由低階向高階轉變。問題鏈教學策略聚焦于問題的解決，結合學生的認知發展水平和教學目標，設計一系列具有邏輯梯度、層層遞進的問題，帶領學生在探究的過程中完成知識點的學習，激發學生的求知欲，培養學生的問題解決能力，促進學生思維的發展。本文以人教版必修二中的“DNA的結構”為例，闡述在科學史的背景下如何通過問題鏈引導學生進行探究活動，并達到培養學生高階思維能力的目標。

一、指向高階思維發展的問題鏈設計原則

（一）問題鏈設計的合理性

一要以知識為依托選擇問題鏈的內容以及形式，不同形式的問題鏈具有不同的功能。因此，不同課型的問題鏈側重點也有所不同，更加聚焦本節課的課程目標。例如，遵循知識內容的演進規律可以創設“分列式”問題鏈和“遞進式”問題鏈，而教學情境沖突時可以創設“兩難式”問題鏈[2]。問題鏈教學中的問題鏈類型并非每堂課固定不變，教師應依據本節課的具體教學內容設計適合本節課的問題鏈。二要以學生能力為依托設計問題。在設計問題鏈之前應對學情進行分析，了解學生的最近發展區，并能夠兼顧到大部分學生的思維發展。例如，對后進生采用創設情境的方法，即結合后進生的思維水平創設適合學生發展的問題情境，在一個個問題情境中發展后進生的思維水平；對中等生采用遞進提問的方法，即將一個教學目標逐步拆解為若干個問題，讓學生更多地參與到課堂中，給學生提供更多猜想和實踐的機會；對優等生采用突破問題的方式，拓展其認知及提高其能力。例如，在一條問題鏈上設計必做的問題和高難度的選做問題，全部學生做必做問題，而有能力的學生可在教師的指導下完成選做問題[3]。

（二）問題鏈設計的層次性

在設計問題鏈時應遵循循序漸進的原則，前面的問題偏向具體知識的理解和概括，隨著問題的逐漸深入，后面的問題應逐步過渡到原理的應用、具體問題的解決以及知識的綜合應用等方面，即指向學生高階思維發展的問題鏈應該在具體知識的基礎上提出更有挑戰性的問題讓學生去探究和思考。高階思維的發展依賴于學生的深度思考，因此問題深度和難度的逐步過渡，是學生在問題鏈教學中思維得到發展的必要前提。

（三）問題鏈設計的探究性

問題鏈教學中的主干問題是激發興趣、引發困惑、 體驗意義的重要載體。教師在設置問題鏈時應設置開放性的問題，給學生思考的空間，而開放性的問題往往有多個解，教師可以引導學生從多方面去思考解決問題的方式，發展學生的創造性思維。此外，探究是發展學生高階思維必不可少的因素之一，因此，教師在問題鏈的教學中給予學生探究的空間，讓學生在探究的過程中提高發現問題與解決問題的能力、動手能力、團隊協作的能力與創新能力。

二、指向高階思維發展的問題鏈教學設計案例

（一）基于課標、教材和學情制訂預期教學目標

首先，“DNA的結構”一節選自高中生物學必修二第三章第二節，本節課對應新課標中的次位概念“概述DNA分子是由四種脫氧核苷酸構成，通常由兩條堿基互補配對的反向平行長鏈形成雙螺旋結構，堿基的排列順序編碼了遺傳信息”，是本節課需要建構的重要概念。本節課具體學習DNA雙螺旋模型的構建以及DNA的結構和特點，滲透DNA的結構與其功能相適應的觀念，其中DNA結構的主要特點是本節課教學的重難點。本節知識既是前面所學內容“遺傳因子、基因在染色體上、DNA是主要的遺傳物質”在知識邏輯上的延續，也為后續學習RNA的相關知識、DNA的復制以及基因的表達奠定了基礎，同時還為后續的學習提供了方法基礎。

其次，學生在初中已經學習了生物的遺傳與變異，了解到DNA是長鏈狀的分子，呈螺旋形，學生也通過必修一的學習掌握了核酸的物質組成，這些都為本節課的學習打下了基礎。然而，學生雖對DNA有了一定的認識，但仍處于感性層面，對DNA的結構、堿基的互補配對原則、DNA結構的特性、DNA成為主要遺傳物質的原因等尚存有疑問。另外，此前的學習使得學生初步具備了一定的邏輯分析能力和建模能力，這將有助于其本節課完成對科學史資料的分析以及DNA模型的建構。

