指向科學思維培養(yǎng)的自主課堂教學設計與實施

林惠蓮(福建省福安市第二中學 355001)

《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》對“科學思維”進行如下描述:尊重事實和證據(jù),崇尚嚴謹和務實的求知態(tài)度,運用科學的思維方式認識事物,解決實際問題的思維習慣和能力。從思維習慣或能力來看,包括歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等。而課堂是培養(yǎng)科學思維的主戰(zhàn)場,自主課堂是以學生學習基本情況和發(fā)展水平為立足點,為學習創(chuàng)設真實開放的情境,設計適合學生探究的自主活動,側重培養(yǎng)不同思維方式,鍛煉思維品質。這種課堂模式框架是以多樣化的表現(xiàn)形式為基礎,充分調動學生課堂的積極性,建設具有生活價值的學習,從而達到提高學生生物科學素養(yǎng)的課堂目標。

一、 理論基礎

1.科學思維培養(yǎng)的心理學基礎

感覺運動階段、前運算階段、具體運算階段以及形式運算階段是皮亞杰認知發(fā)展理論的四個關聯(lián)遞進階段。隨著學生年齡增長和認知能力發(fā)展的提高,一般來說,高中生身心已經(jīng)到具體運算階段和形式運算階段。教師應設計合理、真實化的問題場景,引導學生對問題進行多方面、多角度思考,訓練學生思維品質的深刻性,從而達到培養(yǎng)學生科學思維的目的。

2.自主課堂教學模式的教育理論

自主課堂教學模式教育理念契合建構主義理論發(fā)展,主張學生是教學活動的主體。自主課堂教學模式強調學習是一個主動建構并與他人進行互動交流的思維活動過程。這種課堂教學模式不僅要求注重對學習者認知能力的意義構建資源的設計,還應創(chuàng)設與學習者認知水平相適應的情境。教師通過為學生主體創(chuàng)設合適情境,引導學生主體進行自我發(fā)現(xiàn)與自主探究,并建立學生主體與知識之間的互動練習,培養(yǎng)學生思維模式。

二、 實施目標

本文主要以人教版高中生物選擇性必修二第1章第2節(jié)“種群數(shù)量的變化”為例,開展自主課堂教學。通過對此知識的學習,引導學生在培養(yǎng)科學思維狀況下,了解科學化的學習過程與學習模式,嘗試主動進行科學探究學習,逐步學會用科學思維看待問題、建立知識架構,解決問題。同時,針對“種群數(shù)量的變化”學科知識,通過自主課堂教學方式引導學生逐漸掌握相關知識內(nèi)容。

三、 模式實施

1.概況圖

自主課堂模式的設計與實施主要以培養(yǎng)科學思維為目標,依據(jù)問題提出假設,在探究活動中找出證據(jù)。對于課堂的具體開展,主要分為四個環(huán)節(jié)。首先,以學生已有認知為基礎,創(chuàng)設真實教學情境并建立問題表征。其次,以活動作為載體,實施認知操作,引導學生提高對知識的認知能力,同時,從活動中獲取學生對知識的了解程度信息,強化活動意義。再次,建立認知結構模型,優(yōu)化知識結構,培養(yǎng)學生建構能力。同時,將已優(yōu)化的知識結構反饋給原有的認知結構,更新認知結構。最后,遷移應用,將在生物學科中學到的知識進行遷移,將其應用到其他學科或者領域中,獲得重要知識概念,不斷提升思維品質。

圖1 基于科學思維培養(yǎng)的自主課堂實施模式

2.設計背景

科學思維的培養(yǎng)是教師進行教學設計的目的之一,也是新課改對學生提出的新要求。以學生生活中較為熟悉的酵母菌知識作為探究主題,以“種群數(shù)量變化規(guī)律”為主線,進行自主課堂教學適合當下課程改革方向。

