指向高阶思维培养的情境创设与问题设计——以“核酸是遗传物质”复习课为例

马洪春|浙江省杭州市临平第二高级中学

思维型教学理论引领下的完整课堂，一般包括六大基本要素：创设情境、提出问题、自主探究、合作交流、总结反思、应用迁移［1］。这六大基本要素皆与培养学生的思维能力，提高学生的学习动机，促进学生素养的形成有紧密联系。目前基于生物学核心素养的命题强调以“三线（核心价值金线、能力素养银线、情境载体串联线）”为框架，呈现出“无价值，不入题；无思维，不命题；无情境，不成题”的典型特征［2］。但当前课堂教学中，情境创设存在工具化、泛滥化、虚伪化及碎片化等情况，问题设计则存在问题与情境、概念、问题解决等相脱离的情况。高阶思维是指学生在学习活动中具有的创新能力、问题求解能力、决策能力和批判性思维能力。在培养学生思维方面，大多数课堂仍有如下问题：（1）低阶思维主导化，教学以知识记忆、理解的低阶思维为主，忽视了学生高阶思维的发展；（2）学习思维程式化，课堂学习形式呆板，学生被动接受，机械式做题使学生思维程式化；（3）思维指导被弱化，注重知识目标的落实，没有制订相应的思维目标，忽视了对学生思维能力的培养。在实施新课程、使用新教材的背景下，如何突破传统教学模式的掣肘，创新课堂教学方式，培育学生核心素养？以下，笔者结合教学实践谈谈指向高阶思维培养的情境创设与问题设计。

一、基于学生高阶思维培养的情境创设与问题设计

“核酸是遗传物质”位于浙科版普通高中教科书《生物学》必修2第三章第一节，在历年浙江省高考中都占有一定的比重，主要是考查几个经典实验，包括实验方法、实验设计的方案、实验结果和结论的分析等。从核心素养的角度来看，实验分析更多的是考查科学探究这一培养目标的达成，但在科学探究的过程中，问题的提出、计划的制订、实验的设计等都离不开科学的思维方式，因此科学思维是科学探究所需的关键能力与核心思维方式［3］，二者关系紧密，难以分割。

创设新颖的问题情境（生活、学习和实践情境；科学实验和探究情境；生物科学史情境），设置新颖的试题呈现方式或设问方式，能结合所学的生物学知识，对生物学现象作出新解释，能综合运用批判性思维和创新思维等方法，创造性地提出解决生活生产实践及科学探究中实际问题的新思路、新方法［4］，这些是当前课堂教学和高考选考对核心素养落实的基本要求。在以生物科学史几大经典实验为教学情境，呈现科学家研究工作的这节内容的教学中，笔者设计精细的问题串，引导学生进行更深层次的思考，从而发展其高阶思维。

（一）利用生物科学史让学生感受与科学家相似的思维活动

生物科学的发展史既是科学家们不断质疑、不断完善、不断突破的过程，也是能体现科学家思维活动变化的过程（如图1 所示）。一方面，在课堂上利用生物科学史进行教学能提高学生的学习兴趣，而生物科学史中的经典实验分析也是生物学选考的考点，利于学生掌握基础的生物学知识。另一方面，生物科学史的学习可以让学生知道科学家们是怎么思考的，学生再通过类比、联想等思维方式将其应用到真实问题情境中，就可完成思维方式的内化，发展高阶思维。

图1 生物科学史中科学家们思维活动变化的过程举例

（二）以问题串为驱动引发学生深层次思考

结合学情来看，学生对几个经典实验有所了解，但是思考的深度不够。教师可将经典实验作为情境，设计一系列问题串，并以问题为驱动，引发学生深层次的思考。在解决问题的过程中，学生需要收集证据、处理信息，在处理信息和实验结果的分析过程中，学生要对数据、图表等信息进行分析。这样不仅能训练学生解决复杂问题的能力，更是一种对学生进行的抽象思维方式（观察、类比、推理等）的训练。同时，问题的解决还需要小组之间的合作交流，不同观点之间相互碰撞，既能训练学生对自己想法的归纳与概括能力，又让学生能够对他人的解释提出异议，从而培养批判性思维。

二、课堂教学实践

（一）以经典实验为情境，设计问题串驱动教学

【情境一】格里菲思肺炎链球菌体内转化实验

提问：（1）S 型肺炎链球菌（以下简称为“S型菌”）与R 型肺炎链球菌（以下简称为“R 型菌”）之间有什么区别？（2）为什么第四组中的小鼠死亡了？（3）第四组中的S 型菌是怎么来的？（4）为什么S 型菌加热杀死后还能使R 型菌转化为S型菌？（5）R型菌转化为S型菌的场所在哪里？（6）R 型菌全都转化为S 型菌了吗？（7）该实验的实验结论是什么？

