創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突發(fā)展高階思維
——以“動(dòng)物細(xì)胞融合技術(shù)與單克隆抗體”為例

曹正瓊 路 遙 郭 威

(湖北省襄陽(yáng)市第三十六中學(xué) 湖北襄陽(yáng) 441021)

高階思維是發(fā)生在較高認(rèn)知水平層次上的心智活動(dòng)或認(rèn)知能力,其關(guān)鍵為在已知基礎(chǔ)上進(jìn)行“跨越”。教師若在教學(xué)中設(shè)計(jì)制造認(rèn)知沖突,可以激活學(xué)生思維,激發(fā)其學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力,增加課堂中學(xué)生有意注意的時(shí)間,促使學(xué)生在深度學(xué)習(xí)過(guò)程中積極建構(gòu)與完善知識(shí)結(jié)構(gòu),在認(rèn)知沖突的解決和轉(zhuǎn)化過(guò)程中,實(shí)現(xiàn)分析、綜合、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造等高階思維的發(fā)展。下文將以人教版生物學(xué)教材《選擇性必修3·生物技術(shù)與工程》第二章第二節(jié)“動(dòng)物細(xì)胞工程”中“動(dòng)物細(xì)胞融合技術(shù)與單克隆抗體”部分內(nèi)容為例,探討認(rèn)知沖突設(shè)計(jì)在教學(xué)中的具體運(yùn)用。

1 課標(biāo)與教材分析

根據(jù)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》),梳理本節(jié)課的各級(jí)概念如下(表1),兩個(gè)次位概念既是本章也是本節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)。其中,動(dòng)物細(xì)胞融合技術(shù)為單克隆抗體的制備開(kāi)辟了新途徑,而兩者在動(dòng)物細(xì)胞工程領(lǐng)域中均占據(jù)重要地位。

表1 “動(dòng)物細(xì)胞融合技術(shù)與單克隆抗體”小節(jié)各級(jí)概念

從教材內(nèi)容上看,“動(dòng)物細(xì)胞融合與單克隆抗體”選自人教版《選擇性必修3·生物技術(shù)與工程》第二章第二節(jié)“動(dòng)物細(xì)胞工程”。前一節(jié)“植物體細(xì)胞雜交技術(shù)”的學(xué)習(xí)為本節(jié)課打下良好的認(rèn)知基礎(chǔ),同時(shí)該內(nèi)容又與《選擇性必修1·穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》第四章第二節(jié)“特異性免疫”聯(lián)系緊密。

從教學(xué)內(nèi)容上看,本節(jié)內(nèi)容主要涉及動(dòng)物細(xì)胞融合技術(shù)、單克隆抗體及其應(yīng)用兩個(gè)方面,而單克隆抗體的制備是動(dòng)物細(xì)胞融合技術(shù)最重要的應(yīng)用,為本節(jié)的重難點(diǎn)。

2 學(xué)情分析與教學(xué)目標(biāo)的確立

基于過(guò)往學(xué)習(xí),學(xué)生已了解植物細(xì)胞原生質(zhì)體融合的原理及方法,掌握免疫細(xì)胞、特異性免疫過(guò)程等相關(guān)知識(shí),且通過(guò)必修教材的學(xué)習(xí),已具備一定的建模能力?；谏鲜龇治?確立本節(jié)課的核心素養(yǎng)目標(biāo):

(1)通過(guò)對(duì)比、比較等思維方法,明確動(dòng)物細(xì)胞融合的概念及所需條件。

(2)通過(guò)建模等科學(xué)方法,理解單克隆抗體制備的具體過(guò)程。

(3)通過(guò)關(guān)注及搜集資料,認(rèn)同單克隆抗體在臨床上具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

3 認(rèn)知沖突的創(chuàng)設(shè)

根據(jù)核心素養(yǎng)目標(biāo),選用多種方式激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突,切實(shí)提高認(rèn)知沖突的深度和廣度,并通過(guò)討論方案、模型建構(gòu)、展示評(píng)價(jià)、創(chuàng)設(shè)知識(shí)遷移或運(yùn)用情境等活動(dòng),以解決及轉(zhuǎn)化認(rèn)知沖突,使學(xué)生間發(fā)生思維碰撞,幫助學(xué)生在自主建模、合作交流中獲取知識(shí)、領(lǐng)悟方法和提升能力。課程具體設(shè)計(jì)如下。

3.1 認(rèn)知沖突設(shè)計(jì)一:創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境激發(fā)認(rèn)知沖突,導(dǎo)入課題學(xué)習(xí)

