创设认知冲突发展高阶思维——以“动物细胞融合技术与单克隆抗体”为例

曹正琼 路 遥 郭 威

(湖北省襄阳市第三十六中学 湖北襄阳 441021)

高阶思维是发生在较高认知水平层次上的心智活动或认知能力,其关键为在已知基础上进行“跨越”。教师若在教学中设计制造认知冲突,可以激活学生思维,激发其学习的内驱力,增加课堂中学生有意注意的时间,促使学生在深度学习过程中积极建构与完善知识结构,在认知冲突的解决和转化过程中,实现分析、综合、评价、创造等高阶思维的发展。下文将以人教版生物学教材《选择性必修3·生物技术与工程》第二章第二节“动物细胞工程”中“动物细胞融合技术与单克隆抗体”部分内容为例,探讨认知冲突设计在教学中的具体运用。

1 课标与教材分析

根据《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称《课程标准》),梳理本节课的各级概念如下(表1),两个次位概念既是本章也是本节的教学重点。其中,动物细胞融合技术为单克隆抗体的制备开辟了新途径,而两者在动物细胞工程领域中均占据重要地位。

表1 “动物细胞融合技术与单克隆抗体”小节各级概念

从教材内容上看,“动物细胞融合与单克隆抗体”选自人教版《选择性必修3·生物技术与工程》第二章第二节“动物细胞工程”。前一节“植物体细胞杂交技术”的学习为本节课打下良好的认知基础,同时该内容又与《选择性必修1·稳态与调节》第四章第二节“特异性免疫”联系紧密。

从教学内容上看,本节内容主要涉及动物细胞融合技术、单克隆抗体及其应用两个方面,而单克隆抗体的制备是动物细胞融合技术最重要的应用,为本节的重难点。

2 学情分析与教学目标的确立

基于过往学习,学生已了解植物细胞原生质体融合的原理及方法,掌握免疫细胞、特异性免疫过程等相关知识,且通过必修教材的学习,已具备一定的建模能力。基于上述分析,确立本节课的核心素养目标:

(1)通过对比、比较等思维方法,明确动物细胞融合的概念及所需条件。

(2)通过建模等科学方法,理解单克隆抗体制备的具体过程。

(3)通过关注及搜集资料,认同单克隆抗体在临床上具有重要的应用价值。

3 认知冲突的创设

根据核心素养目标,选用多种方式激发学生的认知冲突,切实提高认知冲突的深度和广度,并通过讨论方案、模型建构、展示评价、创设知识迁移或运用情境等活动,以解决及转化认知冲突,使学生间发生思维碰撞,帮助学生在自主建模、合作交流中获取知识、领悟方法和提升能力。课程具体设计如下。

3.1 认知冲突设计一:创设真实情境激发认知冲突,导入课题学习

在导入课题环节,教师要善于发现认知冲突的兴奋点,广泛收集、整理相关素材,为学生创设有足够冲击力,能引发学生深入思考的认知冲突情境。

如人们被猫狗抓伤或咬伤后要注射狂犬疫苗,这是学生熟知的生活常识。课上,教师先展示一则新闻标题,“女子被流浪狗咬伤,注射疫苗后狂犬病发作死亡引发网友热议”。而学生基于已有的生活经验,无法解释上述事实,由此产生认知冲突驱使学生一探究竟。

其后,教师再呈现新闻的具体内容,使学生了解遭遇严重咬伤时要同时注射狂犬疫苗和狂犬病毒抗体,而非仅注射疫苗。接着,进一步引导学生结合已学的特异性免疫知识,明确注射原因并引出课题“价值千元的狂犬病毒抗体究竟如何制备”。以此,创设可激发学生认知冲突的真实情境,引起学生“认知失衡”,激发学生的求知欲和好奇心,使其产生解决认知矛盾的内在需要,提供主动实现知识建构的契机和动力。