基于以上分析，筆者制訂如下教學目標：（1）綜合分析科學史資料后，分組進行問題鏈的探討，從而全面認識DNA分子的雙螺旋結構，進一步形成“結構與功能相適應”的生命觀念，發展質疑、實證等科學思維能力；（2）通過對問題鏈的探討和解答，能夠總結出DNA結構的特點以及堿基的相關計算規律；（3）通過建構DNA結構模型，準確掌握DNA分子的結構特點，發展“模型與建模”科學思維。

（二）情境設置

本節課的情境主要圍繞DNA雙螺旋結構模型的發現史來設置。以科學家發現知識的路徑為主要載體，以問題鏈的形式沿著科學家的思路，引導學生一步步發現DNA的結構。

（三）關鍵問題設計和解決路徑

（四）教學過程

環節1：呈現歷史，導入新課

展示北京中關村高科技園區的DNA雕塑的圖片，沃森與克里克1953年發表在《自然》雜志上的論文《核酸的分子結構——脫氧核糖核酸的一個結構模型》，以及1962年沃森、克里克和威爾金斯榮獲諾貝爾生理學或醫學獎的合影后，教師提問：這三位科學家究竟是如何發現DNA結構的呢？他們各自都為發現DNA結構作出了怎樣的貢獻？由此引入對DNA結構的探討。

設計意圖：通過展示科學史上重要的歷史事件及巧妙設問，引出本節課的主題，從而激起學生探索的興趣，引發學生的求知欲。

環節2：探究DNA單鏈的結構

教師通過多媒體呈現資料，即在沃森和克里克決定合作進行DNA結構的研究之前，科學界已經認識到DNA是以4種脫氧核苷酸為單位連接而成的長鏈，這4種脫氧核苷酸分別含有A、T、G、C 4種堿基。

教師提問：（1）脫氧核苷酸有哪些組成部分以及脫氧核苷酸的結構是什么樣的？（該問題的思維層次指向記憶和理解，引導學生回憶脫氧核苷酸的結構）（2）DNA的組成單位脫氧核苷酸與RNA的組成單位核苷酸的區別是什么？（該問題的思維層次指向記憶和理解，引導學生對比回憶的同時復習脫氧核苷酸中五碳糖上各碳原子的位點）（3）類比氨基酸脫水縮合形成肽鏈的原理，對脫氧核苷酸之間的連接可以有幾種假設？你更偏向于哪一種？說明理由。（該問題的思維層次指向分析，難度稍大，需要學生調用先前學習的ATP結構的相關知識，并在討論之后能夠提出兩種假設，即磷酸基團與磷酸基團之間、磷酸與脫氧核糖之間，而磷酸與脫氧核糖之間的連接更加穩定）

設計意圖：遞進式的問題鏈不僅在知識上一步步地由舊知引入新知，也在思維層次上向高階思維進階，能激發學生的學習熱情，訓練學生的分析能力，讓學生在不斷的思考中復習舊知，建構新知，同時也為后面的學習打下基礎。

環節3：探究DNA雙鏈的連接方式

教師呈現三則資料：

資料1： 物理學家威爾金斯分析DNA分子發現，每個DNA 結構單位都有22個脫氧核苷酸，每條鏈上都有11個脫氧核苷酸。

資料2：沃森曾設想DNA雙鏈的連接方式為兩條鏈的磷酸基團相互連接，鎂離子與磷酸根形成鹽鍵，這種連接方式使得堿基位于DNA雙鏈的外側，磷酸基團位于DNA雙鏈的內側。

資料3：富蘭克林通過實驗證明得到堿基疏水，磷酸親水，DNA分子在細胞內處于水環境中。

學生閱讀完資料后，教師提問：（1）你推測DNA雙鏈的連接方式是怎樣的？（該問題的思維層次指向綜合分析、演繹推理）（2）沃森的猜想是否完全科學？如果不科學，DNA雙鏈的連接方式應該是怎樣的？（結合資料3學生能夠認識到沃森的猜想并不正確，該問題能培養學生的批判性思維，并滲透“邏輯和實證相符合、結構與功能相統一”的觀念）（3）從上述資料中，你知道科學應具有什么樣的特點嗎？（學生認識到科學應該是經過實證后的觀點。）