3.學情分析

酵母菌在生活中的應用較為廣泛,例如,饅頭、面包的制作,發(fā)酵產(chǎn)物的生產(chǎn)等。對于酵母菌的感性認知,學生存在探究種群數(shù)量變化的基礎,高二學段的學生在認知能力以及學習能力方面發(fā)展較為成熟,具有分析與探究的能力,但對實驗進行整體探究還缺乏對知識的整體架構能力與科學思考問題能力。設置合理化的開放性問題引導學生進行指向具有生活價值的學習,是十分必要的。

4.教學目標

實施自主課堂模式,教學目標應分層設計,以滿足不同層次學生達成不同目標的要求。

(1)學會利用抽樣檢測法,使用血球計數(shù)板對酵母菌進行計數(shù)。

(2)通過探究酵母菌種群數(shù)量的變化,嘗試建構種群數(shù)量增長的數(shù)學模型,比較分析“J”型曲線與“S”型曲線。(培養(yǎng)歸納與概括、類比分析、模型與建模的思維)

(3)循著“現(xiàn)象—本質—現(xiàn)象”的思路,借助數(shù)學模型解釋并預測種群數(shù)量增長變化趨勢。(作出假設,指向開放性思維)

(4)分析影響種群數(shù)量變化的因素,正視環(huán)境條件對種群數(shù)量的影響。(分析歸納,進行批判性思維)

5.具體策略

(1)課前設計——研判學情,摸清思維起點。

陶行知先生認為,教育需要根據(jù)學生的一般特點,透過啟發(fā)性的教育手段,培養(yǎng)和指導他們對特殊活動取得更深了解。對于思維起點的摸索,首先需要了解學生認知能力、學習能力以及思維能力發(fā)展現(xiàn)狀,應研判學情,依據(jù)學生自身狀況以及知識特點,進行課堂教學設計。對于學生的發(fā)展現(xiàn)狀,應適當設置課前環(huán)節(jié)。可以通過開放性的問題,激發(fā)學習興趣,問題應與學生平時生活中感受到種群數(shù)量變化的困惑點相聯(lián)系,激發(fā)好奇心,找到學習關注方向。問題設置還要有引導性和鼓舞性,能在大腦中調試出對“種群數(shù)量存在變化”的已有認知范疇,摸清思維起點。

(2)課堂路徑——設計活動,促進思維生長。

①創(chuàng)設情境,建立問題表征

陶行知先生認為,教育需要在學生自身的基礎上,運用環(huán)境的影響,以培養(yǎng)、加強他們的創(chuàng)造力。教學情境是課堂教學的基本要素,創(chuàng)設基于生活的情境,挖掘和利用學生經(jīng)驗,能喚醒生物學科教學向生活回歸,切實明白知識的價值。而有價值的教學情境是內(nèi)含問題的情境,問題才是通向學生思維的大門。教師需要有意識地設計并提出適合學習目標的問題來引領學習特定教學內(nèi)容。在日常生活中,學生對生物種群的數(shù)量變化已有感性認識基礎,自然界不同生物種群數(shù)量有很大差異,即使在一定區(qū)域內(nèi)同一種群數(shù)量也會發(fā)生變化。如何去探尋種群數(shù)量變化的規(guī)律及影響因素是學生的困惑點。酵母菌作為生活必備品,常用于釀酒、制作面包,立足于生活情境,建立問題表征實施教學。

②設計活動,實施認知操作

活動是自主課堂的有效載體,有效的活動可以建立在認知沖突基礎上,設計適合學生科學思維能力發(fā)展的有益指導和資源,提出建立積極期待的問題串,驅動學生進行復雜水平的認知活動,使學生具有效能和增長性思維,助推思維生長,促進深度理解和學習。具體活動設計如下。

活動1:做出假設,歸納推理,構建“J”型曲線。

提供資料分析:在理想條件下,酵母菌出芽繁殖需要2小時。

問題1:1mL 菌種中含有4×105個酵母菌,向100mL的培養(yǎng)液中接種1mL 菌種,培養(yǎng)6 小時,酵母菌的數(shù)量是多少?

