指向高階思維發(fā)展的高中生物學(xué)問題鏈設(shè)計

［摘 要］文章以“DNA的結(jié)構(gòu)”為例，圍繞DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的發(fā)現(xiàn)史，將問題鏈的教學(xué)設(shè)計與學(xué)生的高階思維發(fā)展相結(jié)合，旨在實現(xiàn)學(xué)生思維層次由低到高的進階。

［關(guān)鍵詞］高階思維；問題鏈；高中生物學(xué)

［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(chuàng)造性思維能力[1]。美國教育學(xué)家布盧姆根據(jù)教育目標的具體實現(xiàn)所需要的思維復(fù)雜水平，將認知過程分為記憶、理解、應(yīng)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(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）中提出對學(xué)生科學(xué)思維進行培養(yǎng)，而科學(xué)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(chuàng)造性思維等。其中模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維屬于高階思維的范疇。教學(xué)應(yīng)該更多地著眼于學(xué)生適應(yīng)未來社會發(fā)展和個人生活的需要，培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)未來生活的必備品格和關(guān)鍵能力。因此，課堂教學(xué)目標不能只停留在對低階思維的培養(yǎng)，應(yīng)采取更能促進學(xué)生思維發(fā)展的教學(xué)模式，讓學(xué)生思維由低階向高階轉(zhuǎn)變。問題鏈教學(xué)策略聚焦于問題的解決，結(jié)合學(xué)生的認知發(fā)展水平和教學(xué)目標，設(shè)計一系列具有邏輯梯度、層層遞進的問題，帶領(lǐng)學(xué)生在探究的過程中完成知識點的學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的求知欲，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力，促進學(xué)生思維的發(fā)展。本文以人教版必修二中的“DNA的結(jié)構(gòu)”為例，闡述在科學(xué)史的背景下如何通過問題鏈引導(dǎo)學(xué)生進行探究活動，并達到培養(yǎng)學(xué)生高階思維能力的目標。

一、指向高階思維發(fā)展的問題鏈設(shè)計原則

（一）問題鏈設(shè)計的合理性

一要以知識為依托選擇問題鏈的內(nèi)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(cè)重點也有所不同，更加聚焦本節(jié)課的課程目標。例如，遵循知識內(nèi)容的演進規(guī)律可以創(chuàng)設(shè)“分列式”問題鏈和“遞進式”問題鏈，而教學(xué)情境沖突時可以創(chuàng)設(shè)“兩難式”問題鏈[2]。問題鏈教學(xué)中的問題鏈類型并非每堂課固定不變，教師應(yīng)依據(jù)本節(jié)課的具體教學(xué)內(nèi)容設(shè)計適合本節(jié)課的問題鏈。二要以學(xué)生能力為依托設(shè)計問題。在設(shè)計問題鏈之前應(yīng)對學(xué)情進行分析，了解學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，并能夠兼顧到大部分學(xué)生的思維發(fā)展。例如，對后進生采用創(chuàng)設(shè)情境的方法，即結(jié)合后進生的思維水平創(chuàng)設(shè)適合學(xué)生發(fā)展的問題情境，在一個個問題情境中發(fā)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(xué)目標逐步拆解為若干個問題，讓學(xué)生更多地參與到課堂中，給學(xué)生提供更多猜想和實踐的機會；對優(yōu)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(shè)計必做的問題和高難度的選做問題，全部學(xué)生做必做問題，而有能力的學(xué)生可在教師的指導(dǎo)下完成選做問題[3]。

（二）問題鏈設(shè)計的層次性

在設(shè)計問題鏈時應(yīng)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(yīng)逐步過渡到原理的應(yīng)用、具體問題的解決以及知識的綜合應(yīng)用等方面，即指向?qū)W生高階思維發(fā)展的問題鏈應(yīng)該在具體知識的基礎(chǔ)上提出更有挑戰(zhàn)性的問題讓學(xué)生去探究和思考。高階思維的發(fā)展依賴于學(xué)生的深度思考，因此問題深度和難度的逐步過渡，是學(xué)生在問題鏈教學(xué)中思維得到發(fā)展的必要前提。

（三）問題鏈設(shè)計的探究性

問題鏈教學(xué)中的主干問題是激發(fā)興趣、引發(fā)困惑、 體驗意義的重要載體。教師在設(shè)置問題鏈時應(yīng)設(shè)置開放性的問題，給學(xué)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(dǎo)學(xué)生從多方面去思考解決問題的方式，發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造性思維。此外，探究是發(fā)展學(xué)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(xué)中給予學(xué)生探究的空間，讓學(xué)生在探究的過程中提高發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的能力、動手能力、團隊協(xié)作的能力與創(chuàng)新能力。