［学生活动］收集证据，处理信息，得出结论，表达交流。

生：（1）S 型菌有荚膜，菌落形态光滑，会导致小鼠患败血症，人类患肺炎；R 型菌无荚膜，菌落形态粗糙，无毒。（2）第四组小鼠死亡可能是因为出现了活的S型菌。（3）活的S型菌可能是在某种物质的作用下由R 型菌转化而来的。（4）该物质经过加热后并未失活。（5）小鼠体内。（6）只有少部分S 型菌，大部分仍为R型菌。（7）加热杀死的S型菌中，必然含有某种促成这一转化的活性物质——转化因子。

【情境二】艾弗里肺炎链球菌体外转化实验

提问：格里菲思由实验知道了转化因子的存在，但未进一步探索转化因子的本质。那么，我们要如何进一步探索转化因子的本质呢？

生：将S 型菌加热杀死后分离出各种物质，与活的R型菌混合后，观察是否发生转化。

［教师活动1］呈现真实的艾弗里肺炎链球菌体外转化实验：步骤1，用去氧胆酸盐溶液处理S 型菌，再加乙醇得到乳白色沉淀；步骤2，用盐溶液溶解沉淀，再用氯仿抽提去除蛋白质，最后加乙醇得到沉淀；步骤3，用盐溶液溶解沉淀，加多糖水解酶处理4～6小时后，再用氯仿抽提并用乙醇沉淀；步骤4，用盐溶液溶解沉淀制得细胞提取物，加入R型活菌混合培养，结果发现转化成功。

提问：（1）去氧胆酸盐的作用可能是什么？（2）步骤4中的细胞提取物中有哪些物质？主要是什么？（3）能不能继续设计实验更强有力地证明提取物中的DNA就是转化因子？

生：（1）去氧胆酸盐的作用可能是使S 型菌细胞破碎。（2）RNA、DNA、蛋白质，主要是DNA。（3）加入RNA 酶、蛋白酶，去掉RNA、蛋白质等物质的干扰。

［说明］这三个问题对于学生来说是有难度的，因为艾弗里实际的实验中用了很多化学物质，而这些化学物质的作用学生并不了解，所以教师要适时地对学生的答案作出评价和解释，帮助学生解决问题。

［教师活动2］呈现经过修订的艾弗里实验方案（如图2所示），并追问。

图2 经过修订的艾弗里实验方案

追问：（1）该实验中R 型菌转化为S 型菌的场所在哪里？（2）该实验中R 型菌转化为S型菌的观测指标是什么？（3）最后应该如何操作检测细菌类型？结果如何？（4）为什么R 型菌转化为S 型菌的效率不是100%，影响因素有哪些？（5）该实验的实验结论是什么？

生：（1）体外。（2）细菌形态；菌落特征。（3）通过稀释涂布平板法接种至固体培养基，观察菌落特征，多数为粗糙型菌落，少数为光滑型菌落；通过制成装片在显微镜下观察细菌形态，并计数。（4）R型菌的生理状态；R型菌的数量等。（5）DNA是遗传物质，蛋白质等不是遗传物质。

追问：R 型菌转化为S 型菌的机理到底是什么？

［教师活动3］呈现相关资料：在肺炎链球菌转化实验中，S 型菌有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等多种类型，R 型菌也有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等多种类型，不同类型的S 型菌可由相应的R 型菌突变产生。格里菲思利用加热杀死的Ⅲ型S 型菌与Ⅱ型R型菌混合培养，获得Ⅲ型S 型菌，相关实验数据如表1所示。

表1 格里菲思实验数据

追问：（1）如果该S 型菌的出现是由R 型菌突变产生的结果，则S型菌应该是什么类型的？（2）如果是基因重组的结果，则S型菌应该是什么类型的？

［学生活动］收集证据，处理信息，得出结论。

生：（1）Ⅱ型S 型菌。（2）Ⅲ型S 型菌；R 型菌转化为S型菌的机理是基因重组。

［设计意图］学生在明确DNA是遗传物质的基础之上，还需要进一步深层次思考转化的机理到底是什么。教师通过设问引导学生思考基因突变与基因重组的区别，并呈现实验数据，让学生学会分析数据，自主阐释生命现象，培养联想、比较等思维方式。

