初高中生物學(xué)科學(xué)思維進(jìn)階的實(shí)踐研究

吳丹丹

自史密斯2004年第一次正式提出“學(xué)習(xí)進(jìn)階（Learning Progressions）”，10余年以來，學(xué)習(xí)進(jìn)階理論已成為美國各州和學(xué)區(qū)的課程開發(fā)和教學(xué)設(shè)計(jì)的重要參考。我國對學(xué)習(xí)進(jìn)階的認(rèn)識與研究正處于起步

階段，在中學(xué)生物學(xué)教學(xué)領(lǐng)域少有實(shí)踐研究。

1“學(xué)習(xí)進(jìn)階”理論和研究現(xiàn)狀

史密斯最早提出學(xué)習(xí)進(jìn)階理論時(shí)，將其定義為“學(xué)生在學(xué)習(xí)某一核心概念的過程中，所遵循的一系列逐漸復(fù)雜的思維路徑”;劉晟、劉恩山等認(rèn)為“學(xué)習(xí)進(jìn)階是對學(xué)生各學(xué)段學(xué)習(xí)同一主題的概念時(shí)所遵循的連貫的、典型的學(xué)習(xí)路徑的描述，一般呈現(xiàn)為圍繞核心概念展開的一系列由簡單到復(fù)雜、相互關(guān)聯(lián)的概念序列”。國內(nèi)已有的與學(xué)習(xí)進(jìn)階相關(guān)的實(shí)踐研究中，多注重學(xué)生已有對概念的認(rèn)知和概念本身的發(fā)展順序、多學(xué)科知識融合和評測學(xué)生構(gòu)建的概念網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等方面，對學(xué)生在概念發(fā)展中的科學(xué)思維的體驗(yàn)、發(fā)展少有涉及。學(xué)習(xí)進(jìn)階理論強(qiáng)調(diào)了學(xué)習(xí)過程中的階段性、發(fā)展性，在某一學(xué)習(xí)階段，起點(diǎn)是學(xué)生已有水平，終點(diǎn)是本階段的學(xué)習(xí)目標(biāo)，教師要以核心概念的進(jìn)階為中心，以多個(gè)學(xué)科教學(xué)為載體，使用多種進(jìn)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(diǎn)到終點(diǎn)的各個(gè)中間水平后，能更細(xì)化分析出不同學(xué)段學(xué)生對科學(xué)概念的理解應(yīng)達(dá)到的水平，從而有利于設(shè)計(jì)并實(shí)施連貫、遞進(jìn)的教學(xué)實(shí)踐。但是這也為教師提出了挑戰(zhàn)，即教師如何根據(jù)學(xué)生的心理發(fā)展水平和認(rèn)知規(guī)律，細(xì)分出一個(gè)個(gè)中間水平，并設(shè)計(jì)合理的教學(xué)活動來達(dá)成進(jìn)階。

2生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)和科學(xué)思維

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱《新課標(biāo)》）中提出“學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確的價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力”。核心素養(yǎng)也具有層次性，其培養(yǎng)需要關(guān)注學(xué)生的不同階段心理機(jī)制的發(fā)展，從整體考慮培養(yǎng)策略。生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任4個(gè)方面，其中科學(xué)思維是“尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物、解決實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力”?！皩W(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)過程中逐步發(fā)展科學(xué)思維，如能夠基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)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(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會議題。”科學(xué)思維聚焦在“質(zhì)疑是思考的視角、實(shí)證是判斷的尺度、邏輯是論辯的準(zhǔn)繩”，能幫助學(xué)生更好地理解科學(xué)概念，促進(jìn)生命觀念高效、正確地形成，能幫助學(xué)生更深入理解科學(xué)探究的本質(zhì)，有能力在離開課堂后正確地使用所學(xué)科學(xué)知識和技術(shù)，形成應(yīng)有的社會責(zé)任和擔(dān)當(dāng)。因此，在學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)實(shí)踐中，教師不僅需要關(guān)注概念的進(jìn)階，也應(yīng)注重形成概念的過程中所必備的科學(xué)思維的進(jìn)階。這對教師的教學(xué)活動的設(shè)計(jì)起到了很重要的作用。

