指向科學思維培養的初中生物學教學設計

蘭嵐

促進學生科學思維的發展，應讓學生經歷運用科學思維方法認識事物，運用證據和邏輯進行分析和判斷，進而建構概念和解決問題的學習過程。學習活動應具有以下特征：問題提出要有情境，做出假設要有依據，基于證據和邏輯分析和判斷，經過平等的討論得出結論等。本文以人教版生物學七年級下冊“血流的管道——血管”（以下簡稱“血管”）一課為例，呈現促進學生科學思維發展的教學設計過程，并探討信息技術在教學中深度融合的關鍵作用。

一、關鍵：分析學生概念建構的思維過程

在初中生物學教學中，概念教學處于核心地位。生物學概念的建構，是以生物學事實為基礎，圍繞事實的共同屬性和本質特征，開展抽象和概括活動，建立并正確表述生物學概念的過程。概念承載著思想觀念和思維方式，概念教學承載著‘培根鑄魂、啟智增慧的育人價值。學生在學習活動中建構概念過程，就是逐漸形成生物學思維方式的過程。

課程標準聚焦大概念，建立了“大概念—重要概念—一般概念”的概念體系。據此，可具體化每一節課的概念目標。例如，表1呈現了關于“血管”一節內容的學習內容、課程標準的內容要求，以及在此基礎上根據學情設計達成目標的具體途徑和方式，形成的本節課概念目標。

概念教學的目標不僅讓學生理解定義或獲得知識，更重要的是發展學生的思維。概念教學目標1中，“通過對生活中相關現象的觀察、分析和討論”，描述了達成目標的情境和途徑，情境就是生活中常見的與血管相關的現象，途徑就是觀察、分析討論這些現象；“說出血管分為動脈、靜脈和毛細血管”是行為目標，要求學生能夠根據具體的情境判斷出血管的類型。概念教學目標2中，“通過‘觀察小魚尾鰭血液流動實驗，觀察三種血管的實物、圖片等”，同樣描述了達成目標需要的情境和途徑；“能用結構與功能相適應的觀點”，是實現教學目標的先決條件，學生經由此前的學習已經初步形成相關的觀點；“說出三種血管形態、結構和功能的差別”是行為目標。

以上概念教學目標中描述的路徑為行為路徑，關注學生科學思維的發展，還需要理清學生在學習活動中的思維路徑。下頁表2呈現了通過觀察、實驗等科學方法獲得事實性知識，運用科學思維方法和邏輯分析，建構概念的過程。

二、基礎：基于思維的邏輯設計學習過程設計

教的邏輯依據的是學的邏輯。本節教材設計了實驗“觀察小魚尾鰭內血液的流動”，引導學生通過實驗獲得知識，如血液在不同血管中的流速、流動方向、毛細血管中紅細胞流動的特點等；再通過觀察“動脈和靜脈橫切面”“三種血管關系示意圖”“血液與組織細胞之間物質交換示意圖”“靜脈瓣活動示意圖”，認識三種血管的結構和功能特點；在此基礎上，引導學生對三種血管結構特點與功能進行比較，練習題2以表格的形式對此進行了考察；最后概括得出結論“動脈、靜脈與毛細血管三種結構、功能各具特點的血管，共同構成了人體內血液流通的管道”。

學習目標需要學生在學習活動中完成一定的學習任務來達成。分析學習的前置條件，分解學習內容為學習任務，確定這些任務的順序。那么根據什么確定這些學習任務的順序呢？就是要符合學生的學習思維發展規律。圖1和圖2分別呈現了“血管”（2課時）的兩種學習過程。

圖1是按照“先建構概念，在以實驗驗證概念的正確性”建立的教學邏輯，體現了實證的思想。第一課時的目標是建構概念，在自主學習活動中，通過觀察實物、圖片，閱讀教材等，通過觀察和比較，歸納出三種血管的特點；再通過合作學習，從結構和功能的視角比較三種血管的形態結構和生理功能；初步形成結構與功能相適應的觀念。第二課時，通過觀察小魚尾鰭的血液流動，觀察三種血管中的血流方向、毛細血管中血液流動特點等，是對已有知識（概念）的“眼見為實”。

