用支架式教学模型培养学生高阶思维探究

吴倩　程建欣

摘 要：基于学生思维滑坡较为严重的现状，在教学中借鉴“支架式”教学理论，构建以问题驱动为导向、知识为载体、设置具体的情境，通过开展探究活动以达成教学目标的“四维一体”支架模型，培养学生在生物学学习中的高阶思维。

关键词：“支架式”教学模型；问题导向；高阶思维

在教育改革的背景下，对学生的整体性思维和系统性思维要求更高，因此在教学目标制订时，本着在生物学习过程中培养、锻炼学生高阶思维能力的目的，借鉴“支架式”教学理论搭建一种概念框架，使学生在获取新知识的同时，思维得到同步进阶。

“支架式”教学源自维果茨基的“最近发展区”理论，教师以问题驱动为导向、知识为载体、设置具体的情境，通过开展探究活动以达成教学目标的“四维一体”支架模型。“支架式”教学为学生理解知识提供一种概念框架，这种框架中的概念是学生发展问题解决能力所需要的，为此，事先把复杂的学习任务加以分解可以逐步加深学习理解[1]。本文探索性地将“支架式”教學拓展应用到培养学生在生物学习中的高阶思维能力。高中生物学中涉及的具体高阶思维包括：抽象思维（分析与综合、比较、归纳、假说——演绎、因果与推理）和创新性思维、批判性思维等。

一、构建“支架式”教学模型

构建“支架式”教学模型：教学目标是核心，问题驱动、探究活动、情境创设、知识授予这四个维度都要指向教学目标；情境、探究活动、知识、问题驱动这四者相辅相成：创设情境能更好地进行活动探究，在探究中获取知识，而后进一步进行问题驱动，达到教学的生成。反过来，以问题驱动激发学生思维，让学生在问题的指向下获取知识，便于学生更好地进行活动探究，最后再以情境创设检验探究的成果。总而言之，这四个维度无论以哪一个为起点，都能够辐射另外三个维度，而这一切又紧紧围绕教学目标展开，这也是架构式教学的优势，既能够灵活设计处理各个教学环节，又能够不蔓不枝，紧紧围绕教学目标这个核心，最终形成思维活跃、探究深入、学习高效的理想课堂。

二、利用“支架式”教学模型培养高阶思维策略

高阶思维能力是学生应该具备的适应终身发展和社会需要的必备品格和关键能力，培养高阶思维就是形成高阶思维能力的重要途径[2]。

（一）借鉴科学家的思路和方法培养高阶思维

实例1：细胞膜成分和结构的探索

问题驱动：细胞膜是物质的实体，它由什么物质构成的呢？又是怎样的一种结构？

情境和已有知识的融合：将紫色洋葱外表皮细胞制作临时装片，将甘油滴加在盖玻片的一侧，另一侧用吸水纸引流。现象：细胞出现质壁分离，一段时间后出现质壁分离复原。

学生推测出：细胞能吸收甘油，因为甘油是小分子物质容易进入细胞，说明细胞允许甘油通过。

探究活动：

子问题1：利用相似相溶的原理，推测细胞膜含有的成分？

学生推测：有脂质

子问题2：如何证实细胞膜的成分？借助欧文顿实验并展示科学家提纯和鉴定结果。

得出结论：细胞膜中含有脂质，其中磷脂所占比例较大。

子问题3：根据磷脂分子的结构，请用磁铁片在黑板上展示，磷脂分子在空气—水界面如何分布？

学生展示：亲水性的头部都朝下、疏水性尾部都朝上。

通过朗缪尔的实验证实脂质分子铺展在空气——水界面上，发现脂质分子形成单分子层。

子问题4：磷脂分子在水中是如何分布的？为什么？

学生推测：当磷脂分子的内外均是水环境时，磷脂分子“尾部”相对排列在内侧，“头部”朝向两侧的水环境，形成磷脂双分子层。

子问题5：能否得出细胞膜中的磷脂分子就是双分子层的结论呢？补充戈特和格伦德尔的实验结果。

得出结论：细胞膜的磷脂分子是双层分子。

子问题6：细胞膜中还存在其他成分吗？借助丹尼利和戴维森实验。

学生推测：细胞膜中可能还存在蛋白质

子问题7：如何证实推测？借助科学家提取红细胞膜并进行化学成分分析。

得出结论：细胞膜中还有蛋白质。

子问题8：蛋白质分子以何种方式分布在磷脂双分子层中？

新技术证实：20世纪60年代出现了冰冻蚀刻技术，让细胞膜中蛋白质分布的神秘面纱揭开。

构建新知：细胞膜的主要成分是脂质分子和蛋白质分子。细胞膜的基本支架由磷脂双分子层构成，蛋白质分子有的镶嵌、有的贯穿在磷脂双分子层中。

思维能力训练：在目标问题驱动下、随着子问题层层深入，在推理、猜测、验证与结论中体现了抽象思维及逻辑思维的训练。

环节点评：这种逐层推进，由浅入深、由表及里的训练，在保证学生趣味性的同时，让他们不知不觉中进入到了更深层次的认识与探究之中，保持了他们的好奇心和探索精神。同时渗透了结构和功能观、进化与适应观。