3基于科學(xué)思維學(xué)習(xí)進(jìn)階的以“遺傳”為例的的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

3.1初中運(yùn)用情境教學(xué)發(fā)展分析、比較等科學(xué)思維

初中學(xué)生對遺傳學(xué)的認(rèn)識大多是日常生活經(jīng)驗(yàn)，但這種對遺傳概念的前認(rèn)知可能是正確，也可能是錯(cuò)誤的。所以，教師在上課時(shí)可聯(lián)系學(xué)生身邊實(shí)例的活動，讓學(xué)生厘清前概念、建立正確的概念，促進(jìn)學(xué)生在辨析過程中發(fā)展分析、比較的科學(xué)思維。

教師在幫助學(xué)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(jìn)行無性生殖，后代的遺傳信息來自同一親本;一些進(jìn)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(shí)，可創(chuàng)設(shè)一些情境幫助學(xué)生更好地理解。例如，學(xué)生在教室中用水插綠蘿，一段時(shí)間后綠蘿長出新根，綠蘿長出根是一種繁殖方式;學(xué)生用菜豆種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生新個(gè)體，菜豆新個(gè)體的產(chǎn)生也是一種繁殖方式。教師使學(xué)生置身于真實(shí)的情境中，分析比較這兩個(gè)過程是否都是遺傳、有什么區(qū)別。學(xué)生大多可以先列舉是否產(chǎn)生種子來繁殖這一表面差異，教師引導(dǎo)學(xué)生回顧種子的產(chǎn)生過程，進(jìn)一步分析出二者在遺傳過程中的本質(zhì)差異，即是否有兩性細(xì)胞的結(jié)合過程，從而引出無性生殖和有性生殖。由此，教師選取學(xué)生熟悉的多個(gè)遺傳現(xiàn)象，在此過程中發(fā)展學(xué)生分析、比較的科學(xué)思維。

“DNA是主要的遺傳物質(zhì);基因是包含遺傳信息的DNA片段，它們位于細(xì)胞的染色體上?！边@一重要概念對初中生來說比較微觀，認(rèn)知上的困難較大。這時(shí)，教師可使用自制教具來幫助學(xué)生理解這一微觀的概念、突破這一難點(diǎn)，如課堂上用剪開的網(wǎng)球代表細(xì)胞，再用一個(gè)剪開的乒乓球代表細(xì)胞核，用幾根不同顏色的毛線代表細(xì)胞中的染色體，配以“細(xì)胞-細(xì)胞核-染色體-DNA”關(guān)系的圖片，進(jìn)一步明確它們之間的包含關(guān)系，從而為學(xué)生理解這些結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系提供直觀模型，并最終引出“基因”這一重要概念。在教師創(chuàng)設(shè)的這個(gè)情境中，學(xué)生能更好地理解細(xì)胞中遺傳信息的位置，從而發(fā)展比較思維。

初中學(xué)生側(cè)重于形象思維，對抽象思維的理解能力較弱;對概念的學(xué)習(xí)過程能運(yùn)用回憶、理解等低階思維，不能駕馭綜合、評價(jià)等高階思維，這是由學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律所決定的。教師要根據(jù)這一科學(xué)規(guī)律，依據(jù)學(xué)生擅長的思維方式進(jìn)行教學(xué)活動的設(shè)計(jì)，如運(yùn)用分析、比較等科學(xué)思維方法，借助于情境教學(xué)將微觀問題宏觀化、抽象問題具體化，發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的同時(shí)形成這一階段的科學(xué)概念，實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維和科學(xué)概念的進(jìn)階。