圖2是“先建構概念，再解決實際問題”的教學邏輯。第一課時中，概念的建構采取的是探究的思路。觀察小魚尾鰭內血液在血管內的流動方向、流速等現象，嘗試分辨血管的種類（比較和分類），初步形成對三種血管的認識。

以上兩種教學過程設計的思路不同，但是學生的概念構建都經過了“觀察（血管的實物、模型、圖片）—實驗（小魚尾鰭內血液的流動）—歸納（動脈、靜脈、毛細血管的形態結構）—比較（求同和求異：對三種血管的形態結構和生理功能等比較）—概括（得出結論，建構概念）—演繹（對其他相關生活現象推理，判斷血管的類型）”學習過程。學習的路徑很多，從知識到記憶是一種路徑，從理論學習到實證是一種路徑，從問題出發進行探究也是一種路徑。是否有助于學生科學思維發展，應該成為教學活動設計的一個重要依據。

三、導思：提出有邏輯的問題促深度學習

科學思維是生物學科核心素養之一，發展學生科學思維的能力和品質是初中生物學課程和教學的重要育人目標。《義務教育生物學課程標準（2022年版）》指出，學生通過初中生物學課程的學習，應“初步掌握科學思維方法，具備一定的科學思維習慣和能力”。發展科學思維是培育學生嚴謹求實的科學態度，涵養理性思維、批判質疑、勇于探究等科學精神的重要途徑。

在具體的教學活動中，設問是促進學生思維發展的關鍵。好的問題能夠激發學習興趣，活躍思維，促進學生的深度思考。問題設計的基本思路是以概念目標為核心，將概念轉化為中心問題，再將中心問題分解為問題串；情境創設、前置學習活動是問題設計的必要支持條件。圖3呈現了“血管”一課中，“毛細血管結構與功能相適應”這一學習活動的問題設計過程。

此學習活動的概念目標是建構毛細血管結構與功能相適應的概念（生命觀念），首先將這一目標轉化為中心問題“毛細血管便于血液與組織細胞進行物質交換的特點？”然后將中心問題分解為問題串。問題串的設計應符合“在內容上由淺入深，層層遞進；在邏輯上順理成章，環環相扣；在難度上由易到難，有一定梯度”的原則。下面以本節課“認識毛細血管的結構和功能”這一學習活動為例，呈現問題串的設計過程。分解的三個問題針對的都是事實性問題，是學生運用結構與功能相適應的觀點進行思考和解決中心問題的支架。

問題1：人體的哪些地方有毛細血管分布？學生回答此問題需要有生活經驗和已有知識，例如，體檢時扎手指驗血、運動后臉會變紅等生活經驗；已經學習過的胎盤絨毛、小腸絨毛內、肺泡周圍有豐富的毛細血管等知識。因此，需要提供必要的學習資源作為學習支持。

問題2：毛細血管為何被稱為“毛細血管”？這個問題針對的也是事實性知識，也就是毛細血管的形態和結構特點。學生經過“小魚尾鰭實驗、觀察人體毛細血管形態結構、三種血管關系示意圖等觀察活動，能夠比較容易地回答這一問題。

問題3：毛細血管中血液和組織細胞物質交換的過程？這一問題也需要調動學生已有的知識基礎，如胎盤絨毛內毛細血管與臍帶內血管相通，胎兒和母體通過胎盤上的絨毛進行物質交換；小腸絨毛腔內有豐富的毛細血管，營養物質隨血液運往全身等，觀察“血液與組織細胞之間的物質交換示意圖”等，認識到“血液中的營養物質與氧，可穿過毛細血管壁到達組織細胞，最后被細胞利用；組織細胞產生的二氧化碳與其他廢物，可穿過毛細血管壁進入血液被送走。

