生物学教学以活动体验促进学生高阶思维发展

刘淑玲 （山东省威海市古寨中学 山东威海 264200）

高阶思维是指发生在较高认知水平层次上的心智活动或认知能力，具体表现为分析、综合、评价和创造能力。生物学教学应创设学生主动参与、乐于探究、勤于动手的体验活动，通过体验活动培养学生分析问题和解决问题的能力，培养学生交流展示、评价反思及创新的能力。教学中将培养和促进学生的高阶思维能力作为重要的发展方向。本文以鲁科版初中生物学“发生在肺内的气体交换”一节课为例，论述如何以活动体验促进学生高阶思维能力的发展。

1 课前设置体验活动，启迪思考培养创造性思维

创造性思维是指认识主体在强烈的创新意识下，以头脑中已有的信息为材料，通过发散思维与集中思维，借助想象与联想，直觉与灵感，以渐进性或突发性形式对头脑中的现有知识和信息进行新的加工组合，从而产生新观点、新设想的过程。

“发生在肺内的气体交换”一课，对于7年级学生来说有很大难度，难点是概述外界气体如何通过呼吸运动到达肺泡。针对教学难点，要求学生课前自主阅读教材，制作模拟膈肌运动物理模型（图1），学生在制作中培养创造性思维不断创新模型（图2）。设置前置体验活动的目的，一是在任务驱动下，让学生提前预习教材，动手、动脑制作模型；二是通过自制模型帮助学生理解膈肌运动与呼吸的关系[2]。

图1 学生制作的膈肌运动模型

图2 学生创新的膈肌运动模型

教师提供任务单，鼓励学生可自行选择材料，创造性地制作模型。要求模型实验现象明显，做工精细。任务单还包括驱动性问题：①橡皮膜、矿泉水瓶、吸管、小气球分别模拟人体什么结构？②气球在什么情况下胀大？在什么情况下回缩？③要使气球能明显地胀大或回缩，整个装置需要有怎样的特点？为什么？④思考是气体进入导致了瓶壁的变化，还是瓶壁变化导致了气体的进入？要求学生将4 个问题的见解和创新体验写在任务单上。

课前，教师收集任务单了解学生自主学习的情况，发现问题①和②属于记忆和理解的低阶思维层次问题，学生能自行解决，而问题③和④属于分析和综合的高阶思维问题，学生交流有难度，需要通过课堂进一步的体验活动解决。

2 课中创设体验活动，构建概念培养高阶思维

高阶思维是高阶能力的核心，主要指分析综合能力、问题求解能力、决策力和判断性思维能力。生物学课堂在各种不同的体验活动中引导学生从低阶思维活动逐渐过渡到高阶思维活动[3]。

2.1 交流前置体验，发展学生分析综合能力 分析就是将研究对象分离成几个部分，找出这些部分的本质属性和彼此之间的关系。综合，就是在分析的基础上，将研究对象的各个组成部分或要素在思维中重新结合为一个整体，从而在整体上把握事物的本质和规律。通过交流，在分析的基础上引导学生相互评价，进而培养学生的综合能力。

上课前，教师将模型收起再随机发放至学生手中，先让学生从制作的角度评价手中的模型，在交流制作中有哪些创造。学生互相评价，哪一个模型更科学合理，为什么？该过程需要学生通过自主阅读教材和思考问题作出评价[1]。例如，有的学生说人体有2 个肺，所以，用2 个气球能更形象地模拟人体的呼吸器官；有的说模型要在密封性较好的情况下，才能观察到气球明显的变化……学生在模型创造方面有许多奇思妙想，例如，2 个气球的支气管有各种拼接，有创新用三角管；各种模拟材料不同，有将橡皮手套剪成膜或将气球剪成膜；对于瓶盖的开口，有借力家长用气钻开孔，保证开口规则、大小合适；为防止脱落将瓶底套的气球膜与瓶壁用热熔胶固定等。在交流中，学生运用前置知识分析比较、综合判断，这也是高阶思维形成的过程。学生交流的知识都是通过体验获得的事实性知识，可为后续的新授环节构建概念作好铺垫。

2.2 创设多层次体验，提高学生问题求解能力 高阶思维不是自然发生的，它是由“难题和疑问”或“一些困惑、混淆或怀疑”引发的。高阶思维的发生，就是反思—问题生成—探究、批判—解决问题的过程。问题是开展高阶思维的最大动力。在生物学学科的体验活动过程中，教师应采取多种方式，给予学生更多自主学习的空间，让学生主动参与问题探究的过程，引导学生质疑、发现问题，并不断解决问题。在对问题深入探究的过程中，逐步提高学生的认知发展水平，并通过解决问题发展高阶思维。