3.2在高中新授課中運(yùn)用科學(xué)史料發(fā)展推理、歸納、模型等科學(xué)思維

高中學(xué)生通過化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)，對元素、分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)等知識已有所了解，通過高中生物《必修1·分子與細(xì)胞》的學(xué)習(xí)，對核酸等遺傳的分子基礎(chǔ)也有所了解，這為學(xué)生在《必修2·遺傳與進(jìn)化》中“核酸是遺傳物質(zhì)的證據(jù)”的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。在證明核酸是遺傳物質(zhì)的過程中，科學(xué)家設(shè)計(jì)縝密的實(shí)驗(yàn)、經(jīng)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(nèi)和體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)”的科學(xué)史料，從核酸和蛋白質(zhì)兩種大分子物質(zhì)的多樣性、特異性、穩(wěn)定性、連續(xù)性等角度分析，理解當(dāng)時(shí)的科學(xué)家提出“核酸和蛋白質(zhì)哪個(gè)才是遺傳物質(zhì)”這一問題的前提，也能更好地理解科學(xué)家艾弗里設(shè)計(jì)“分別提取各種化學(xué)成分與核酸混合進(jìn)行體外轉(zhuǎn)化”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)前提，從而幫助學(xué)生樹立結(jié)構(gòu)與功能觀。教師在課上使用科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)過程、分析和結(jié)論等史料時(shí)，與學(xué)生一起分析各位科學(xué)家實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的單一變量的控制、自變量和因變量的關(guān)系、從結(jié)果分析推出實(shí)驗(yàn)結(jié)論等，都能發(fā)展學(xué)生的推理、歸納等科學(xué)思維。

孟德爾開展的豌豆雜交是現(xiàn)代遺傳學(xué)的奠基性實(shí)驗(yàn)，他使用的“假說-演繹法”以及實(shí)驗(yàn)求證的研究思維，在分析孟德爾實(shí)驗(yàn)“3∶1”的過程中，能極大地幫助學(xué)生用模型的思維去理解生命現(xiàn)象，而這正是孟德爾定律提出假說的精彩之處。模型建構(gòu)是目前高中生物學(xué)教學(xué)中較為薄弱的方面，筆者在講授孟德爾遺傳規(guī)律時(shí)，先使用大量數(shù)據(jù)，帶領(lǐng)學(xué)生分析規(guī)律。閱讀孟德爾原文以及饒毅教授的《孤獨(dú)的天才》一文后，發(fā)現(xiàn)孟德爾大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中最重要的一個(gè)數(shù)據(jù)是F1自交實(shí)驗(yàn)后的F2的自交實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這個(gè)結(jié)果反應(yīng)出顯性性狀（如高莖）中有1/3其自交結(jié)果不發(fā)生性狀分離（全為高莖），有2/3自交仍會發(fā)生性狀分離（高莖：矮莖=3∶1）。這就有助于在模型建構(gòu)中將其中的顯性（即3/4）分解為1/4和2/4。教師引導(dǎo)學(xué)生分析證據(jù)、得出模型，使學(xué)生更明確模型建構(gòu)過程中數(shù)據(jù)處理和抽象出模型這些重要環(huán)節(jié)的意義。

推理、歸納是一種由特殊具體的案例推導(dǎo)出一般原理、規(guī)律的過程。這一過程需要學(xué)生在具備分析、比較的基礎(chǔ)上，還要能進(jìn)一步歸納出所有特殊案例中所共有的特質(zhì)，而這正是建立在初中所具備的分析、比較的基礎(chǔ)上的。因此，這一過程很好地實(shí)現(xiàn)了科學(xué)思維的進(jìn)階。推理歸納的科學(xué)思維是學(xué)生今后的科學(xué)探究中所必須的一項(xiàng)重要思維能力。模型建構(gòu)是人們根據(jù)原型的特質(zhì)，略去次要因素、保留主要特征，對原型進(jìn)行簡單、抽象處理的過程，借助于設(shè)計(jì)出的模型可對原型進(jìn)行更多的認(rèn)識。但建構(gòu)過程需要學(xué)習(xí)者能對原型的特征進(jìn)行分析、比較，并能根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)對原型的特質(zhì)進(jìn)行刪減和突出處理，這對學(xué)生的認(rèn)知水平要求較高，因此相關(guān)的教學(xué)活動要安排在高中生物學(xué)學(xué)習(xí)階段。

