生物學教學以活動體驗促進學生高階思維發展

劉淑玲 （山東省威海市古寨中學 山東威海 264200）

高階思維是指發生在較高認知水平層次上的心智活動或認知能力，具體表現為分析、綜合、評價和創造能力。生物學教學應創設學生主動參與、樂于探究、勤于動手的體驗活動，通過體驗活動培養學生分析問題和解決問題的能力，培養學生交流展示、評價反思及創新的能力。教學中將培養和促進學生的高階思維能力作為重要的發展方向。本文以魯科版初中生物學“發生在肺內的氣體交換”一節課為例，論述如何以活動體驗促進學生高階思維能力的發展。

1 課前設置體驗活動，啟迪思考培養創造性思維

創造性思維是指認識主體在強烈的創新意識下，以頭腦中已有的信息為材料，通過發散思維與集中思維，借助想象與聯想，直覺與靈感，以漸進性或突發性形式對頭腦中的現有知識和信息進行新的加工組合，從而產生新觀點、新設想的過程。

“發生在肺內的氣體交換”一課，對于7年級學生來說有很大難度，難點是概述外界氣體如何通過呼吸運動到達肺泡。針對教學難點，要求學生課前自主閱讀教材，制作模擬膈肌運動物理模型（圖1），學生在制作中培養創造性思維不斷創新模型（圖2）。設置前置體驗活動的目的，一是在任務驅動下，讓學生提前預習教材，動手、動腦制作模型；二是通過自制模型幫助學生理解膈肌運動與呼吸的關系[2]。

圖1 學生制作的膈肌運動模型

圖2 學生創新的膈肌運動模型

教師提供任務單，鼓勵學生可自行選擇材料，創造性地制作模型。要求模型實驗現象明顯，做工精細。任務單還包括驅動性問題：①橡皮膜、礦泉水瓶、吸管、小氣球分別模擬人體什么結構？②氣球在什么情況下脹大？在什么情況下回縮？③要使氣球能明顯地脹大或回縮，整個裝置需要有怎樣的特點？為什么？④思考是氣體進入導致了瓶壁的變化，還是瓶壁變化導致了氣體的進入？要求學生將4 個問題的見解和創新體驗寫在任務單上。

課前，教師收集任務單了解學生自主學習的情況，發現問題①和②屬于記憶和理解的低階思維層次問題，學生能自行解決，而問題③和④屬于分析和綜合的高階思維問題，學生交流有難度，需要通過課堂進一步的體驗活動解決。

2 課中創設體驗活動，構建概念培養高階思維

高階思維是高階能力的核心，主要指分析綜合能力、問題求解能力、決策力和判斷性思維能力。生物學課堂在各種不同的體驗活動中引導學生從低階思維活動逐漸過渡到高階思維活動[3]。

2.1 交流前置體驗，發展學生分析綜合能力 分析就是將研究對象分離成幾個部分，找出這些部分的本質屬性和彼此之間的關系。綜合，就是在分析的基礎上，將研究對象的各個組成部分或要素在思維中重新結合為一個整體，從而在整體上把握事物的本質和規律。通過交流，在分析的基礎上引導學生相互評價，進而培養學生的綜合能力。

上課前，教師將模型收起再隨機發放至學生手中，先讓學生從制作的角度評價手中的模型，在交流制作中有哪些創造。學生互相評價，哪一個模型更科學合理，為什么？該過程需要學生通過自主閱讀教材和思考問題作出評價[1]。例如，有的學生說人體有2 個肺，所以，用2 個氣球能更形象地模擬人體的呼吸器官；有的說模型要在密封性較好的情況下，才能觀察到氣球明顯的變化……學生在模型創造方面有許多奇思妙想，例如，2 個氣球的支氣管有各種拼接，有創新用三角管；各種模擬材料不同，有將橡皮手套剪成膜或將氣球剪成膜；對于瓶蓋的開口，有借力家長用氣鉆開孔，保證開口規則、大小合適；為防止脫落將瓶底套的氣球膜與瓶壁用熱熔膠固定等。在交流中，學生運用前置知識分析比較、綜合判斷，這也是高階思維形成的過程。學生交流的知識都是通過體驗獲得的事實性知識，可為后續的新授環節構建概念作好鋪墊。

2.2 創設多層次體驗，提高學生問題求解能力 高階思維不是自然發生的，它是由“難題和疑問”或“一些困惑、混淆或懷疑”引發的。高階思維的發生，就是反思—問題生成—探究、批判—解決問題的過程。問題是開展高階思維的最大動力。在生物學學科的體驗活動過程中，教師應采取多種方式，給予學生更多自主學習的空間，讓學生主動參與問題探究的過程，引導學生質疑、發現問題，并不斷解決問題。在對問題深入探究的過程中，逐步提高學生的認知發展水平，并通過解決問題發展高階思維。