在新授课过程中教师设置了3 个探究环节，创设多个体验活动进行探究，培养学生高阶思维。

环节1：探究胸腔的结构特点。

体验活动：双手按在胸部两侧，深吸气再深呼气，反复2～3 次，感受身体有哪些变化？有的学生说吸气时胸廓变大，有的学生说吸气时胸腔变大；教师再次追问：胸廓和胸腔概念是否一样？教师出示图片引导学生分析，胸廓由胸骨、肋骨、胸椎组成，让学生对应自己身体感受胸廓位置，感知胸廓近似圆锥体，并能辨别胸廓的上下径、左右径和前后径；但胸腔又是指什么？学生利用制作的模型帮助构建胸腔的概念，胸腔即胸廓内侧壁、胸廓上口及膈肌所围成的腔隙；胸腔的结构特点是什么？教师引导学生通过瓶盖的拧紧和打开模拟胸腔密闭性不同时气球的变化，最终构建概念“胸腔是一个密闭的结构”。

学生制作的模型也体现了“密闭结构”的思维过程，并在制作中发现问题、解决问题，开口略大的瓶盖与吸管结合处缠上了一层胶带（图3），或用热熔胶让开口尽可能小到无缝隙（图4）。这样的体验活动是一个从感性认识到分析、构建概念的过程，也是高阶思维形成的过程。

图3 学生用胶带密封模型

图4 学生用热熔胶密封模型

环节2：探究肌肉与胸腔变化的关系。

本环节有2 个探究体验活动，探究“膈肌与胸腔容积变化的关系”和探究“肋间肌与胸腔容积变化的关系”。

探究“膈肌与胸腔容积变化的关系”时，通过前置体验，学生感知到向下拉橡皮膜，气球变大，反之，向上顶橡皮膜，气球变小，进而得出“膈肌顶部下降，胸廓变大，肺扩张；反之，肺缩小”的结论。在答疑时，仍有部分学生不明白膈肌收缩时膈顶部上升还是下降？教师点拨肌肉收缩是用力，舒张是放松。学生再次操作模型，体验到膈肌向下拉时用力即是收缩，此时膈的顶部下降（图5），通过体验学生很好地理解了膈肌的收缩和舒张，引起胸廓体积变化。

图5 学生体验膈肌运动

体验活动后，学生完成学案内容，在图中写出膈肌2 种状态并画出不同状态下胸廓的上下径，思考呼吸时膈肌的舒缩状态怎样？有的学生在学案上回答A、B 都是舒张状态。究其原因是模型误导了学生的思考。学生解释橡皮膜下拉是收缩，A、B 都是上升，所以，都是舒张。教师出示胸廓的仿真人图片和视频，帮助学生认识真实情况下膈肌的舒缩状态。在教师的引导下，学生画出吸气与呼气状态的上下径（图6），最终得出“膈肌收缩→膈顶部下降→胸腔上下径变大→胸腔容积变大，反之，胸腔容积变小”的结论，完成思维体系的构建。

图6 膈肌运动示意图

探究“肋间肌与胸腔容积变化的关系”时，由于前置体验活动不能模拟肋间肌的收缩和舒张，所以，学生不能形象理解“肋间肌收缩，胸骨肋骨向上向外运动”。为解决此难点，教师引导学生小组合作，利用实验室已有菱形木条模型进行体验活动（图7）：将模型放在一张白纸上，体验橡皮筋舒张时胸骨、肋骨的位置并用红笔画出，再用黑笔画出橡皮筋收缩时胸骨、肋骨的位置（图8）。通过构建数学模型图进行比较，直观得出“肋间肌收缩时胸腔容积变大”的结论。

图7 学生体验肋间肌运动

图8 肋间肌运动示意图

体验活动后，学生在学案上完成构建知识原理“肋间肌收缩→胸骨肋骨向______运动→胸腔前后径左右径变____→胸腔容积变____”时，对于胸骨、肋骨的运动方向，部分学生只简单根据平面图所示理解为向上运动。教师引导学生将双手放在肋骨上深吸气和深呼气，学生亲身体验到胸骨，肋骨除了向上还向外运动。