在導(dǎo)入課題環(huán)節(jié),教師要善于發(fā)現(xiàn)認(rèn)知沖突的興奮點(diǎn),廣泛收集、整理相關(guān)素材,為學(xué)生創(chuàng)設(shè)有足夠沖擊力,能引發(fā)學(xué)生深入思考的認(rèn)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(xué)生熟知的生活常識(shí)。課上,教師先展示一則新聞標(biāo)題,“女子被流浪狗咬傷,注射疫苗后狂犬病發(fā)作死亡引發(fā)網(wǎng)友熱議”。而學(xué)生基于已有的生活經(jīng)驗(yàn),無(wú)法解釋上述事實(shí),由此產(chǎn)生認(rèn)知沖突驅(qū)使學(xué)生一探究竟。

其后,教師再呈現(xiàn)新聞的具體內(nèi)容,使學(xué)生了解遭遇嚴(yán)重咬傷時(shí)要同時(shí)注射狂犬疫苗和狂犬病毒抗體,而非僅注射疫苗。接著,進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合已學(xué)的特異性免疫知識(shí),明確注射原因并引出課題“價(jià)值千元的狂犬病毒抗體究竟如何制備”。以此,創(chuàng)設(shè)可激發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突的真實(shí)情境,引起學(xué)生“認(rèn)知失衡”,激發(fā)學(xué)生的求知欲和好奇心,使其產(chǎn)生解決認(rèn)知矛盾的內(nèi)在需要,提供主動(dòng)實(shí)現(xiàn)知識(shí)建構(gòu)的契機(jī)和動(dòng)力。

3.2 認(rèn)知沖突設(shè)計(jì)二:新舊知識(shí)聯(lián)系激發(fā)認(rèn)知沖突,小組討論方案解決、轉(zhuǎn)化沖突

教師全面、科學(xué)地分析學(xué)生已有的知識(shí)和教材內(nèi)容,找到“新舊知識(shí)結(jié)合點(diǎn)”,分析原有知識(shí)和新知識(shí)之間的差異及形成差異的原因,開(kāi)展針對(duì)性教學(xué),以此產(chǎn)生的認(rèn)知沖突能促使學(xué)生主動(dòng)改變?cè)懈拍?從而促進(jìn)新概念的形成。

宏觀來(lái)講，其中涉及到長(zhǎng)時(shí)期演變——不同朝代的營(yíng)造活動(dòng)本身的時(shí)代特征；以及短時(shí)期演變——重大歷史事件帶來(lái)的影響，如移民活動(dòng)等。中觀來(lái)看不同區(qū)域的匠派發(fā)展具有其特殊的傳承脈絡(luò)。隨著工具的進(jìn)步、社會(huì)的發(fā)展及審美等的變化，本身匠派的營(yíng)造發(fā)展也隨之變化，結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，同時(shí)更追求美觀。具體而微，匠師個(gè)人的接受與傳承活動(dòng)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(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中,若直接呈現(xiàn)英國(guó)科學(xué)家米爾斯坦和德國(guó)科學(xué)家科勒設(shè)計(jì)的制備方案,會(huì)讓學(xué)生失去一次自主思考、推理方案的機(jī)會(huì)。因此,教師可先引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合已學(xué)知識(shí),整理出如下信息:合成并分泌抗體的細(xì)胞是經(jīng)免疫的B淋巴細(xì)胞→每一個(gè)經(jīng)免疫的B 淋巴細(xì)胞只能產(chǎn)生一種特異性抗體→傳統(tǒng)生產(chǎn)的血清抗體產(chǎn)量低、純度低、特異性差。然后,再組織學(xué)生開(kāi)展小組活動(dòng),討論單一抗體的制備方案。新舊知識(shí)間的沖突和學(xué)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(gè)經(jīng)免疫的B 淋巴細(xì)胞和無(wú)限增殖的瘤細(xì)胞融合,形成既能大量繁殖,又能產(chǎn)生特定抗體的細(xì)胞;再通過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù),獲得單一抗體。

此時(shí),教師再展示兩位科學(xué)家設(shè)計(jì)的單克隆抗體制備方案,并介紹科學(xué)家們以這一極富創(chuàng)造性的實(shí)驗(yàn)榮獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己提出的制備方案與科學(xué)家的想法大體相似時(shí),將會(huì)信心大增。此外,有的小組還在此基礎(chǔ)上提出新方案:將無(wú)限增殖的調(diào)控基因?qū)虢?jīng)免疫的B 淋巴細(xì)胞。教師趁此提出,創(chuàng)新是進(jìn)步的不竭動(dòng)力,鼓勵(lì)學(xué)生勤于觀察,勇于創(chuàng)新。

