初高中生物学科学思维进阶的实践研究

吴丹丹

自史密斯2004年第一次正式提出“学习进阶（Learning Progressions）”，10余年以来，学习进阶理论已成为美国各州和学区的课程开发和教学设计的重要参考。我国对学习进阶的认识与研究正处于起步

阶段，在中学生物学教学领域少有实践研究。

1“学习进阶”理论和研究现状

史密斯最早提出学习进阶理论时，将其定义为“学生在学习某一核心概念的过程中，所遵循的一系列逐渐复杂的思维路径”;刘晟、刘恩山等认为“学习进阶是对学生各学段学习同一主题的概念时所遵循的连贯的、典型的学习路径的描述，一般呈现为围绕核心概念展开的一系列由简单到复杂、相互关联的概念序列”。国内已有的与学习进阶相关的实践研究中，多注重学生已有对概念的认知和概念本身的发展顺序、多学科知识融合和评测学生构建的概念网状结构等方面，对学生在概念发展中的科学思维的体验、发展少有涉及。学习进阶理论强调了学习过程中的阶段性、发展性，在某一学习阶段，起点是学生已有水平，终点是本阶段的学习目标，教师要以核心概念的进阶为中心，以多个学科教学为载体，使用多种进阶途径。这一理论对教师带来了很多积极的影响，如教师在分析从起点到终点的各个中间水平后，能更细化分析出不同学段学生对科学概念的理解应达到的水平，从而有利于设计并实施连贯、递进的教学实践。但是这也为教师提出了挑战，即教师如何根据学生的心理发展水平和认知规律，细分出一个个中间水平，并设计合理的教学活动来达成进阶。

2生物学学科核心素养和科学思维

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《新课标》）中提出“学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确的价值观念、必备品格和关键能力”。核心素养也具有层次性，其培养需要关注学生的不同阶段心理机制的发展，从整体考虑培养策略。生物学学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任4个方面，其中科学思维是“尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力”。“学生应该在学习过程中逐步发展科学思维，如能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维等方法，探讨、阐释生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题。”科学思维聚焦在“质疑是思考的视角、实证是判断的尺度、逻辑是论辩的准绳”，能帮助学生更好地理解科学概念，促进生命观念高效、正确地形成，能帮助学生更深入理解科学探究的本质，有能力在离开课堂后正确地使用所学科学知识和技术，形成应有的社会责任和担当。因此，在学习进阶的教学实践中，教师不仅需要关注概念的进阶，也应注重形成概念的过程中所必备的科学思维的进阶。这对教师的教学活动的设计起到了很重要的作用。

3基于科学思维学习进阶的以“遗传”为例的的教学环节设计

3.1初中运用情境教学发展分析、比较等科学思维

初中学生对遗传学的认识大多是日常生活经验，但这种对遗传概念的前认知可能是正确，也可能是错误的。所以，教师在上课时可联系学生身边实例的活动，让学生厘清前概念、建立正确的概念，促进学生在辨析过程中发展分析、比较的科学思维。

教师在帮助学生建立“生物能以不同的方式将遗传信息传递给后代，一些进行无性生殖，后代的遗传信息来自同一亲本;一些进行有性生殖，后代的遗传信息可来自不同亲本。”这一重要概念时，可创设一些情境帮助学生更好地理解。例如，学生在教室中用水插绿萝，一段时间后绿萝长出新根，绿萝长出根是一种繁殖方式;学生用菜豆种子萌发实验产生新个体，菜豆新个体的产生也是一种繁殖方式。教师使学生置身于真实的情境中，分析比较这两个过程是否都是遗传、有什么区别。学生大多可以先列举是否产生种子来繁殖这一表面差异，教师引导学生回顾种子的产生过程，进一步分析出二者在遗传过程中的本质差异，即是否有两性细胞的结合过程，从而引出无性生殖和有性生殖。由此，教师选取学生熟悉的多个遗传现象，在此过程中发展学生分析、比较的科学思维。

