生物學課堂教學中如何培養學生的高階思維
——以“重組DNA技術的基本工具”為例

山東省菏澤市曹縣第一中學 趙淑亞

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》中將科學思維作為生物學學科核心素養內容之一，提出科學思維主要是指認識事物、解決問題的思維習慣和能力，主要包括歸納和概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創造性思維等能力。因此，探究高中生物學課堂教學中，如何培養高階思維的教學設計具有必要性。以部編人教版高中生物學“重組DNA技術的基本工具”這節課為例，探究課堂教學中高階思維培養的思路和方法，擬為廣大教師教學中培養學生高階思維提供理論支持。

下面是“重組DNA技術的基本工具”的教學設計，以理論聯系實際，目的是促進學生高階思維的發展。

一、課前探知，提出問題，驅動創新思維發展

課前給學生布置任務，學生參與完成任務，來驅動思維發展。本課內容是學習本章其他內容的基礎，具有至關重要的作用。因為重組DNA技術所需的“分子工具”對學生而言是抽象的，遵循“簡約、形象、誘思”的原則，課前讓學生收集基因工程應用的實例，也可以讓學生借助教材中的素材，如章引言中培育轉基因抗蟲棉的實例。高階思維需要對問題情境進行分析。本課開篇“從社會中來”欄目中培育轉基因番木瓜的實例，提出了問題——需要用到哪些“分子工具”，學生可以充分發散思維，培養創造性思維。

問題是驅動學生思維運轉的“催化劑”，它引導了學生思考的方向，給學生帶來了學習的動力，有利于學生自主思考和主動探究知識的來龍去脈。教師設置課前任務單：①限制酶從哪里尋找；②限制酶的意義；③DNA的結構和復制；④重組DNA技術用到哪些分子工具。在此基礎上呈現驅動問題，要求學生把這幾個答案寫在任務單上。課前教師收集任務單，前兩個問題屬于低階思維，而驅動問題③和④屬于高階思維，學生解決情況不好，需要課堂誘導解決。任務單也能建立新舊知識之間的聯系。高階思維包含新舊知識間關系的建立。在對問題情境進行分析之后，個體還需要在新舊知識之間建立起對應關系，從而將已知的信息轉化為適用于新情境的結構化知識。

二、課中探究，構建知識模型

高階思維的概念框架表明，它是一個多種認知成分協同作用的復雜認知過程，其發展依賴一個貼近真實生活經驗的學習情境來激活其中的認知成分。

（一）實踐分享，發展學生分析、提出、評價問題的能力

上課前教師讓學生展示任務單答案，在交流過程中，讓學生進行評價。通過學生運用實例和舊知識來分析比較、作出判斷，這是高階思維形成的過程。在學生交流時，引導他們建立新舊知識之間的聯系，可為新授環節構建概念作鋪墊。

（二）遞進任務驅動，提高學生解決問題的能力

環節一：引入基因工程概念、原理及研究價值。

根據章引言，教師提問能否將蘇云金桿菌的“殺蟲基因”導入棉花細胞，使棉花自身產生抗蟲蛋白來抵抗棉鈴蟲呢？根據遺傳學知識闡明理由。這樣的問題設計實現了一個從感性認識到分析、構建概念的過程，是形成高階思維的過程。絕大多數生物的遺傳物質為DNA是基礎知識，根據問題設計，所有生物共用一套遺傳密碼，實現了一個從感性認識到分析、構建概念的過程，是形成高階思維的過程。

環節二：探究分析基因工程需要用到的“分子工具”。

本環節有三個探究活動，探究活動一：“探究限制酶的作用特點及結果”；探究活動二：“探究DNA連接酶的作用特點”；探究活動三：“探究載體必備條件?！蓖ㄟ^這一環節的活動體驗，讓學生構建基因工程的概念，必須從DNA分子水平上進行設計和施工，以解決問題。教師展示教材中的“重組DNA技術所需的三種工具示意圖”，讓學生分析這三種工具的作用。