3.3 認(rèn)知沖突設(shè)計(jì)三:設(shè)置問(wèn)題串激發(fā)認(rèn)知沖突,小組建模評(píng)價(jià)解決、轉(zhuǎn)化沖突

教師基于學(xué)生的既有認(rèn)知結(jié)構(gòu),設(shè)置有梯度、多層次的問(wèn)題串,使學(xué)生產(chǎn)生持久的學(xué)習(xí)熱情,推動(dòng)學(xué)生認(rèn)知由已知區(qū)走向最近發(fā)展區(qū),全面發(fā)展高階思維能力,引導(dǎo)學(xué)生在探究問(wèn)題的過(guò)程中主動(dòng)完成認(rèn)知結(jié)構(gòu)的建構(gòu)。

本節(jié)課的重難點(diǎn)在于單克隆抗體具體制備過(guò)程的教授。在第一輪嘗試教學(xué)階段中,教師組織學(xué)生先自學(xué)教材內(nèi)容,再以小組為單位,圍繞問(wèn)題串展開(kāi)討論;然后鼓勵(lì)小組建構(gòu)單克隆抗體制備模型,描述具體過(guò)程;最后由小組代表展示、解說(shuō)模型。在該種教學(xué)設(shè)計(jì)中,學(xué)生雖能通過(guò)自學(xué)教材和小組模型建構(gòu)等活動(dòng),引發(fā)一定的認(rèn)知沖突,但因?yàn)閷W(xué)生已提前自學(xué)因此在模型建構(gòu)時(shí)思維受到束縛,自主性較弱。在第二輪優(yōu)化教學(xué)階段,教師在保留小組展示評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)上,組織學(xué)生分步驟在展板上建構(gòu)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(gòu)設(shè)計(jì)具體如下。

3.3.1 建構(gòu)細(xì)胞融合模型階段

教師請(qǐng)各組學(xué)生從材料盒中拿取B 淋巴細(xì)胞和骨髓瘤細(xì)胞模型,要求學(xué)生自主完成細(xì)胞融合的模型建構(gòu),并在學(xué)生構(gòu)建完成后引導(dǎo)組間相互觀摩。通過(guò)組間學(xué)習(xí),發(fā)現(xiàn)有的組只選取一種顏色的B 細(xì)胞和骨髓瘤融合,獲得一種融合細(xì)胞;有的組則選了多種顏色的B 細(xì)胞,繪制多種融合細(xì)胞?；趯W(xué)生建構(gòu)的不同模型,教師拋出問(wèn)題1:比較各小組模型,說(shuō)說(shuō)哪組模型建構(gòu)更科學(xué)? 此問(wèn)激發(fā)學(xué)生深入思考,在比較、辨析中找出不同模型的異同點(diǎn),引導(dǎo)學(xué)生從哺乳動(dòng)物體內(nèi)現(xiàn)存的B 淋巴細(xì)胞種類和誘導(dǎo)動(dòng)物細(xì)胞融合的成功率兩個(gè)角度,判斷最為科學(xué)、合理的模型。

如何從融合及未融合的各類細(xì)胞中篩選出雜交瘤細(xì)胞? 對(duì)學(xué)生而言,現(xiàn)有的知識(shí)儲(chǔ)備不足以回答該問(wèn)題。為此,教師提供資料:已知細(xì)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(jīng)免疫的B 淋巴細(xì)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(xì)胞中DNA只通過(guò)D 途徑合成,能無(wú)限增殖。請(qǐng)學(xué)生根據(jù)上述信息,建構(gòu)出含氨基嘌呤的選擇培養(yǎng)基以篩選雜交瘤細(xì)胞的模型。

3.3.3 建構(gòu)獲取單一抗體的模型階段

基于上述分析討論,學(xué)生發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)多種雜交瘤細(xì)胞最終能獲得多種抗體,無(wú)法實(shí)現(xiàn)獲取單一抗體的需求。教師對(duì)此發(fā)現(xiàn)表示肯定,并提供進(jìn)一步解決問(wèn)題所必要的材料模型——96 孔板,介紹其用法:將雜交瘤細(xì)胞群稀釋,每個(gè)孔盡量只接種1 個(gè)細(xì)胞進(jìn)行克隆培養(yǎng),一段時(shí)間后,每個(gè)小孔的上清液內(nèi)就僅含有該雜交瘤細(xì)胞產(chǎn)生的特定抗體。教師繼續(xù)提問(wèn):哪個(gè)孔內(nèi)上清液所含的抗體是我們需要的抗體? 學(xué)生聯(lián)系所學(xué)知識(shí),找到抗體檢測(cè)的辦法,即運(yùn)用抗原—抗體雜交原理,篩選出抗體檢測(cè)呈陽(yáng)性的雜交瘤細(xì)胞,由此建構(gòu)獲取單一抗體的模型。