（二）类比法培养学生高阶思维

实例2：动物细胞培养的条件

问题驱动：如何在体外创造出一个适合细胞生长的环境呢？

误解设置和已有知识的结合：体内细胞生活在组织液、血浆、淋巴等构成的内环境中。消化道对食物消化、吸收所获得的营养物质大部分进入血浆中。还有部分物质是由神经系统、内分泌系统、免疫系统的细胞产生的分泌物，如激素、生长因子等，这些是细胞生长所需的调节性物质。通过呼吸系统保证了内环境中氧气和二氧化碳浓度的相对稳定，泌尿系统通过泌尿保证内环境的有毒物质及时排出体外，免疫系统保证内环境的无菌环境。正常状态下，体内细胞一般生活在一个营养丰富、无菌无毒、理化性质稳定的环境中。

探究活动：

子问题1：实验室培养细胞所需要的条件分别对应内环境的哪些部分？

子问题2：动物培养瓶有什么特点？能不能达成所需要的条件？

子问题3：动物细胞大规模培养需要提供什么条件？如何实施自动化控制？

类比分析思想：动物细胞大规模培养体系装置，看上去似乎非常复杂，如果从细胞生活的条件去考虑的话，你可能一下子就明白了。

整个装置的核心是细胞培养罐，里面含有动物细胞和培养液，相当于人体内的细胞和生长环境。细胞生长增殖的各种指标通过相应的探针进行监测（温度、PH、气体环境），通过调控实现稳定。

进入培养罐的培养基、空气经过灭菌后进入培养罐前还要经过无菌过滤器，防止污染。必要时还会向培养基中添加抗生素。通过控制培养基进入和产品流出的速度，保证营养物质的供应，又防止有害代谢物质的积累。

除此之外，还要控制好搅拌的速度，促进细胞与营养物质充分接触，同时又不能搅拌过快，为了及时了解培养进程，通过光密度计监控细胞密度，了解细胞培养进程，以便及时进行调整。

新知构建：动物细胞的培养条件：营养，无菌、无毒的环境，温度、PH和渗透压，气体环境。

思维能力训练：通过对动物细胞的培养条件的展开分解，再到培养罐的类比还原、功能实现，为学生创新思维的延伸提供一条路径；

环节点评：通过对内环境成分及人体各大系统在生命活动调节层面的分析，利用类比法拓展学生创新思维，将细胞学原理渗透到工程学中，为学生以后在实际生产中设计工程学方案提供了新思路。

（三）利用假说—演绎法培养学生高阶思维

实例3：验证基因分离定律

问题驱动：写出验证分离定律的思路和预期结果

情境：以自然条件下获得的甜玉米子粒、非甜玉米子粒，为材料来验证基因分离定律。

已有知识：1.玉米是一种二倍体异花传粉作物，在自然状态下，既可进行杂交也可进行自交。2.判断显隐性的方法3.假说—演绎法的具体流程。

探究活动：

1.提出问题：①甜玉米和非甜玉米，哪种性状为显性性状？

②显性性状的基因组成，是纯合子还是杂合子？

③方法确定：杂交法还是自交法？

2.提出假说：甜的玉米子粒和非甜的玉米子粒，若用B/b表示控制该子粒性状的等位基因，且甜玉米子粒为显性性状，则这两种玉米对应的基因型分别为B和bb。

3.演绎推理：①让甜玉米与非甜玉米杂交，F1表现一种性状，F1自交得到F2，F2中出现3：1的性状分离比。

②甜玉米与非甜玉米杂交，F1表现一种性状，且出现1：1的性状分离比。

4.验证假说：在杂合子细胞中，形成配子时成对的遗传因子发生分离，分离后的遗传因子分别进入不同的配子中，随配子遗传给后代[3]。

新知构建：针对不同的实验材料，选择的实验方法有所差别，但最终目的都是要创造出杂合子，以便在减数分裂时产生等量的B和b配子，证明基因分离定律。

思维能力训练：假说与验证，不仅能提升学生发散思维能力，还能有效的锻炼他们批判性思维的能力，在这样一种互相促进的循环中找到

真知。

环节点评：以假说—演绎法为抓手，基于生物学的原理、研究方法和思想，将现有的素材进行了综合分析和运用，培养了学生知识迁移及相关的实验设计能力，同时为他们今后如何解决遇到的问题，提供了一种方法。

（四）基于问题求解的创新策略培养学生高阶思维

实例4：垃圾分类

问题驱动：如何处理分类的垃圾？

情境设置和已有知识：每个小区都有四种颜色的垃圾桶，学生清楚地知道每种颜色的垃圾桶应该投放的垃圾类型。垃圾分类的目的：可以减少环境污染、提高资源的利用率、实现物质的循环再生。