3.2 认知冲突设计二:新旧知识联系激发认知冲突,小组讨论方案解决、转化冲突

教师全面、科学地分析学生已有的知识和教材内容,找到“新旧知识结合点”,分析原有知识和新知识之间的差异及形成差异的原因,开展针对性教学,以此产生的认知冲突能促使学生主动改变原有概念,从而促进新概念的形成。

宏观来讲，其中涉及到长时期演变——不同朝代的营造活动本身的时代特征；以及短时期演变——重大历史事件带来的影响，如移民活动等。中观来看不同区域的匠派发展具有其特殊的传承脉络。随着工具的进步、社会的发展及审美等的变化，本身匠派的营造发展也随之变化，结构更为稳定，同时更追求美观。具体而微，匠师个人的接受与传承活动本身就具有一定的变化与不确定性。

例如在“单一抗体的制备方案”学习环节中,若直接呈现英国科学家米尔斯坦和德国科学家科勒设计的制备方案,会让学生失去一次自主思考、推理方案的机会。因此,教师可先引导学生结合已学知识,整理出如下信息:合成并分泌抗体的细胞是经免疫的B淋巴细胞→每一个经免疫的B 淋巴细胞只能产生一种特异性抗体→传统生产的血清抗体产量低、纯度低、特异性差。然后,再组织学生开展小组活动,讨论单一抗体的制备方案。新旧知识间的冲突和学生间的思维碰撞,使小组讨论更加热烈、深入,最终提出制备方案:将一个经免疫的B 淋巴细胞和无限增殖的瘤细胞融合,形成既能大量繁殖,又能产生特定抗体的细胞;再通过细胞培养技术,获得单一抗体。

此时,教师再展示两位科学家设计的单克隆抗体制备方案,并介绍科学家们以这一极富创造性的实验荣获诺贝尔生理学或医学奖。当学生发现自己提出的制备方案与科学家的想法大体相似时,将会信心大增。此外,有的小组还在此基础上提出新方案:将无限增殖的调控基因导入经免疫的B 淋巴细胞。教师趁此提出,创新是进步的不竭动力,鼓励学生勤于观察,勇于创新。

3.3 认知冲突设计三:设置问题串激发认知冲突,小组建模评价解决、转化冲突

教师基于学生的既有认知结构,设置有梯度、多层次的问题串,使学生产生持久的学习热情,推动学生认知由已知区走向最近发展区,全面发展高阶思维能力,引导学生在探究问题的过程中主动完成认知结构的建构。

本节课的重难点在于单克隆抗体具体制备过程的教授。在第一轮尝试教学阶段中,教师组织学生先自学教材内容,再以小组为单位,围绕问题串展开讨论;然后鼓励小组建构单克隆抗体制备模型,描述具体过程;最后由小组代表展示、解说模型。在该种教学设计中,学生虽能通过自学教材和小组模型建构等活动,引发一定的认知冲突,但因为学生已提前自学因此在模型建构时思维受到束缚,自主性较弱。在第二轮优化教学阶段,教师在保留小组展示评价模型的基础上,组织学生分步骤在展板上建构单克隆抗体制备模型,展示板上可选择粘贴模具或绘制图文信息等,分步建构设计具体如下。

3.3.1 建构细胞融合模型阶段

教师请各组学生从材料盒中拿取B 淋巴细胞和骨髓瘤细胞模型,要求学生自主完成细胞融合的模型建构,并在学生构建完成后引导组间相互观摩。通过组间学习,发现有的组只选取一种颜色的B 细胞和骨髓瘤融合,获得一种融合细胞;有的组则选了多种颜色的B 细胞,绘制多种融合细胞。基于学生建构的不同模型,教师抛出问题1:比较各小组模型,说说哪组模型建构更科学? 此问激发学生深入思考,在比较、辨析中找出不同模型的异同点,引导学生从哺乳动物体内现存的B 淋巴细胞种类和诱导动物细胞融合的成功率两个角度,判断最为科学、合理的模型。