3.3.4 建構(gòu)獲取大量單克隆抗體模型階段

其后,教師進(jìn)一步拋出問(wèn)題:這樣獲得的雜交瘤細(xì)胞數(shù)量有限,怎樣獲得大量的單克隆抗體呢? 通過(guò)該問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生明確如果想要制備大量單克隆抗體還需雜交瘤細(xì)胞增殖,由此完善模型。

在整個(gè)模型建構(gòu)過(guò)程中,通過(guò)層層遞進(jìn)的問(wèn)題串,激發(fā)學(xué)生不斷產(chǎn)生認(rèn)知沖突。學(xué)生為消除“認(rèn)知失衡”以實(shí)現(xiàn)新的認(rèn)知平衡,會(huì)迅速激活原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu),從中選擇相關(guān)信息,并結(jié)合新信息進(jìn)行有目的的加工和整合,歷經(jīng)推理、歸納、建模、評(píng)價(jià)等思維過(guò)程,有效促進(jìn)高階思維的發(fā)展。

圖1 建構(gòu)單克隆抗體制備模型過(guò)程中的問(wèn)題串

本節(jié)課運(yùn)用了創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境、新舊知識(shí)聯(lián)系、設(shè)置問(wèn)題串等方法激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突,并在激發(fā)沖突后,設(shè)計(jì)多種課堂活動(dòng)如方案設(shè)計(jì)、模型建構(gòu)、展示評(píng)價(jià)等,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行辨析、推理、討論、建模、展示、評(píng)價(jià)等,以解決和轉(zhuǎn)化認(rèn)知沖突。在完善認(rèn)知結(jié)構(gòu),提升認(rèn)知水平的同時(shí),學(xué)生的高階思維得以提升,情感及態(tài)度也隨之升華。

4 高階思維發(fā)展情況測(cè)評(píng)

學(xué)生的思維發(fā)展外顯化,可以幫助教師及時(shí)調(diào)整或改進(jìn)教學(xué)策略。為此,參考多篇有關(guān)高階思維能力測(cè)評(píng)量表編制或應(yīng)用的文獻(xiàn),編制《中學(xué)生高階思維評(píng)價(jià)量表》,從分析、決策、協(xié)作、創(chuàng)造、遠(yuǎn)遷移五個(gè)維度對(duì)學(xué)生的高階思維發(fā)展進(jìn)行量化評(píng)價(jià)(表2)。

表2 中學(xué)生高階思維評(píng)價(jià)量表

此量化評(píng)價(jià)在認(rèn)知沖突設(shè)計(jì)運(yùn)用教學(xué)前及實(shí)施半年后進(jìn)行,量化分析結(jié)果如圖2所示。觀察圖2可以發(fā)現(xiàn),在教學(xué)實(shí)施前后,高階思維五個(gè)維度的平均得分均在3 分以上,這說(shuō)明學(xué)生已有的高階思維處于中等水平。通過(guò)一段時(shí)間的實(shí)驗(yàn)教學(xué),學(xué)生在五個(gè)維度的量化評(píng)價(jià)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(xué)生選擇和評(píng)估解決方案的思維能力提升最明顯;“決策—分類”和“協(xié)作”等思維的得分增幅次之;在面臨陌生問(wèn)題時(shí),整合過(guò)往經(jīng)驗(yàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分析,發(fā)生新舊經(jīng)驗(yàn)相互作用的“遠(yuǎn)遷移”思維小有進(jìn)步;而高階思維的核心——批判性思維與創(chuàng)造性思維得分增幅最小。

圖2 中學(xué)生高階思維發(fā)展量化評(píng)價(jià)

通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),教師可以獲得下一階段的明確教學(xué)方向,修正教學(xué)目標(biāo)和方法。上述結(jié)果提示各位教師,仍需在學(xué)生自我反省、思想開(kāi)放度、材料加工,考慮設(shè)計(jì)可行性等方面加強(qiáng)訓(xùn)練。