生物学课堂教学中如何培养学生的高阶思维——以“重组DNA技术的基本工具”为例

山东省菏泽市曹县第一中学 赵淑亚

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中将科学思维作为生物学学科核心素养内容之一，提出科学思维主要是指认识事物、解决问题的思维习惯和能力，主要包括归纳和概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等能力。因此，探究高中生物学课堂教学中，如何培养高阶思维的教学设计具有必要性。以部编人教版高中生物学“重组DNA技术的基本工具”这节课为例，探究课堂教学中高阶思维培养的思路和方法，拟为广大教师教学中培养学生高阶思维提供理论支持。

下面是“重组DNA技术的基本工具”的教学设计，以理论联系实际，目的是促进学生高阶思维的发展。

一、课前探知，提出问题，驱动创新思维发展

课前给学生布置任务，学生参与完成任务，来驱动思维发展。本课内容是学习本章其他内容的基础，具有至关重要的作用。因为重组DNA技术所需的“分子工具”对学生而言是抽象的，遵循“简约、形象、诱思”的原则，课前让学生收集基因工程应用的实例，也可以让学生借助教材中的素材，如章引言中培育转基因抗虫棉的实例。高阶思维需要对问题情境进行分析。本课开篇“从社会中来”栏目中培育转基因番木瓜的实例，提出了问题——需要用到哪些“分子工具”，学生可以充分发散思维，培养创造性思维。

问题是驱动学生思维运转的“催化剂”，它引导了学生思考的方向，给学生带来了学习的动力，有利于学生自主思考和主动探究知识的来龙去脉。教师设置课前任务单：①限制酶从哪里寻找；②限制酶的意义；③DNA的结构和复制；④重组DNA技术用到哪些分子工具。在此基础上呈现驱动问题，要求学生把这几个答案写在任务单上。课前教师收集任务单，前两个问题属于低阶思维，而驱动问题③和④属于高阶思维，学生解决情况不好，需要课堂诱导解决。任务单也能建立新旧知识之间的联系。高阶思维包含新旧知识间关系的建立。在对问题情境进行分析之后，个体还需要在新旧知识之间建立起对应关系，从而将已知的信息转化为适用于新情境的结构化知识。

二、课中探究，构建知识模型

高阶思维的概念框架表明，它是一个多种认知成分协同作用的复杂认知过程，其发展依赖一个贴近真实生活经验的学习情境来激活其中的认知成分。

（一）实践分享，发展学生分析、提出、评价问题的能力

上课前教师让学生展示任务单答案，在交流过程中，让学生进行评价。通过学生运用实例和旧知识来分析比较、作出判断，这是高阶思维形成的过程。在学生交流时，引导他们建立新旧知识之间的联系，可为新授环节构建概念作铺垫。

（二）递进任务驱动，提高学生解决问题的能力

环节一：引入基因工程概念、原理及研究价值。

根据章引言，教师提问能否将苏云金杆菌的“杀虫基因”导入棉花细胞，使棉花自身产生抗虫蛋白来抵抗棉铃虫呢？根据遗传学知识阐明理由。这样的问题设计实现了一个从感性认识到分析、构建概念的过程，是形成高阶思维的过程。绝大多数生物的遗传物质为DNA是基础知识，根据问题设计，所有生物共用一套遗传密码，实现了一个从感性认识到分析、构建概念的过程，是形成高阶思维的过程。

环节二：探究分析基因工程需要用到的“分子工具”。

本环节有三个探究活动，探究活动一：“探究限制酶的作用特点及结果”；探究活动二：“探究DNA连接酶的作用特点”；探究活动三：“探究载体必备条件。”通过这一环节的活动体验，让学生构建基因工程的概念，必须从DNA分子水平上进行设计和施工，以解决问题。教师展示教材中的“重组DNA技术所需的三种工具示意图”，让学生分析这三种工具的作用。

探究活动一。结合教材形象、直观的插图，如“限制酶切割DNA分子产生两种不同末端的示意图”，可以使学生准确理解切割部位和“黏性末端”的内涵。在分析问题时，学生不明白切割位点及如何剪切。给学生提供印有不同DNA序列的红色、绿色和黄色的纸条（其中绿色纸条用透明胶带首尾连接成环），让学生仔细观察纸条上的DNA序列，并结合教材中提供的限制酶EcoRⅠ和SamⅠ的识别序列信息，用贴有EcoRⅠ标签的剪刀剪切黄色纸条上的特定位点。有了前置体验，学生能理解限制酶的作用特点，两种限制酶产生的末端有什么不同。将微观作用通过模拟活动的形式呈现，可以让学生更加清晰地认识限制酶的作用特点，提出一些相应的问题，启发学生思考，帮助学生深入理解这部分知识体系，再让学生完成学案上的问题：①限制酶的作用特点；②限制酶存在于原核生物的意义。其中问题②属于高阶思维的问题，使学生完成了由低阶思维向高阶思维形成的过程。

探究活动二。在前置体验活动模型基础上，引导学生仔细观察上述活动中剪切绿色、红色纸条产生的“DNA片段”的末端，并用订书器将从红色纸条上剪切下来的“DNA片段”连接到绿色纸条的切口处诱思“订书器代表什么？订书钉代表什么？DNA连接酶的作用位点是什么？”通过构建的物理模型，帮助学生直观感知DNA连接酶的作用特点。探究活动后，在学案上完成知识建构（归纳几种酶的比较）。根据教材展示，一位学生介绍DNA连接酶的分类和作用，其他学生听讲，学生构建DNA连接酶的概念和知识体系，符合思维进阶过程。

探究活动三。教材展示，怎样才能将外源基因送入细胞呢？通常是利用质粒作为载体，将基因送入细胞。质粒是一种裸露的、结构简单、独立于细胞核或拟核DNA之外，并具有自我复制能力的环状双链DNA分子。提出问题：①载体要与外源基因连接，需要具备什么条件？②要使携带的外源基因在受体细胞中稳定存在，载体需要具备什么条件？③肉眼看不到载体是否进入受体细胞，为了便于筛选重组DNA分子，载体需要具备什么条件？在前置体验活动中，学生对绿色和分析纸条的操作，模拟的就是将外源基因连接到质粒载体的操作，是引导学生分析载体必备条件之一，即具有一或多个限制酶切割位点，供外源基因插入其中。通过思考题引导学生分析载体需要具备的条件，培养他们分析、推理、归纳和总结的能力，是高阶思维形成的过程。

指导阅读教材“科技探索之路”的内容，思考科学家发现三种“分子工具”的意义。学生理解并认同基因工程是在遗传学、分子生物学、生物化学和微生物学等学科的基础上发展起来的，它需要相关理论和技术的支撑，建立学科之间、学科模块之间的联系，也是形成高阶思维的过程。

三、课后反思，培养学生批判性思维

批判性思维是指在思维过程中，通过反思、分析问题来作出决定并解决问题。布置课后作业，请学生思考如何利用本课所学的三种“分子工具”培育转基因番木瓜。该题也为下节课学习做好知识铺垫。课后，学生迫不及待地交换自己的思想，从知识性角度发表自己的想法，和同学交流改进、创新措施。在这个过程中，学生通过理解和思考，对他人解答作出评价，形成批判性思维。经过思维碰撞，形成批判性思维，通过合理改进，也是高阶思维形成的过程。

综上所述，针对学生认知困惑，经过课前、课中、课后多层次探究活动，培养了学生的高阶思维。创新型的物理模型，不仅使抽象概念形象化，也培养了学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。结合高中生物学教学实践经验，提出了课堂教学中培养高阶思维的过程与方法。