在新授課過程中教師設置了3 個探究環節，創設多個體驗活動進行探究，培養學生高階思維。

環節1：探究胸腔的結構特點。

體驗活動：雙手按在胸部兩側，深吸氣再深呼氣，反復2～3 次，感受身體有哪些變化？有的學生說吸氣時胸廓變大，有的學生說吸氣時胸腔變大；教師再次追問：胸廓和胸腔概念是否一樣？教師出示圖片引導學生分析，胸廓由胸骨、肋骨、胸椎組成，讓學生對應自己身體感受胸廓位置，感知胸廓近似圓錐體，并能辨別胸廓的上下徑、左右徑和前后徑；但胸腔又是指什么？學生利用制作的模型幫助構建胸腔的概念，胸腔即胸廓內側壁、胸廓上口及膈肌所圍成的腔隙；胸腔的結構特點是什么？教師引導學生通過瓶蓋的擰緊和打開模擬胸腔密閉性不同時氣球的變化，最終構建概念“胸腔是一個密閉的結構”。

學生制作的模型也體現了“密閉結構”的思維過程，并在制作中發現問題、解決問題，開口略大的瓶蓋與吸管結合處纏上了一層膠帶（圖3），或用熱熔膠讓開口盡可能小到無縫隙（圖4）。這樣的體驗活動是一個從感性認識到分析、構建概念的過程，也是高階思維形成的過程。

圖3 學生用膠帶密封模型

圖4 學生用熱熔膠密封模型

環節2：探究肌肉與胸腔變化的關系。

本環節有2 個探究體驗活動，探究“膈肌與胸腔容積變化的關系”和探究“肋間肌與胸腔容積變化的關系”。

探究“膈肌與胸腔容積變化的關系”時，通過前置體驗，學生感知到向下拉橡皮膜，氣球變大，反之，向上頂橡皮膜，氣球變小，進而得出“膈肌頂部下降，胸廓變大，肺擴張；反之，肺縮小”的結論。在答疑時，仍有部分學生不明白膈肌收縮時膈頂部上升還是下降？教師點撥肌肉收縮是用力，舒張是放松。學生再次操作模型，體驗到膈肌向下拉時用力即是收縮，此時膈的頂部下降（圖5），通過體驗學生很好地理解了膈肌的收縮和舒張，引起胸廓體積變化。

圖5 學生體驗膈肌運動

體驗活動后，學生完成學案內容，在圖中寫出膈肌2 種狀態并畫出不同狀態下胸廓的上下徑，思考呼吸時膈肌的舒縮狀態怎樣？有的學生在學案上回答A、B 都是舒張狀態。究其原因是模型誤導了學生的思考。學生解釋橡皮膜下拉是收縮，A、B 都是上升，所以，都是舒張。教師出示胸廓的仿真人圖片和視頻，幫助學生認識真實情況下膈肌的舒縮狀態。在教師的引導下，學生畫出吸氣與呼氣狀態的上下徑（圖6），最終得出“膈肌收縮→膈頂部下降→胸腔上下徑變大→胸腔容積變大，反之，胸腔容積變小”的結論，完成思維體系的構建。

圖6 膈肌運動示意圖

探究“肋間肌與胸腔容積變化的關系”時，由于前置體驗活動不能模擬肋間肌的收縮和舒張，所以，學生不能形象理解“肋間肌收縮，胸骨肋骨向上向外運動”。為解決此難點，教師引導學生小組合作，利用實驗室已有菱形木條模型進行體驗活動（圖7）：將模型放在一張白紙上，體驗橡皮筋舒張時胸骨、肋骨的位置并用紅筆畫出，再用黑筆畫出橡皮筋收縮時胸骨、肋骨的位置（圖8）。通過構建數學模型圖進行比較，直觀得出“肋間肌收縮時胸腔容積變大”的結論。

圖7 學生體驗肋間肌運動

圖8 肋間肌運動示意圖

體驗活動后，學生在學案上完成構建知識原理“肋間肌收縮→胸骨肋骨向______運動→胸腔前后徑左右徑變____→胸腔容積變____”時，對于胸骨、肋骨的運動方向，部分學生只簡單根據平面圖所示理解為向上運動。教師引導學生將雙手放在肋骨上深吸氣和深呼氣，學生親身體驗到胸骨，肋骨除了向上還向外運動。

