指向高阶思维培养的高中生物实验课堂策略探析

陆 敏

一、 引言

高中生物内容丰富、难度相对较大,生物实验课程对学生的思维能力提出了一定的要求。部分学生在学习生物知识和进行生物实验时感到无从下手,渐渐产生了畏惧心理,学生的生物学科核心素养和高阶思维能力得不到良好的发展。为达到培养高中生高阶思维的教学目的,生物教师应当明确划分思维层次,创设更具思考性的生物实验课堂,推动学生由低阶思维向高阶思维转变。

二、 高阶思维的内涵阐述

对于高阶思维,不同学者有不同的阐述。美国教育家杜威认为,高阶思维具体指的是反省思维,根据他的观点,思维并非自然发生、潜移默化,而是必须要有相关的事件作为引发条件,也就是说学习者拥有的现有知识、相关数据实际上并不能自动地给出问题解决方案,学习者必然是首先对问题解决方案有着明确的需求,才能够有意识地利用反思性思维反省整个过程,因此思维过程是“反思——生成——研究——批判——问题解决”的过程。布鲁姆则是根据认知复杂的一般程度,对思维过程进行了细分,将思维分成六个不同的层级,分别是知识、理解、运用、分析、综合、评价。根据等级,前三个属于低阶思维,后三个属于高阶思维。之后许多学者在布鲁姆的基础上对高阶思维进行了细化修订,将其分为分析、评价、创造三个层次,每个层次又可以细分为具体的思维子类目。

长期以来,高中生物实验教学中学生的潜能未能得到充分、全面发挥。传统模式下高中生在生物实验课程中更多的是通过记忆储存来识记相关概念知识,学生作为思维主体,并未能深入分析知识内容的细节,也缺少调查探究相关知识内容和现象的积极性,学生对事件的动机、过程、结果均未能深入思考,因此学生的高阶思维能力发展有限。信息时代背景下,时代对人才提出了更高的要求,学生除了要掌握信息获取能力,更要掌握管理信息、分析信息、评价信息、创造信息的能力。新课程改革深入发展,教育教学更关注学生的可持续发展,关注学生问题求解、决策制定、问题解决、批判性思维等高阶思维能力的良好发展。生物教师在日常的实验课堂教学中应当合理创设教学环境,采取多元化的教学手段,注重培养和锻炼学生的高阶思维,培养学生认真理性分析、批判性看待等综合素质。有意识地培养学生的高阶思维,才能够最大限度地发挥学生的自身潜能,才能够更好地把握信息时代对人才培养的新要求,落实现代教育事业改革的目标。

三、 指向高阶思维探讨高中生物实验课堂教学的基本策略

传统课堂模式下,部分教师盲目采用填鸭式、满堂灌、讲授式的教学方式,学生处于被动状态,缺少主动探究、深入思考的机会。这种生物教学方式导致学生一直被限制在低阶思维层次,学生的高阶思维得不到有效开发。优秀的生物教师应当自觉地调整和创新教育培养方式,采取灵活、多样化的教学手段,指向学生的高阶思维能力发展目标,创设更有思考性的生物实验课堂。

(一)优化设计生物实验课程内容,渗透高阶思维

想要有效地发展学生的高阶思维能力,让学生能够在生物课堂中不断强化高阶思维,生物教师应当从生物实验教学的内容入手,渗透高阶思维的内容,让学生在实验课程教学活动中体会到各种思维方式。比如,在“探究酶的专一性”课程内容中,生物教师在开展实验教学前首先要做好实验教学准备,为学生准备充足的实验材料,在阐明实验原理的基础上,启发和鼓励学生研究讨论、大胆设计实验方案。不同的小组就会有不同的实验方案,有的选择用淀粉酶分别催化淀粉和蔗糖并检测反应结果,有的选择用淀粉酶、蔗糖酶分别催化淀粉并检测反应结果。通过让学生自行设计实验方案,共同讨论方案的科学性和可操作性,给学生留下足够的思考空间。生物教师在这一基础上可以继续地引导学生思考:两种设计方案中,如何检测底物是否被酶催化水解了呢?组织学生带着疑问进一步细化实验设计,并实施实验。

除此之外,在“探究影响酶活性的条件”实验课程中,生物教师可引导学生思考:教材中建议用淀粉酶去探究温度对酶活性的影响,而不是用过氧化氢酶,同理,为什么用过氧化氢酶去探索PH对酶活性的影响,而不选用淀粉酶。教师不是简单按照教材的内容直接教授实验原理、讲解实验操作、学生动手实验,而是抓住一个疑惑点,启发学生展开思考和讨论,引导学生自主得出正确结论。学生通过讨论,得出温度影响过氧化氢酶的活性之外,还会影响过氧化氢本身分解速率,这也就导致实验中出现了两个变量,不符合对照试验单一变量的基本原则,最终得出的结果并不可靠,因此不宜用过氧化氢酶去探索温度对酶活性的影响。同理,学生发现若用淀粉酶探索PH对酶活性影响,酸碱度直接影响到淀粉的水解,实验出现两个变量,违背实验原则。这样的实验内容能开阔学生的思路,让学生能够从总体、全局的角度出发多方面思考问题,拓宽了学生思维的深度、广度,从而达到培养学生高阶思维的效果。生物教师为学生创造广阔的实验平台和充足的思考空间,让学生能够基于现有的问题进行深度思考和探究,教师适时引导组织学生进行后续操作,能切实提高学生的深度思维能力。