［教师活动4］引导并提问：“艾弗里实验发现S型菌的DNA可以使R型菌发生转化，但是未被当时的科学家所接受。一方面是由于那个时代科学技术的限制，艾弗里实验所使用的DNA 中仍然混有0.02%的蛋白质，科学家基于此提出了反对的意见。另一方面是由于科学家对蛋白质是遗传物质的观念根深蒂固。那么，有没有更好的实验材料可以解决这个问题？科学家在继续进行探索。”

【情境三】赫尔希和蔡斯T2噬菌体侵染实验

提问：T2 噬菌体是一种专门寄生在大肠杆菌的病毒，由DNA和蛋白质构成，利用T2噬菌体可以将DNA 和蛋白质分开进行观察，在设计侵染实验时应该如何解决以下几个问题：（1）DNA 和蛋白质是肉眼瞧不见的分子，如何观察它们各自的去向？（2）用什么元素的同位素对T2 噬菌体进行标记？用14C、18O、15N、3H标记可不可以？（3）如何单独获得只有35S或32P标记的T2 噬菌体？可不可以直接将T2 噬菌体放在培养基中培养？

生：（1）同位素标记法。（2）32P和35S对噬菌体分别分开进行标记。（3）T2 噬菌体是病毒，不能直接培养，但可以先培养带32P 和35S 标记的大肠杆菌，让噬菌体分别侵染大肠杆菌，之后获得带标记的噬菌体。

追问：根据教材第51 页T2 噬菌体侵染实验操作图（图略），回答下列问题：（1）①②③分别是什么？其中②③的目的分别是什么？（2）该实验的检测指标是什么？（3）该实验的预期结果是什么？

生：（1）①是噬菌体侵染细菌，②是搅拌，目的是将吸附在细菌上的噬菌体残留部分和细菌分开，③是离心，目的是使细菌沉到试管底部，噬菌体残留部分位于上层。（2）放射性出现的部位。（3）35S这一组放射性主要在悬浮液中，32P这一组放射性主要在沉淀物中。

追问：根据赫尔希和蔡斯实际的实验结果（如图3所示），分析预期结果是否如此？并回答下列问题：（1）图中被侵染的细菌的存活率基本保持在100%，本组数据的意义是什么？（2）细胞外的32P 含量约为30%，原因是什么？（3）用35S标记的噬菌体侵染细菌时，理论上沉淀物中不含放射性，但实验中含有少量放射性的原因是什么？

图3 T2噬菌体侵染实验的实验结果

［学生活动］收集证据，处理信息，小组合作，表达交流，得出结论。

生：（1）作为对照组，以证明细菌基本没有裂解。（2）有部分标记的噬菌体还没有侵染大肠杆菌。（3）搅拌不充分、离心时间过短、转速过低等。

［说明］这几个问题对于学生来说是有难度的，学生在第一个问题的解决上并不顺利，教师要适当引导，对实验作一定的补充解释，帮助学生理解。

追问：实验结果说明了什么？

生：T2噬菌体的DNA进入了大肠杆菌。

［说明］在回答这个问题时，教师要注意学生可能会直接讲出DNA 是遗传物质，但是单凭该实验结果数据只能说明T2噬菌体的DNA进入了大肠杆菌，要想证明DNA是遗传物质，还需要结合遗传物质的特点，因此教师还要呈现出子代噬菌体的放射性标记情况，才能得出结论：DNA是遗传物质（如表2所示）。

表2 子代噬菌体放射性

［设计意图］从艾弗里实验再到赫尔希和蔡斯实验，学生能真切感知科学是一个螺旋上升的过程，感受科学家的探索精神。艾弗里即使遭到质疑，也勇敢地说出了自己的观点，这能让学生的反思批判性思维得到培养。通过对赫尔希和蔡斯实验方法、操作的分析，可让学生在解决问题的同时，学会如何科学严谨地设计实验，从而培养科学探究能力。学生在对实验结果进行预测，运用推理与论证作出假设的过程中，可发展推理论证能力。学生对实际结果进行分析，可锻炼数据分析、图表分析能力。学生学会收集证据支撑自己的观点，可科学严谨地建构对问题的解释。

追问：上述几个实验的最终结论说明了什么？

生：DNA是遗传物质。

追问：所有生物的遗传物质都是DNA吗？

生：不是。

［设计意图］问题的设计一方面是让学生对生物学知识有所掌握，另一方面是训练学生的归纳概括能力，能总结出实验结论。

【情境四】烟草花叶病毒（TMV）的感染及重建实验

从TMV 中分别提取RNA 和蛋白质，然后用RNA和蛋白质分别去感染烟草，结果发现：单用病毒的RNA就可以使烟草出现感染病毒的症状；而病毒的蛋白质不能单独使烟草感染；用RNA酶处理过的RNA则没有感染效力。若用来自不同病毒株系的RNA和蛋白质组装成新的病毒感染烟草，所繁殖的病毒类型取决于提供RNA的株系而不是提供蛋白质的株系。