二、指向高階思維發(fā)展的問題鏈教學(xué)設(shè)計案例

（一）基于課標、教材和學(xué)情制訂預(yù)期教學(xué)目標

首先，“DNA的結(jié)構(gòu)”一節(jié)選自高中生物學(xué)必修二第三章第二節(jié)，本節(jié)課對應(yīng)新課標中的次位概念“概述DNA分子是由四種脫氧核苷酸構(gòu)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(jié)構(gòu)，堿基的排列順序編碼了遺傳信息”，是本節(jié)課需要建構(gòu)的重要概念。本節(jié)課具體學(xué)習(xí)DNA雙螺旋模型的構(gòu)建以及DNA的結(jié)構(gòu)和特點，滲透DNA的結(jié)構(gòu)與其功能相適應(yīng)的觀念，其中DNA結(jié)構(gòu)的主要特點是本節(jié)課教學(xué)的重難點。本節(jié)知識既是前面所學(xué)內(nèi)容“遺傳因子、基因在染色體上、DNA是主要的遺傳物質(zhì)”在知識邏輯上的延續(xù)，也為后續(xù)學(xué)習(xí)RNA的相關(guān)知識、DNA的復(fù)制以及基因的表達奠定了基礎(chǔ)，同時還為后續(xù)的學(xué)習(xí)提供了方法基礎(chǔ)。

其次，學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)習(xí)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(xué)生也通過必修一的學(xué)習(xí)掌握了核酸的物質(zhì)組成，這些都為本節(jié)課的學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。然而，學(xué)生雖對DNA有了一定的認識，但仍處于感性層面，對DNA的結(jié)構(gòu)、堿基的互補配對原則、DNA結(jié)構(gòu)的特性、DNA成為主要遺傳物質(zhì)的原因等尚存有疑問。另外，此前的學(xué)習(xí)使得學(xué)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(jié)課完成對科學(xué)史資料的分析以及DNA模型的建構(gòu)。

基于以上分析，筆者制訂如下教學(xué)目標：（1）綜合分析科學(xué)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(jié)構(gòu)，進一步形成“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的生命觀念，發(fā)展質(zhì)疑、實證等科學(xué)思維能力；（2）通過對問題鏈的探討和解答，能夠總結(jié)出DNA結(jié)構(gòu)的特點以及堿基的相關(guān)計算規(guī)律；（3）通過建構(gòu)DNA結(jié)構(gòu)模型，準確掌握DNA分子的結(jié)構(gòu)特點，發(fā)展“模型與建?！笨茖W(xué)思維。

（二）情境設(shè)置

本節(jié)課的情境主要圍繞DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的發(fā)現(xiàn)史來設(shè)置。以科學(xué)家發(fā)現(xiàn)知識的路徑為主要載體，以問題鏈的形式沿著科學(xué)家的思路，引導(dǎo)學(xué)生一步步發(fā)現(xiàn)DNA的結(jié)構(gòu)。

（三）關(guān)鍵問題設(shè)計和解決路徑

（四）教學(xué)過程

環(huán)節(jié)1：呈現(xiàn)歷史，導(dǎo)入新課

展示北京中關(guān)村高科技園區(qū)的DNA雕塑的圖片，沃森與克里克1953年發(fā)表在《自然》雜志上的論文《核酸的分子結(jié)構(gòu)——脫氧核糖核酸的一個結(jié)構(gòu)模型》，以及1962年沃森、克里克和威爾金斯榮獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的合影后，教師提問：這三位科學(xué)家究竟是如何發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)的呢？他們各自都為發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)作出了怎樣的貢獻？由此引入對DNA結(jié)構(gòu)的探討。

設(shè)計意圖：通過展示科學(xué)史上重要的歷史事件及巧妙設(shè)問，引出本節(jié)課的主題，從而激起學(xué)生探索的興趣，引發(fā)學(xué)生的求知欲。

環(huán)節(jié)2：探究DNA單鏈的結(jié)構(gòu)

教師通過多媒體呈現(xiàn)資料，即在沃森和克里克決定合作進行DNA結(jié)構(gòu)的研究之前，科學(xué)界已經(jīng)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(jié)構(gòu)是什么樣的？（該問題的思維層次指向記憶和理解，引導(dǎo)學(xué)生回憶脫氧核苷酸的結(jié)構(gòu)）（2）DNA的組成單位脫氧核苷酸與RNA的組成單位核苷酸的區(qū)別是什么？（該問題的思維層次指向記憶和理解，引導(dǎo)學(xué)生對比回憶的同時復(fù)習(xí)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(shè)？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(xué)生調(diào)用先前學(xué)習(xí)的ATP結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識，并在討論之后能夠提出兩種假設(shè)，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(wěn)定）

設(shè)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(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，訓(xùn)練學(xué)生的分析能力，讓學(xué)生在不斷的思考中復(fù)習(xí)舊知，建構(gòu)新知，同時也為后面的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

環(huán)節(jié)3：探究DNA雙鏈的連接方式

教師呈現(xiàn)三則資料：

資料1： 物理學(xué)家威爾金斯分析DNA分子發(fā)現(xiàn)，每個DNA 結(jié)構(gòu)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(shè)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(cè)，磷酸基團位于DNA雙鏈的內(nèi)側(cè)。