(二)优化设计实验课程教学过程,落实分析、评价、创造的高阶思维目标

生物教师应当自觉地将高阶思维中的分析、评价、创造等落实到生物实验教学过程中,积极地采用探究式、问题式教学法等多种教学法引导学生高阶思维的良好发展,提升学生的高阶思维能力。

比如,在“观察根尖分生区组织细胞有丝分裂”的课程内容中,生物教师应当提出一系列值得思考的问题,让学生在实验前思考如何选材、如何正确处理实验材料;实验中清楚知晓每一步操作的原理及注意事项;实验后分析具体的实验结果,体会生物学实验的严谨和科学。这些问题包括:想要观察到细胞的有丝分裂应该选择什么实验材料,为什么要选择分生区的细胞,根尖为什么需要解离,解离的时间过长过短会带来哪些影响,为什么要在观察之前先进行染色、把什么结构染上颜色,我们根据什么现象来判断某个细胞处于分裂的哪个时期?实验中是否能够找到一个细胞观察其从间期一直到末期等。学生针对这些问题进行思考和讨论,在这样的过程中,学生的分析思维、批判性思维得到了发展,学生的高阶思维得到了开发。在装片制作环节,学生带着教师给出的问题进行相应的实验操作,不仅能够知其然,还能够知其所以然,真正透彻地理解相关知识内容,培养了学生科学研究的严谨性。

关于“实验中根尖细胞是活细胞还是死细胞”这个问题,笔者执教班级的学生在思考和讨论后形成了自己的认识:首先,细胞膜具有控制物质进出细胞的基本功能,活细胞不需要甲紫溶液等物质,而染色体一旦被染色,这表明这些物质已经进入细胞中,表明细胞膜的控制能力已经丧失了。其次,细胞中蛋白质的结构会被盐酸、酒精破坏,蛋白质会发生变性,进一步造成细胞膜结构改变,甲紫、醋酸洋红等物质也就进入了细胞中,造成染色体染色的结果。在这样的分析和总结过程中,学生有理有据地分析、判断并解决了复杂的生物实验问题,高阶思维能力得到了显著的提高。

(三)凸显实验课堂学生的主体地位,激发学生进行高阶思维

在生物实验中,学生在明了实验原理的基础上,选择恰当的实验方法,通过亲手操作,观察分析实验现象,可以有效提高自身的实验能力和高阶思维,形成严谨的科研态度和创造意识。这需要生物教师充分尊重实验课程中学生的主体地位。在“绿叶中色素的提取和分离”实验教学中,笔者为了充分彰显学生的主体地位,培养学生的自主思维、高阶思维,将全班学生分成不同的组别开展实验活动。学生可以按照教材提示完成实验,也可以另选不同的实验材料、尝试用不同的方法提取并分离色素。学生选择的实验材料丰富多样,菠菜叶、洒金珊瑚叶、红花檵木叶、黄化的菜叶;提取色素的方法也不单一,研磨加无水乙醇提取、煮沸提取、化学萃取;色素分离材料多样,滤纸条、粉笔、层析板等。各个组别之间可以围绕实验材料的选择、实验设计、实验结果进行自评和互评,以此来培养学生的分析能力、创造意识、探究能力、科研精神和问题解决能力,发展学生的高阶思维,学生对这样的实验课堂充满兴趣和热情。

在高中生物实验课堂中,通过适当改进生物实验,让学生体验到围绕同一实验目的,可以有各种不同的实验处理的方法,针对不同实验操作中出现的问题和现象深入思考不同处理方法的优点和缺点,从而对教材的实验内容有更加深刻的认识和理解。在这样的实验改进中,学生大胆尝试,提出疑问,小心求解,规范操作,在提升高阶思维的同时,也有利于自身生物学科核心素养的良好发展。