問題2:假設酵母菌的初始數(shù)量是N0,培養(yǎng)t小時后,酵母菌數(shù)量Nt是多少(用數(shù)學公式和曲線圖表達)?

問題3:酵母菌種群數(shù)量出現(xiàn)上述曲線中的變化趨勢,需要的條件是什么?

利用問題引導學生思考、分析、歸納酵母菌種群在理想條件下的“J”型增長,賦數(shù)學模型予生物學意義。

活動2:分組合作,尋找證據(jù),構建“S”型曲線。

全班分組,分別對不同培養(yǎng)時間的酵母菌種群進行計數(shù),整理數(shù)據(jù),繪制曲線,共同構建,歸納概括構建數(shù)學模型的步驟。

活動3:分析交流,感悟思考,促進概念理解。

課堂活動設計更重視對相關問題的思考,從學生自己的認知和生物學科視角出發(fā),按照“現(xiàn)象-本質”的邏輯思路精心設計一組有梯度的問題串,使學生成為問題情境角色,培養(yǎng)建構模型、分析問題、解決問題的能力,從而促進學生提高分析與概括、建立模型、批判性思維的能力。

問題1:為什么實驗結果沒有出現(xiàn)J型增長?

問題2:分析不同培養(yǎng)時間,酵母菌種群數(shù)量變化不同的原因是什么?

問題3:酵母菌種群數(shù)量變化達到最大后,出現(xiàn)波動的原因是什么?

問題4:如果繼續(xù)延長培養(yǎng)時間,酵母菌種群數(shù)量還能維持相對穩(wěn)定嗎? 請分析原因。

問題5:請分析影響自然界中的種群數(shù)量變化的因素有哪些?

③意義建構,優(yōu)化知識結構

良好的認知方式遵循從真實情境開始,從事實中感知、提取、加工和理解相關內(nèi)容從而獲取知識,新知識通常在舊知識基礎上拓展和衍生,彼此有強關聯(lián)。意義建構的目的在于結構化和系統(tǒng)化知識,幫助學生形成整體觀念,深刻理解知識,賦予知識生長力。結構化的知識不僅可以解釋自然界奧秘,而且能將學習者帶到理解新高度,對學生今后行為方式提供有效指導。目前,思維導圖以結構化的圖狀形式廣受接納。學生根據(jù)個人理解,在頭腦里創(chuàng)造全景圖,建構系統(tǒng)完整的不同框架結構體系,也有利于形成多元的發(fā)散性思維模式,提升思維品質。

④遷移應用,獲得重要概念

知識的學習應體現(xiàn)出學習的生活價值,創(chuàng)新和應用才是知識的最終使命。自主課堂教學模式從情境中來也回歸到生活情境中去,解釋實際現(xiàn)象,解決現(xiàn)實問題。知識的遷移可以應用在不同問題條件下解決問題。要將知識學習與個體和公共生活聯(lián)系起來,加強實踐活動,形成積極的態(tài)度和正確的價值觀。知識也回歸生活和改造社會、潤養(yǎng)和塑造個體內(nèi)心及行為,體現(xiàn)出真正的價值和使命。如本節(jié)以數(shù)學模型描述酵母菌種群數(shù)量的變化規(guī)律,并受到生物因素和非生物因素制約,通過問題分析,正視環(huán)境因素對種群數(shù)量的影響。

四、 教學評價

自主課堂的學習具有建構性、情境性、社會性和思維性等特點,屬于課程改革所倡導的思維型教學方式。自主課堂設計與實施,學生是積極主動的建構者。教師創(chuàng)設真實教學情境,以“情境—活動—建構—遷移”的策略方式,對知識進行架構,促進學生科學思維發(fā)展,同時,讓知識內(nèi)容和思維習慣在深度和廣度上得到增長,從而促進學生生物核心素養(yǎng)發(fā)展。