探究活動一。結合教材形象、直觀的插圖，如“限制酶切割DNA分子產生兩種不同末端的示意圖”，可以使學生準確理解切割部位和“黏性末端”的內涵。在分析問題時，學生不明白切割位點及如何剪切。給學生提供印有不同DNA序列的紅色、綠色和黃色的紙條（其中綠色紙條用透明膠帶首尾連接成環），讓學生仔細觀察紙條上的DNA序列，并結合教材中提供的限制酶EcoRⅠ和SamⅠ的識別序列信息，用貼有EcoRⅠ標簽的剪刀剪切黃色紙條上的特定位點。有了前置體驗，學生能理解限制酶的作用特點，兩種限制酶產生的末端有什么不同。將微觀作用通過模擬活動的形式呈現，可以讓學生更加清晰地認識限制酶的作用特點，提出一些相應的問題，啟發學生思考，幫助學生深入理解這部分知識體系，再讓學生完成學案上的問題：①限制酶的作用特點；②限制酶存在于原核生物的意義。其中問題②屬于高階思維的問題，使學生完成了由低階思維向高階思維形成的過程。

探究活動二。在前置體驗活動模型基礎上，引導學生仔細觀察上述活動中剪切綠色、紅色紙條產生的“DNA片段”的末端，并用訂書器將從紅色紙條上剪切下來的“DNA片段”連接到綠色紙條的切口處誘思“訂書器代表什么？訂書釘代表什么？DNA連接酶的作用位點是什么？”通過構建的物理模型，幫助學生直觀感知DNA連接酶的作用特點。探究活動后，在學案上完成知識建構（歸納幾種酶的比較）。根據教材展示，一位學生介紹DNA連接酶的分類和作用，其他學生聽講，學生構建DNA連接酶的概念和知識體系，符合思維進階過程。

探究活動三。教材展示，怎樣才能將外源基因送入細胞呢？通常是利用質粒作為載體，將基因送入細胞。質粒是一種裸露的、結構簡單、獨立于細胞核或擬核DNA之外，并具有自我復制能力的環狀雙鏈DNA分子。提出問題：①載體要與外源基因連接，需要具備什么條件？②要使攜帶的外源基因在受體細胞中穩定存在，載體需要具備什么條件？③肉眼看不到載體是否進入受體細胞，為了便于篩選重組DNA分子，載體需要具備什么條件？在前置體驗活動中，學生對綠色和分析紙條的操作，模擬的就是將外源基因連接到質粒載體的操作，是引導學生分析載體必備條件之一，即具有一或多個限制酶切割位點，供外源基因插入其中。通過思考題引導學生分析載體需要具備的條件，培養他們分析、推理、歸納和總結的能力，是高階思維形成的過程。

指導閱讀教材“科技探索之路”的內容，思考科學家發現三種“分子工具”的意義。學生理解并認同基因工程是在遺傳學、分子生物學、生物化學和微生物學等學科的基礎上發展起來的，它需要相關理論和技術的支撐，建立學科之間、學科模塊之間的聯系，也是形成高階思維的過程。

三、課后反思，培養學生批判性思維

批判性思維是指在思維過程中，通過反思、分析問題來作出決定并解決問題。布置課后作業，請學生思考如何利用本課所學的三種“分子工具”培育轉基因番木瓜。該題也為下節課學習做好知識鋪墊。課后，學生迫不及待地交換自己的思想，從知識性角度發表自己的想法，和同學交流改進、創新措施。在這個過程中，學生通過理解和思考，對他人解答作出評價，形成批判性思維。經過思維碰撞，形成批判性思維，通過合理改進，也是高階思維形成的過程。

綜上所述，針對學生認知困惑，經過課前、課中、課后多層次探究活動，培養了學生的高階思維。創新型的物理模型，不僅使抽象概念形象化，也培養了學生提出問題、分析問題和解決問題的能力。結合高中生物學教學實踐經驗，提出了課堂教學中培養高階思維的過程與方法。