設計意圖：因果式問題鏈更多地指向分析、綜合評價、演繹推理以及批判性思維等高階思維。設計因果式問題鏈，使學生通過演繹推理得到DNA雙鏈的連接方式，完成對沃森猜想的評價，由此發展批判性思維，培養證據意識，理解科學的實質。

環節4：探究堿基的配對方式

教師呈現兩則資料：

資料1：衍射圖譜（如圖1）顯示，DNA雙鏈的距離恒等。

資料2：堿基A、T、G、C的化學結構如圖2所示。

教師引導學生閱讀完資料后提問：（1）根據以上兩則資料你能提出關于堿基配對的幾種假設？（學生在分析資料的過程中很容易提出兩種假設，該問題主要培養學生的分析性思維和綜合性思維）（2）在書中的“思考與討論”中找到證據，驗證哪一種假設成立（強化學生的證據意識，發展學生的批判性思維）。

設計意圖：在遞進式問題鏈中，學生只有完成問題（1）的解答才能完成問題（2），也只有通過分析資料才能一步一步地找到問題的答案。此問題鏈可訓練學生的分析能力并在此過程中強化學生的證據意識。

環節5：探究DNA雙鏈反向平行的雙螺旋結構

根據以上結論，教師接著提出以下問題：（1）對于兩條DNA單鏈的方向可以有幾種假設？（學生提出關于DNA方向的兩種假說之后，教師呈現富蘭克林實驗的資料，引導學生得出DNA雙鏈反向平行的結論）（2）根據已經連接好的DNA雙鏈的結構圖，我們可以發現堿基的比值和數量之間有什么規律？（該問題指向應用分析性思維的培養，依據A和T的數量相等、G和C的數量相等這一事實，引導學生總結相關的計算規律）（3）DNA的兩條鏈連接之后，DNA的結構是平鋪的嗎？如果不是，根據衍射圖它應該是怎么樣的？（4）DNA的結構可以用一句話總結嗎？這樣的結構會讓DNA具有什么特性？（在培養學生綜合性思維的同時，滲透“結構與功能相適應”的生命觀念）（5）沃森和克里克的研究過程涉及哪些學科的知識和方法？ （回顧科學史，培養學生的分析性思維和跨學科意識）

設計意圖：設計并列式問題鏈，以提問探究代替直接講述，完成對DNA結構及其特性的總結，由此引起學生的注意，提高學生課堂的參與度，從而實現高階思維的進階。

環節6：歸納總結，模型建構

教師帶領學生總結DNA的結構和特點，升華科學史中科學家的奉獻精神和團結合作精神，并提出以下任務：（1）嘗試用材料構建DNA的結構模型；（2）為什么說DNA是規則的雙螺旋結構？在模型的建構過程中找到答案；（3）根據DNA的結構和特點，設想如何復制DNA。

設計意圖：本環節的問題鏈能夠啟發學生思考，培養學生在動手操作中解決問題的能力。模型的建構會讓學生對DNA雙螺旋的結構理解得更加深刻。而讓學生帶著思考建構模型，既拓展了思考的問題，也為下一節課的學習打下了基礎。

三、教學反思

本節課的設計亮點在于，將問題鏈的教學設計與生物課堂上的高階思維發展相結合，使得學生的高階思維發展有了落腳點。本節課的教學設計中，以學生預期的學習結果為起點，在每一個環節設計一個關鍵問題，在關鍵問題之下又設計了問題鏈助推關鍵問題的解答，并且在問題鏈的設計過程中，確保問題設計的漸進性以及思維的層次性，最終實現對學生高階思維的培養。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

[1]" 鐘志賢.教學設計的宗旨：促進學習者高階能力發展[J].電化教育研究，2004（11）：13-19.

[2]" 吳強.活用“問題鏈”[J].思想政治課教學，2022（1）：55-56.

[3]" 賀文臻.立足問題鏈 發展高階思維：初中數學教學中問題鏈應用策略[J].青海教育，2023（合刊2）：84，86.

（責任編輯 羅 艷）