在體驗過程中運用比較、分析和判斷，構建概念“呼吸肌收縮胸腔變大，呼吸肌舒張胸腔變小”，這也是高級思維形成的過程。

環節3：探究胸腔容積變化與呼吸的關系。

胸廓變化與呼吸有怎樣的關系？通過前置體驗交流，學生初步感知胸廓有變化，氣體才能進、出肺。但解決這部分難點，還需涉及學生尚未學習的物理學有關氣體壓力知識，利用“注射器”實驗引導學生進行自主體驗活動（圖9）：將注射器拉至20 mL 處，左手食指封住注射器筒口，右手向里推針把，直至推不動；松開食指，推動針把，感受氣體的流向。學生甲交流體驗感受：“推不動”感覺手受到一定的阻力，“松開手”有氣體排出，結合小學科學課學過的容器內壓強變大、變小相關知識，得出結論“容積縮小時氣壓增大，反之，容積擴大時氣壓減小，氣體由氣壓高的地方流向氣壓低的地方。”學生乙補充：食指堵住筒口模擬密閉容器，所以，應該說“在密閉容器中，容積縮小時氣壓增大；反之，容積擴大時氣壓減小，氣體由氣壓高的地方流向氣壓低的地方”（圖10）。教師及時評價乙學生的補充使探究結論更嚴謹。

圖9 學生體驗肺內氣壓變化

圖10 模擬氣壓變化示意圖

通過以上體驗活動，再交流解決任務單上的問題③和④，學生分析綜合，有了合理明確的解釋：整個裝置需密閉的特點，瓶壁變化形成壓力差，氣體才能進、出。學生通過分析體驗活動，糾正前概念，形成科學概念[4]，這也是高級思維形成的過程。

2.3 多輪認知體驗，發展學生綜合構建能力 模型構建是生物學科學研究非常重要的方法之一。初中生物學中許多生物學術語概念所反映的都是用肉眼無法觀察到的，或實際操作時費時、費力，或以目前條件根本無法達到的現象，因此，模型構建教學將更有助于學生體驗概念的形成和基本規律的探究過程，使原本抽象的問題形象化和簡約化，從而幫助學生理解復雜的問題，使得整個學習過程更加高效。

學生有了多層次的體驗活動，初步構建了呼吸相關的概念。師生共同總結，以結構圖形式進行梳理。教師指導學生認真閱讀教材，嘗試構建概念模型。組織學生小組內分析，顯示胸廓體積、肺內壓力、呼吸肌變化、呼吸的先后順序或因果關系，以流程圖加箭頭形式呈現概念模型（圖11）。有的學生構建概念模型不準確，組內互助答疑解惑。

圖11 呼吸流程圖

3 課后拓展體驗活動，有效評價培養批判性思維

批判性思維是審慎地判斷是非和正確決策的能力，是集知識、價值和思維方法于一體的綜合能力與品格。批判性思維需要有分析和評價，且做到清楚、準確、相關、有深度，并具有嚴密的邏輯性。推理過程中使用到的數據、概念都必需得到相應的解釋，概念必需清楚，并將概念的內涵和外延都表述清楚。在教學中，發展批判性思維應重視學生自我評價、生生互評，以學生評價為主體。

課后，教師引導學生回歸課堂，從知識性角度反思評價制作的模型，哪些方面需要改進？可將改進、創新的模型再展示交流。為此，教師在每個班的釘釘交流群中建立了生物學體驗活動家校本，教師將學生的所思、所想、所做推為優秀作業，通過釘釘平臺讓學生有更多的交流展示和分享，從而相互學習、相互評價、共同提高。

在此過程中，學生主動思考作出評價，逐步形成批判性思維。有的學生通過反復實驗比較，發現用較小的2 個氣球現象更明顯，原因是很容易產生壓力差；有的學生進行創新實驗，用注射器向自制模型中打氣，觀察到肺被動擴張，有效地幫助學生理解了醫院呼吸機增壓擴肺的工作原理；有的學生思考創新，用一種特殊膜達到收縮、舒張時膜頂部與真人一樣在水平線以上，就不會產生認知上的沖突……通過評價活動，激發學生的思維碰撞，形成批判性思維，并嘗試進行合理的創造，這也是高階思維形成的過程。高階思維的培養不僅限于課堂，也延伸到課后。

縱觀本節課，通過體驗活動，高階思維的培養貫穿其中。體驗活動中并沒有固定的模式發展高階思維，但均突出學生的主體性，改變學生被動接受的狀態。本節課以前置體驗活動制作模型開始，動手、動腦的體驗活動為學生打造思維平臺和留出思維空間；學生在“自我反思—生成問題—探究、批判—解決問題”的過程中，提出問題能力、解決問題能力得到極大提升；最后，通過構建模型提高分析和綜合能力。教師基于學生認知困惑，于課前、課中、課后設置多層次的實踐體驗活動。學生在體驗活動中能自我反思、自我升華，更好地理解知識、內化知識，進而促進高階思維的發展。