探究活动：

聚焦厨余垃圾的处理，厨余垃圾含有大量有机物，从能源开发角度考虑利用价值比较高。现有的厨余垃圾处理技术可分为生物法、物理法、化学法等，具体的处理技术包括破碎直排处理技术、厌氧处理技术、蚯蚓堆肥技术、微生物菌体处理技术、饲料化处理技术、焚烧处理技术、制肥处理技术

等[4]。基于学生已有的微生物知识，选用以下方案进行探究。

子问题1：微生物能否降解厨余垃圾？

子问题2：如何分离得到能分解厨余垃圾的微生物？

子问题3：如何筛选出高效分解厨余垃圾的微生物？

子问题4：在自然条件下如何保证微生物的正常生长、繁殖？

学生查阅相关资料：微生物的选择

白星花金龟是一种常见的鞘翅目昆虫，节肢动物，其幼虫为腐食性，在自然界中可以取食腐烂的秸秆、杂草以及畜禽粪便等。白星花金龟生长发育速率与温度的关系特别密切，14～23℃时食量增多，活动增强，生长发育较快。白星花金龟成虫具有强烈的趋腐性及“趋糖”性，喜欢取食腐烂的果实。因此可以从腐烂的食物、水果中筛选出该种微生物（相当于从选择培养基中筛选）。

根据已有知识，可以将筛选出的微生物接着用厨余垃圾制作的培养液中培养，分别测定各瓶中剩余物的含量，接着再培养，重复多次，直至获得纯化的目的微生物为止。实例：处理过的厨余垃圾和菌渣的混合体作为白星花金龟幼虫的饲料，给予幼虫适宜的存在条件，经过幼虫的过腹处理，降低垃圾含量。幼虫获取垃圾中的营养后，逐渐长成成虫，成虫可用于饲喂家禽，成虫产生的粪便可以用作有机肥。

思维能力训练：培养了学生在真实情境中解决实际问题的能力，这是一种思维能力的迁移。

环节点评：以降解垃圾之变废为宝作为真实情景，借助已学过的微生物培养技术、生态学原理和一些成功案例，逐渐细化设计方案和实施方案，最后达到双赢的效果，其实就是对学生创新思维很好的培养。

三、教学感想及启示

（一）“支架式”教学模型能启发学生的高阶思维，帮助学生形成爱思考、善分析的良好品质。“支架式”教学的核心是以问题驱动为“抓手”实现教学目标，把教学中的有效问题分解成很多的子问题，借助相应的知识载体和技术手段来解决这些问题，通过学生的推理判断、综合分析等构建相应的概念及概念框架。教材中的例子比比皆是，例如：酶的概念、伴性遗传的概念、植物组织培养概念等，这些概念都是基于一个个生物学事实和证据，运用归纳法概括出的规律。这样的概念就是在特定的情境中逐渐生成的，当学生再次遇到类似情境时就能运用生物学的原理和规律，对结果或发展趋势做出判断，这也是对学生高阶思维培养很好的路径。在概念教学中如果都能按照这样的思路来实施，形成的概念再也不是死记硬背，而是更深层次的理解。

（二）“支架式”教学模型既是新知的“生长点”，也是高阶思维培养的“起点”。学生已有的知识就像一片肥沃的土壤，为孕育新知提供了良好的条件。围绕教学目标进行的问题驱动就是新知识的“生长点”，例如在摩尔根的实验中，子二代出现红眼：白眼=3：1，這与孟德尔的分离比例完全吻合，但发现了新的现象——白眼性状只存在于雄性果蝇中。学生就会产生质疑，教师顺势引导学生利用假说——演绎法进行探究，这就是一个新知的“生长点”，这种方法的掌握和思维模式的形成，也是高阶思维培养的“起点”。

结束语

总而言之，教师要转变角色，不只是带着自己积蓄的“一桶水”去给予学生，而应该以培养学生的高阶思维、让学生具备攫取水源的能力，高阶思维的培养也必将为学生今后的创造性思维培养打下坚实的基础。新时代的卓越教师不只是知识的传播者，更应该是思维的培养者，这才是真正地“授人以渔”。在未来，“支架式”教学模式在课堂教学中发挥的作用将越来越大，高阶思维的培养也必将为学生今后创造性思维的培养打下坚实基础，经历过高阶思维的培养，有助于学生成为敢于创新、善于创造的新时代青年。

参考文献

[1]张琳，于冬青，李迅，等.基于支架式教学的单元复习课教学策略[J].中学生物教学，2022（27）：79-80.

[2]周有祥.指向高阶思维能力培养的表现性评价：2021年高考全国乙卷生物学试题例析及教学启示[J].生物学教学，2022，47（1）：76-78.

[3]朱正威，赵占良，曹保义，等.普通高中教科书生物学必修2遗传与进化[M].北京：人民教育出版社，2019：6.

[4]蒋建国，耿树标，罗维，2020年中国垃圾分类背景下厨余垃圾处理热点回眸[J].科技导报，2021，39（1）：261-276.