學生通過問題1和問題2認識毛細血管的形態結構特點，通過問題3了解物質交換的過程。上述三個問題層層遞進，順理成章地回答中心問題“毛細血管便于血液與組織細胞進行物質交換的特點”。問題設計的邏輯遵循的仍是學生思維的邏輯。

四、支持：信息技術與教學的深度融合

信息技術的發展改變了教學生態，教師要學習并熟練使用教育信息技術和工具，如數字化教學軟件和硬件等；要能開發和運用新形式的數字化教學資源，如微課、虛擬實驗等。實踐表明，在有效的信息技術能力培訓支持和實際教學環境變化下，大部分教師能夠較快掌握技術。需要強調的是，并非所有的教學策略都必須應用信息技術解決。例如，學生缺乏生活經驗，可以通過多媒體以圖片、視頻等方式創設情境，還可以設計直觀體驗活動，比如“把脈”、觀察手臂的“青筋”、一手舉高一手下垂一段時間比較兩手的血色。觀察、實驗、調查等探究實踐活動，更不能簡單地用技術代替。在“血管”一課中，信息技術與學科教學的深度融合主要體現在三點。

1.數字化資源為建構概念提供生物學事實支撐。概念的建構起始于生物學事實。在“血管”一課中，學生要能“從結構和功能的角度，說明三種血管形態、結構和功能的差別”，建構血管的概念，首先要觀察三種類型的血管，獲得事實。信息技術能夠為學生的科學觀察提供豐富、生動和多樣的材料，也增強了教學的直觀性、生動性和豐富性。

數字化資源的選擇，以形成概念的需要為依據。本節課對數字化資源的選擇有兩個維度：一是選擇除魚、人以外，其他動物，如牛、羊等的血管，二是同一種生物的三種不同類型的血管。資源的形式，除圖片、視頻等數字化資源外，也可以是實物。通過呈現以上兩個維度的數字化資源，學生運用比較法，對血管概念的建構經歷從特殊到一般，從具體到抽象的建構過程，有利于豐富學生對血管內涵的理解，符合生物學概念學習的特點。

2.信息技術工具為分析和討論實驗現象提供幫助。討論和交流是科學探究過程中一個非常重要的環節，學生通過討論，學會表達自己的觀點和傾聽他人的觀點，能夠基于事實，理性、包容地與同伴進行討論，這也是科學學習過程中要形成的科學態度。顯微鏡觀察實驗中，由于難以與同伴共享自己的觀察現象，討論難以進行。另外，由于學生缺乏對血管的了解，實驗技能不熟練，分析實驗觀察現象也有一定的難度，需要教師的指導和講解。

信息技術對解決這一難題起了關鍵作用。數碼顯微鏡可以將顯微鏡觀察結果在一體機或投影上顯示。若不具備數碼顯微鏡的實驗條件，教師也可以通過手機拍照或錄像，運用實時投屏技術，也能實現觀察現象的共享。

3.微課等數字化資源為學生自主學習提供學習的資源。開發和運用微課，可以在課前或課后推送給學生自主學習，滿足不同水平和興趣特長學生的個性化學習需求。本節課中，可制作“小魚尾鰭內的血液觀察”實驗微課，學生通過自主學習復習顯微鏡的操作技能，了解用顯微鏡觀察小魚尾鰭內血液流動的過程和操作要點等。

由于紙筆測試的形式一定程度上限制了對思維、能力、態度責任的考察，也容易使教師忽視學生的學習過程，將教學簡化為對知識的記憶、背誦和做題訓練，因而也就出現了多耗時、多做題等加重學習負擔的現象。科學思維的發展是日積月累、潛移默化的過程。科學分析學生的認知規律，在此基礎上設計教學過程，是發展學生科學思維的關鍵，需要落實在每一個學習活動的設計中。

注：本文系廣東省基礎教育教研基地項目（初中生物·中山）研究成果。