(四)合理利用概念图助力学生高阶思维的发展

恰当采用概念图,帮助学生整理总结生物知识理论概念思维图,以此来提升学生对生物知识的记忆能力和联想能力,引导学生更高效地解决生物课程中的重点、难点问题。利用好概念图,将生物知识内容进行高度浓缩,精准地总结各个知识内容之间的相互关系,在概括之中,按照不同的层次、标准进行恰当排列,能够帮助学生完整地建立生物知识体系,从而更好地提升学生生物知识学习的效率和积极性。学生在完成了生物实验活动之后,需要对实验过程进行回顾和总结反思,将课程要点进行总结。生物实验活动绝非生物课程教学的最终环节,学生要通过生物实验理解和领会相关知识要点,必须要进行后续的总结和反思。因此,生物教师要引领学生运用深层次概念图再次学习和回顾生物知识,以此来加深学生对生物知识的理解能力,进一步发展学生的科学思维。现阶段生物教材中涵盖的知识内容非常庞杂,知识内容较为零碎,学生学习的难度也较大。为此,生物教师应当合理利用概念图,提升学生绘制概念图的能力,开发学生的高阶思维。比如,在讲解细胞的基本结构功能环节,讲解完成后教师可以用概念图将细胞膜、细胞核、细胞质三部分的内容整合起来,直观地向学生进行展示,这部分内容生成了一个统一的有机整体,学生能够从宏观、整体角度把握这部分内容,从而发展学生的整体思维。在概念图的支持下,学生能够将生物实验中的要点内容、各部分内容整合起来,生成一个个清晰的知识网络。学生能够更清楚、透彻地把握各个部分内容的相互关系,加深对细胞生命活动的物质基础、生命的本质的理解和认识。通过不断地应用,学生也渐渐地能自觉地比较各种概念图的优缺点,并在原有的基础上进行补充完善,从而制作出更加完整、功能全面、要点齐全的概念图。生物教师引导学生自己尝试绘制,根据个人的思维、思路全面绘制概念图,根据各个实验、各个章节知识点,掌握各部分内容的重点、要点、难点,充分发展了学生的比较思维能力和综合思维能力。每位学生的思维角度不同,绘制出的概念图也存在一定的差异。有的同学关注知识内容的全面性,可能忽视了各个知识点之间的相互联系和区别,尽管概念图的内容较为完整,但整体质量不高。部分同学总结绘制的概念图相对更为简略,但实际上抓住了各个知识点的联系和区别,将关键点清楚地标记在概念图中,这种概念图的质量更高。生物教师应当给学生一定的提示和引导,让学生能够清楚地认识到自己现阶段绘制的概念图存在的不足,并不断地加以改进和优化,这一过程中学生反复思考,回顾生物知识内容,反思实验过程,总结实验结论,发展了自身的高阶思维。

(五)精心设计问题,优化提问技巧,促进学生高阶思维发展

生物教师应当优化自身的提问技巧。首先,在提问密度方面,应当进行严格、精准控制,要提前做好充分备课,设置的实验问题应当详略得当、逻辑紧凑、数量合适,既能及时地点播学生的思维,启发学生深入思考,又能够为学生保留充足的思考空间。其次,还要巧妙地设置问题梯度,生物教师所设计的实验问题并不能保持同一个格调、同一个难度,必须要结合实验内容,根据循序渐进、由易到难的原则,要根据实验内容的表层现象、内部逻辑的梯度进行问题设置。在课堂提问环节,既要考虑到优秀学生思维能力发散的特点,提出一定的发散、拔高问题,也要考虑其他层次水平学生的要求,注意问题的启发性、针对性。生物实验课程中教师的课堂提问不只是教师问、学生答,也要给学生留有质疑的空间,让学生能够适时地合理质疑,提出疑问,从而发展学生的批判性思维。比如,在“探究培养液中酵母菌种群数量的变化”实验中,教师可先让学生思考“一定体积培养液中的酵母菌是否属于一个种群?”在得到肯定回答的基础上,进一步提问“培养液中酵母菌的种群数量是怎样随时间变化的呢?”引发学生强烈的探究兴趣。继而通过设计一系列关键的问题,引导学生思考一系列具体问题,为制订科学的实验计划做好铺垫。怎样对培养液中的酵母菌进行计数呢?本实验需要连续多天统计并记录酵母菌数量,每天取样计数的时间有何具体讲究吗?本探究实验中需要设置对照实验吗,本探究实验中需要做重复实验吗,我们计数的酵母菌一定是活菌吗?如何知道酵母菌是否为活菌呢?在这样一系列具有层层递进关系的问题引导下,学生通过思考和讨论,对该探究实验的原理、实验设计、实验操作进行深度思考,从而形成更加科学严谨的实验设计并展开实验。可见实验教学中,教师精心设计有梯度的实验问题,能够帮助学生理清知识的内部逻辑,发展学生的高阶思维,培养学生缜密思维的良好习惯,锻炼学生的批判性思维。

四、 结论

高阶思维能力的形成,是高中生学科核心素养发展、综合素质发展的基本要点,是高中生物教师的教学培养目的。文章基于高中生物实验教学展开了深入讨论,详细分析了生物实验教学培养学生高阶思维能力的基本策略,提出了优化改进生物实验课程的具体建议,希望能够为改进实验课程质量和提升学生的高阶思维能力提供一定的帮助。