在体验过程中运用比较、分析和判断，构建概念“呼吸肌收缩胸腔变大，呼吸肌舒张胸腔变小”，这也是高级思维形成的过程。

环节3：探究胸腔容积变化与呼吸的关系。

胸廓变化与呼吸有怎样的关系？通过前置体验交流，学生初步感知胸廓有变化，气体才能进、出肺。但解决这部分难点，还需涉及学生尚未学习的物理学有关气体压力知识，利用“注射器”实验引导学生进行自主体验活动（图9）：将注射器拉至20 mL 处，左手食指封住注射器筒口，右手向里推针把，直至推不动；松开食指，推动针把，感受气体的流向。学生甲交流体验感受：“推不动”感觉手受到一定的阻力，“松开手”有气体排出，结合小学科学课学过的容器内压强变大、变小相关知识，得出结论“容积缩小时气压增大，反之，容积扩大时气压减小，气体由气压高的地方流向气压低的地方。”学生乙补充：食指堵住筒口模拟密闭容器，所以，应该说“在密闭容器中，容积缩小时气压增大；反之，容积扩大时气压减小，气体由气压高的地方流向气压低的地方”（图10）。教师及时评价乙学生的补充使探究结论更严谨。

图9 学生体验肺内气压变化

图10 模拟气压变化示意图

通过以上体验活动，再交流解决任务单上的问题③和④，学生分析综合，有了合理明确的解释：整个装置需密闭的特点，瓶壁变化形成压力差，气体才能进、出。学生通过分析体验活动，纠正前概念，形成科学概念[4]，这也是高级思维形成的过程。

2.3 多轮认知体验，发展学生综合构建能力 模型构建是生物学科学研究非常重要的方法之一。初中生物学中许多生物学术语概念所反映的都是用肉眼无法观察到的，或实际操作时费时、费力，或以目前条件根本无法达到的现象，因此，模型构建教学将更有助于学生体验概念的形成和基本规律的探究过程，使原本抽象的问题形象化和简约化，从而帮助学生理解复杂的问题，使得整个学习过程更加高效。

学生有了多层次的体验活动，初步构建了呼吸相关的概念。师生共同总结，以结构图形式进行梳理。教师指导学生认真阅读教材，尝试构建概念模型。组织学生小组内分析，显示胸廓体积、肺内压力、呼吸肌变化、呼吸的先后顺序或因果关系，以流程图加箭头形式呈现概念模型（图11）。有的学生构建概念模型不准确，组内互助答疑解惑。

图11 呼吸流程图

3 课后拓展体验活动，有效评价培养批判性思维

批判性思维是审慎地判断是非和正确决策的能力，是集知识、价值和思维方法于一体的综合能力与品格。批判性思维需要有分析和评价，且做到清楚、准确、相关、有深度，并具有严密的逻辑性。推理过程中使用到的数据、概念都必需得到相应的解释，概念必需清楚，并将概念的内涵和外延都表述清楚。在教学中，发展批判性思维应重视学生自我评价、生生互评，以学生评价为主体。

课后，教师引导学生回归课堂，从知识性角度反思评价制作的模型，哪些方面需要改进？可将改进、创新的模型再展示交流。为此，教师在每个班的钉钉交流群中建立了生物学体验活动家校本，教师将学生的所思、所想、所做推为优秀作业，通过钉钉平台让学生有更多的交流展示和分享，从而相互学习、相互评价、共同提高。

在此过程中，学生主动思考作出评价，逐步形成批判性思维。有的学生通过反复实验比较，发现用较小的2 个气球现象更明显，原因是很容易产生压力差；有的学生进行创新实验，用注射器向自制模型中打气，观察到肺被动扩张，有效地帮助学生理解了医院呼吸机增压扩肺的工作原理；有的学生思考创新，用一种特殊膜达到收缩、舒张时膜顶部与真人一样在水平线以上，就不会产生认知上的冲突……通过评价活动，激发学生的思维碰撞，形成批判性思维，并尝试进行合理的创造，这也是高阶思维形成的过程。高阶思维的培养不仅限于课堂，也延伸到课后。

纵观本节课，通过体验活动，高阶思维的培养贯穿其中。体验活动中并没有固定的模式发展高阶思维，但均突出学生的主体性，改变学生被动接受的状态。本节课以前置体验活动制作模型开始，动手、动脑的体验活动为学生打造思维平台和留出思维空间；学生在“自我反思—生成问题—探究、批判—解决问题”的过程中，提出问题能力、解决问题能力得到极大提升；最后，通过构建模型提高分析和综合能力。教师基于学生认知困惑，于课前、课中、课后设置多层次的实践体验活动。学生在体验活动中能自我反思、自我升华，更好地理解知识、内化知识，进而促进高阶思维的发展。