3.3在高中生物復(fù)習(xí)階段運(yùn)用真實(shí)研究情境發(fā)展學(xué)生的批判性和創(chuàng)新性思維

3.3.1梳理復(fù)習(xí)內(nèi)容，發(fā)展進(jìn)階思維

在高中生物復(fù)習(xí)階段，教師要幫助學(xué)生夯實(shí)知識基礎(chǔ)，更要鍛煉學(xué)生在新情境中靈活應(yīng)用的能力。在一輪復(fù)習(xí)階段，教師可用表1幫助學(xué)生系統(tǒng)地梳理遺傳學(xué)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(chǔ)上，教師要結(jié)合真實(shí)的研究情境，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)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(xué)生討論后，得出：首先要對患者家系進(jìn)行調(diào)查制作家系圖，依據(jù)比較、分析、綜合等科學(xué)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(jìn)行個(gè)體、細(xì)胞和分子水平的研究。例如，針對性狀與環(huán)境的關(guān)系、性狀與遺傳物質(zhì)的關(guān)系，對由遺傳物質(zhì)控制的問題首先從染色體的類型上進(jìn)行判斷，結(jié)合現(xiàn)代生物技術(shù)如酶切電泳、測序、PCR技術(shù)等對患者和健康人的遺傳信息進(jìn)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(xiàn)象。由此，學(xué)生梳理出一個(gè)遺傳病的研究思路的歸納，并從致病原因角度出發(fā)，思考如何對該遺傳病進(jìn)行治療和預(yù)防，有助于更系統(tǒng)地分析和綜合運(yùn)用，并提高了社會責(zé)任素養(yǎng)。

綜合運(yùn)用能力是建立在理解、分析的基礎(chǔ)之上。在高考復(fù)習(xí)階段，學(xué)生一方面需要夯實(shí)對概念的理解和建立知識點(diǎn)間聯(lián)系，另一方面還要能駕馭不同的情景、運(yùn)用恰當(dāng)?shù)囊褜W(xué)知識進(jìn)行分析。因而，教師使用真實(shí)案例能檢驗(yàn)學(xué)生對概念的理解是否準(zhǔn)確，并且在一個(gè)情景中是否能運(yùn)用多個(gè)知識點(diǎn)，這也考驗(yàn)學(xué)生對知識理解的網(wǎng)絡(luò)化水平。

3.3.2分析進(jìn)階思維網(wǎng)絡(luò)圖

有學(xué)者研究了生物學(xué)科能力包括四大項(xiàng)（理解、應(yīng)用、思辨、創(chuàng)新）九小項(xiàng)（辨認(rèn)、比較、解讀、推理、歸因、論證、評價(jià)、假設(shè)、設(shè)計(jì)）。這幾項(xiàng)能力之間也存在著非常明顯的進(jìn)階。為便于高考復(fù)習(xí)備考和高中不同學(xué)段教學(xué)，筆者結(jié)合“遺傳”中“遺傳病”部分將這幾項(xiàng)能力進(jìn)行梳理如圖1所示。

由圖1可知，在初中、高中新課、高中復(fù)習(xí)階段對“遺傳”部分的能力要求水平是不斷發(fā)展的。教師在教學(xué)活動的設(shè)計(jì)中既要考慮科學(xué)概念的進(jìn)階，也需關(guān)注科學(xué)思維水平的進(jìn)階：不同學(xué)習(xí)階段之前已有的科學(xué)思維水平是什么？本階段能達(dá)到的水平是什么？這有助于教師結(jié)合教學(xué)內(nèi)容選擇恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)素材，以達(dá)到該階段的目標(biāo)水平。這樣的梳理分析對“遺傳”部分內(nèi)容的教學(xué)素材選擇、教學(xué)活動設(shè)計(jì)、教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)施、教學(xué)效果量化評價(jià)提供了一定的參考。

雖然，筆者對結(jié)合教學(xué)實(shí)踐對科學(xué)思維進(jìn)行了簡要梳理，但是真正的科學(xué)學(xué)習(xí)是非常復(fù)雜的，學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展也是非常綜合的，且不同學(xué)校、不同學(xué)生之間也有很大的差異。所以，在多元化、多維度的基礎(chǔ)上，現(xiàn)有的科學(xué)思維的進(jìn)階研究可能還需要今后更多的實(shí)踐積累、總結(jié)提升。

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