如何从融合及未融合的各类细胞中筛选出杂交瘤细胞? 对学生而言,现有的知识储备不足以回答该问题。为此,教师提供资料:已知细胞合成DNA 有D和S 两条途径,其中D 途径能被氨基嘌呤阻断。在小鼠经免疫的B 淋巴细胞中,存在这两种DNA 合成途径,但一般不分裂增殖;而小鼠的骨髓瘤细胞中DNA只通过D 途径合成,能无限增殖。请学生根据上述信息,建构出含氨基嘌呤的选择培养基以筛选杂交瘤细胞的模型。

3.3.3 建构获取单一抗体的模型阶段

基于上述分析讨论,学生发现培养多种杂交瘤细胞最终能获得多种抗体,无法实现获取单一抗体的需求。教师对此发现表示肯定,并提供进一步解决问题所必要的材料模型——96 孔板,介绍其用法:将杂交瘤细胞群稀释,每个孔尽量只接种1 个细胞进行克隆培养,一段时间后,每个小孔的上清液内就仅含有该杂交瘤细胞产生的特定抗体。教师继续提问:哪个孔内上清液所含的抗体是我们需要的抗体? 学生联系所学知识,找到抗体检测的办法,即运用抗原—抗体杂交原理,筛选出抗体检测呈阳性的杂交瘤细胞,由此建构获取单一抗体的模型。

3.3.4 建构获取大量单克隆抗体模型阶段

其后,教师进一步抛出问题:这样获得的杂交瘤细胞数量有限,怎样获得大量的单克隆抗体呢? 通过该问题引导学生明确如果想要制备大量单克隆抗体还需杂交瘤细胞增殖,由此完善模型。

在整个模型建构过程中,通过层层递进的问题串,激发学生不断产生认知冲突。学生为消除“认知失衡”以实现新的认知平衡,会迅速激活原有的认知结构,从中选择相关信息,并结合新信息进行有目的的加工和整合,历经推理、归纳、建模、评价等思维过程,有效促进高阶思维的发展。

图1 建构单克隆抗体制备模型过程中的问题串

本节课运用了创设真实情境、新旧知识联系、设置问题串等方法激发学生的认知冲突,并在激发冲突后,设计多种课堂活动如方案设计、模型建构、展示评价等,引导学生进行辨析、推理、讨论、建模、展示、评价等,以解决和转化认知冲突。在完善认知结构,提升认知水平的同时,学生的高阶思维得以提升,情感及态度也随之升华。

4 高阶思维发展情况测评

学生的思维发展外显化,可以帮助教师及时调整或改进教学策略。为此,参考多篇有关高阶思维能力测评量表编制或应用的文献,编制《中学生高阶思维评价量表》,从分析、决策、协作、创造、远迁移五个维度对学生的高阶思维发展进行量化评价(表2)。

表2 中学生高阶思维评价量表

此量化评价在认知冲突设计运用教学前及实施半年后进行,量化分析结果如图2所示。观察图2可以发现,在教学实施前后,高阶思维五个维度的平均得分均在3 分以上,这说明学生已有的高阶思维处于中等水平。通过一段时间的实验教学,学生在五个维度的量化评价得分均有一定提升。其中,在“决策—综合”维度的得分增幅最大,即学生选择和评估解决方案的思维能力提升最明显;“决策—分类”和“协作”等思维的得分增幅次之;在面临陌生问题时,整合过往经验对目标进行分析,发生新旧经验相互作用的“远迁移”思维小有进步;而高阶思维的核心——批判性思维与创造性思维得分增幅最小。

图2 中学生高阶思维发展量化评价

通过分析实验数据,教师可以获得下一阶段的明确教学方向,修正教学目标和方法。上述结果提示各位教师,仍需在学生自我反省、思想开放度、材料加工,考虑设计可行性等方面加强训练。