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(nèi)處于水環(huán)境中。

學(xué)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(xué)？如果不科學(xué)，DNA雙鏈的連接方式應(yīng)該是怎樣的？（結(jié)合資料3學(xué)生能夠認識到沃森的猜想并不正確，該問題能培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維，并滲透“邏輯和實證相符合、結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一”的觀念）（3）從上述資料中，你知道科學(xué)應(yīng)具有什么樣的特點嗎？（學(xué)生認識到科學(xué)應(yīng)該是經(jīng)過實證后的觀點。）

設(shè)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(shè)計因果式問題鏈，使學(xué)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(fā)展批判性思維，培養(yǎng)證據(jù)意識，理解科學(xué)的實質(zhì)。

環(huán)節(jié)4：探究堿基的配對方式

教師呈現(xiàn)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(xué)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀完資料后提問：（1）根據(jù)以上兩則資料你能提出關(guān)于堿基配對的幾種假設(shè)？（學(xué)生在分析資料的過程中很容易提出兩種假設(shè)，該問題主要培養(yǎng)學(xué)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(jù)，驗證哪一種假設(shè)成立（強化學(xué)生的證據(jù)意識，發(fā)展學(xué)生的批判性思維）。

設(shè)計意圖：在遞進式問題鏈中，學(xué)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(xùn)練學(xué)生的分析能力并在此過程中強化學(xué)生的證據(jù)意識。

環(huán)節(jié)5：探究DNA雙鏈反向平行的雙螺旋結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上結(jié)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(shè)？（學(xué)生提出關(guān)于DNA方向的兩種假說之后，教師呈現(xiàn)富蘭克林實驗的資料，引導(dǎo)學(xué)生得出DNA雙鏈反向平行的結(jié)論）（2）根據(jù)已經(jīng)連接好的DNA雙鏈的結(jié)構(gòu)圖，我們可以發(fā)現(xiàn)堿基的比值和數(shù)量之間有什么規(guī)律？（該問題指向應(yīng)用分析性思維的培養(yǎng)，依據(jù)A和T的數(shù)量相等、G和C的數(shù)量相等這一事實，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)相關(guān)的計算規(guī)律）（3）DNA的兩條鏈連接之后，DNA的結(jié)構(gòu)是平鋪的嗎？如果不是，根據(jù)衍射圖它應(yīng)該是怎么樣的？（4）DNA的結(jié)構(gòu)可以用一句話總結(jié)嗎？這樣的結(jié)構(gòu)會讓DNA具有什么特性？（在培養(yǎng)學(xué)生綜合性思維的同時，滲透“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的生命觀念）（5）沃森和克里克的研究過程涉及哪些學(xué)科的知識和方法？ （回顧科學(xué)史，培養(yǎng)學(xué)生的分析性思維和跨學(xué)科意識）

設(shè)計意圖：設(shè)計并列式問題鏈，以提問探究代替直接講述，完成對DNA結(jié)構(gòu)及其特性的總結(jié)，由此引起學(xué)生的注意，提高學(xué)生課堂的參與度，從而實現(xiàn)高階思維的進階。

環(huán)節(jié)6：歸納總結(jié)，模型建構(gòu)

教師帶領(lǐng)學(xué)生總結(jié)DNA的結(jié)構(gòu)和特點，升華科學(xué)史中科學(xué)家的奉獻精神和團結(jié)合作精神，并提出以下任務(wù)：（1）嘗試用材料構(gòu)建DNA的結(jié)構(gòu)模型；（2）為什么說DNA是規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu)？在模型的建構(gòu)過程中找到答案；（3）根據(jù)DNA的結(jié)構(gòu)和特點，設(shè)想如何復(fù)制DNA。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)的問題鏈能夠啟發(fā)學(xué)生思考，培養(yǎng)學(xué)生在動手操作中解決問題的能力。模型的建構(gòu)會讓學(xué)生對DNA雙螺旋的結(jié)構(gòu)理解得更加深刻。而讓學(xué)生帶著思考建構(gòu)模型，既拓展了思考的問題，也為下一節(jié)課的學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。

三、教學(xué)反思

本節(jié)課的設(shè)計亮點在于，將問題鏈的教學(xué)設(shè)計與生物課堂上的高階思維發(fā)展相結(jié)合，使得學(xué)生的高階思維發(fā)展有了落腳點。本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計中，以學(xué)生預(yù)期的學(xué)習(xí)結(jié)果為起點，在每一個環(huán)節(jié)設(shè)計一個關(guān)鍵問題，在關(guān)鍵問題之下又設(shè)計了問題鏈助推關(guān)鍵問題的解答，并且在問題鏈的設(shè)計過程中，確保問題設(shè)計的漸進性以及思維的層次性，最終實現(xiàn)對學(xué)生高階思維的培養(yǎng)。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

[1]" 鐘志賢.教學(xué)設(shè)計的宗旨：促進學(xué)習(xí)者高階能力發(fā)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(xué)，2022（1）：55-56.

[3]" 賀文臻.立足問題鏈 發(fā)展高階思維：初中數(shù)學(xué)教學(xué)中問題鏈應(yīng)用策略[J].青海教育，2023（合刊2）：84，86.

（責(zé)任編輯 羅 艷）