“DNA是主要的遗传物质;基因是包含遗传信息的DNA片段，它们位于细胞的染色体上。”这一重要概念对初中生来说比较微观，认知上的困难较大。这时，教师可使用自制教具来帮助学生理解这一微观的概念、突破这一难点，如课堂上用剪开的网球代表细胞，再用一个剪开的乒乓球代表细胞核，用几根不同颜色的毛线代表细胞中的染色体，配以“细胞-细胞核-染色体-DNA”关系的图片，进一步明确它们之间的包含关系，从而为学生理解这些结构之间的关系提供直观模型，并最终引出“基因”这一重要概念。在教师创设的这个情境中，学生能更好地理解细胞中遗传信息的位置，从而发展比较思维。

初中学生侧重于形象思维，对抽象思维的理解能力较弱;对概念的学习过程能运用回憶、理解等低阶思维，不能驾驭综合、评价等高阶思维，这是由学生的认知规律所决定的。教师要根据这一科学规律，依据学生擅长的思维方式进行教学活动的设计，如运用分析、比较等科学思维方法，借助于情境教学将微观问题宏观化、抽象问题具体化，发展学生科学思维的同时形成这一阶段的科学概念，实现科学思维和科学概念的进阶。

3.2在高中新授课中运用科学史料发展推理、归纳、模型等科学思维

高中学生通过化学学科的学习，对元素、分子结构、化学反应等知识已有所了解，通过高中生物《必修1·分子与细胞》的学习，对核酸等遗传的分子基础也有所了解，这为学生在《必修2·遗传与进化》中“核酸是遗传物质的证据”的学习打下基础。在证明核酸是遗传物质的过程中，科学家设计缜密的实验、经历了非常精彩的论证，教师在课上可使用“肺炎双球菌的体内和体外转化实验”的科学史料，从核酸和蛋白质两种大分子物质的多样性、特异性、稳定性、连续性等角度分析，理解当时的科学家提出“核酸和蛋白质哪个才是遗传物质”这一问题的前提，也能更好地理解科学家艾弗里设计“分别提取各种化学成分与核酸混合进行体外转化”的实验设计前提，从而帮助学生树立结构与功能观。教师在课上使用科学家的实验过程、分析和结论等史料时，与学生一起分析各位科学家实验设计中的单一变量的控制、自变量和因变量的关系、从结果分析推出实验结论等，都能发展学生的推理、归纳等科学思维。

孟德尔开展的豌豆杂交是现代遗传学的奠基性实验，他使用的“假说-演绎法”以及实验求证的研究思维，在分析孟德尔实验“3∶1”的过程中，能极大地帮助学生用模型的思维去理解生命现象，而这正是孟德尔定律提出假说的精彩之处。模型建构是目前高中生物学教学中较为薄弱的方面，笔者在讲授孟德尔遗传规律时，先使用大量数据，带领学生分析规律。阅读孟德尔原文以及饶毅教授的《孤独的天才》一文后，发现孟德尔大量实验数据中最重要的一个数据是F1自交实验后的F2的自交实验结果。这个结果反应出显性性状（如高茎）中有1/3其自交结果不发生性状分离（全为高茎），有2/3自交仍会发生性状分离（高茎：矮茎=3∶1）。这就有助于在模型建构中将其中的显性（即3/4）分解为1/4和2/4。教师引导学生分析证据、得出模型，使学生更明确模型建构过程中数据处理和抽象出模型这些重要环节的意义。

推理、归纳是一种由特殊具体的案例推导出一般原理、规律的过程。这一过程需要学生在具备分析、比较的基础上，还要能进一步归纳出所有特殊案例中所共有的特质，而这正是建立在初中所具备的分析、比较的基础上的。因此，这一过程很好地实现了科学思维的进阶。推理归纳的科学思维是学生今后的科学探究中所必须的一项重要思维能力。模型建构是人们根据原型的特质，略去次要因素、保留主要特征，对原型进行简单、抽象处理的过程，借助于设计出的模型可对原型进行更多的认识。但建构过程需要学习者能对原型的特征进行分析、比较，并能根据已有经验对原型的特质进行删减和突出处理，这对学生的认知水平要求较高，因此相关的教学活动要安排在高中生物学学习阶段。