提问：从实验中我们能得出什么结论？

生：烟草花叶病毒的遗传物质是RNA，不是蛋白质。

［设计意图］该实验的呈现给了学生不一样的视角，生物的遗传物质还可以是RNA，使学生的思维宽度得到拓展。

提问：生物的遗传物质是什么？

生：核酸。其中，细胞生物的遗传物质是DNA，RNA病毒的遗传物质是RNA，DNA病毒的遗传物质是DNA。

［说明］学生不一定能够完整回答，教师要适时提问进行引导，比如列表比较原核生物、真核生物、T2 噬菌体等DNA 病毒、HIV、劳氏肉瘤等RNA 病毒的遗传物质是什么，从而让学生进行归纳总结。

［设计意图］该问题的设计是对这节内容的总结，学生需要运用比较、概括、综合、推理的思维方法进行建构，可培养归纳概括及概念模型建构能力。

（二）以真实问题为情境，结合高考真题，应用迁移

［教师活动］引导并呈现任务：“人类的许多疾病是由病毒引起的，如流行性感冒、艾滋病、水痘、肝炎、部分癌症等。根据遗传物质的化学组成，病毒可分为RNA 病毒和DNA 病毒两种类型，通常，一种新病毒出现后需要确定该病毒的类型。假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换，请利用放射性同位素标记的方法，以体外培养的宿主细胞等为材料，设计实验以确定一种新病毒的类型，并简要写出：（1）实验思路，（2）预期实验结果及结论。（要求：实验包含可相互印证的甲、乙两个组）”

［设计意图］本题来源于2017年高考理综全国Ⅰ卷。经过这节课的学习，学生了解了证明核酸是遗传物质的一些经典实验。由于细胞生物的遗传物质一定是DNA，而病毒的遗传物质有可能是DNA 或RNA，因此以病毒引起的疾病为问题情境，可以让学生感受到生物学与实际生活的紧密联系，同时激发学生学习的积极性与主动性。而让学生设计实验探究病毒的遗传物质，刚好是这节课所学内容的应用迁移，学生可以通过将这节课所学的实验设计的内容，如科学实验的方法，科学实验设计的思路、方案等迁移到真实问题情境中，巩固科学探究能力。在设计实验的过程中，学生会采用分析、类比、联想、综合等思维方法思考遇到的问题，并在小组成员之间表达交流，然后以反思批判性思维为基础，不断监督调整实验方案，解决问题，进而发展高阶思维。

三、研究体会

（一）生物科学史是培养学生高阶思维的重要工具

生物科学史本身就是科学家们思维活动的变化，而以生物科学史为教学情境就是思维方式的直观体现。科学家对已有的观点提出质疑，从实验中寻找证据解释自己的观点，并以严谨的逻辑阐述自己的观点，这些都是学生需要学会的科学的思维方式。因此以生物科学史为情境，可以让学生感受科学家的思维方式，学会用与科学家相似的思维活动来认识世界、解决现实问题，从而达成培养学生高阶思维的目标。

（二）以问题为驱动的教学是培养学生高阶思维的重要策略

发现问题是思维的起点，解决问题是思维发展的过程。首先，教师在问题的设计上囊括了实验设计分析、结果分析、结论分析等内容，而学生在解决这些问题的过程中，需要运用分析、概括、推理、综合等思维方式。其次，以问题串驱动，先将生物学知识以及复杂的生物学实验拆分，再在不同教学环节中依次呈现，既利于学生学习，又让学生的思维层次随问题深度的变化递进，逐步提升高阶思维。

（三）应用迁移是学生高阶思维内化的重要环节

学生高阶思维的培养不是一节课就能实现的，教师应该在日常教学中渗透，让学生用科学的思维方式看待问题，进而发展成为一种习惯，并且能够应用到日常生活中，因此应用迁移的教学环节十分重要。但是在设计这一环节的过程中，要保证新情境的有效性。首先，新情境要基于学生实际的生活经验，要让学生对设计的问题感兴趣，进而积极思考。其次，新情境的选择要与当下所学内容有联系，要让学生能够看出新旧情境之间的相关内容有哪些，从而有效地将已有经验迁移至新情境中。应用迁移环节的设计，不仅能够让学生知道生物学知识与生活是紧密相连的，还能够让学生在课堂上所学到的科学探究能力以及创造性思维、批判性思维等得到内化，从而完成生物学核心素养培育的目标。