3.3在高中生物复习阶段运用真实研究情境发展学生的批判性和创新性思维

3.3.1梳理复习内容，发展进阶思维

在高中生物复习阶段，教师要帮助学生夯实知识基础，更要锻炼学生在新情境中灵活应用的能力。在一轮复习阶段，教师可用表1帮助学生系统地梳理遗传学在不同该研究层次的主要研究思路。

在梳理研究体系的基础上，教师要结合真实的研究情境，發展学生的科学思维。例如，以一种遗传病为例，从研究者的角度如何来研究？学生讨论后，得出：首先要对患者家系进行调查制作家系图，依据比较、分析、综合等科学思维推理出最可能的遗传病的遗传方式，再对遗传病的遗传性状进行个体、细胞和分子水平的研究。例如，针对性状与环境的关系、性状与遗传物质的关系，对由遗传物质控制的问题首先从染色体的类型上进行判断，结合现代生物技术如酶切电泳、测序、PCR技术等对患者和健康人的遗传信息进行比对;对于遗传信息不变但性状改变的则需要考虑表观修饰现象。由此，学生梳理出一个遗传病的研究思路的归纳，并从致病原因角度出发，思考如何对该遗传病进行治疗和预防，有助于更系统地分析和综合运用，并提高了社会责任素养。

综合运用能力是建立在理解、分析的基础之上。在高考复习阶段，学生一方面需要夯实对概念的理解和建立知识点间联系，另一方面还要能驾驭不同的情景、运用恰当的已学知识进行分析。因而，教师使用真实案例能检验学生对概念的理解是否准确，并且在一个情景中是否能运用多个知识点，这也考验学生对知识理解的网络化水平。

3.3.2分析进阶思维网络图

有学者研究了生物学科能力包括四大项（理解、应用、思辨、创新）九小项（辨认、比较、解读、推理、归因、论证、评价、假设、设计）。这几项能力之间也存在着非常明显的进阶。为便于高考复习备考和高中不同学段教学，笔者结合“遗传”中“遗传病”部分将这几项能力进行梳理如图1所示。

由图1可知，在初中、高中新课、高中复习阶段对“遗传”部分的能力要求水平是不断发展的。教师在教学活动的设计中既要考虑科学概念的进阶，也需关注科学思维水平的进阶：不同学习阶段之前已有的科学思维水平是什么？本阶段能达到的水平是什么？这有助于教师结合教学内容选择恰当的教学素材，以达到该阶段的目标水平。这样的梳理分析对“遗传”部分内容的教学素材选择、教学活动设计、教学设计实施、教学效果量化评价提供了一定的参考。

虽然，笔者对结合教学实践对科学思维进行了简要梳理，但是真正的科学学习是非常复杂的，学生的生物学学科核心素养发展也是非常综合的，且不同学校、不同学生之间也有很大的差异。所以，在多元化、多维度的基础上，现有的科学思维的进阶研究可能还需要今后更多的实践积累、总结提升。

参考文献：

[1]姚建欣.为学生认知发展建模_学习进阶十年研究回顾及展望[J].教育学报，2014，10（5）：35-42.

[2]郭玉英.基于核心素养学习进阶的科学教学设计[J].课程·教材·教法，2016，（11）：64-70.

[3]郭玉英.整合与发展-科学课程中概念体系的建构及其学习进阶[J].课程·教材·教法，2013（2）：44-49.

[4]孙鹏.构建基于核心素养的生物学科能力测评框架[J].课程·教材·教法，2019，39（4）：97-103.