基于CDIO模式培養高中生創造性思維的實踐研究

摘 要：目前CDIO模式主要應用在高等教育和工程教育領域，本研究嘗試將CDIO模式引入高中生物教學，以真核細胞的3D建模為基礎，通過“概念構思”“教學設計”“教學實施”“教學評價”四個步驟將抽象的知識具體化和形象化，以培養學生的創新思維

能力。

關鍵詞：CDIO；教學模式；創造性思維；制作模型

隨著生物技術的迅速發展，生物學在科學領域中的地位日益重要。創造性思維是指以新穎、獨特、富有創造性的方式解決問題的思維過程。在新課程標準背景下，高中生物摒棄了傳統的“以成績為主導”的教學模式，基于核心素養的教學理念，在教學設計和教學實施過程中加入“學生本位”思想，力求在突出學生個性化發展的基礎上來達到生物核心素養教育的本質。科學思維作為生物學核心素養之一，重點發展了學生在真實問題情景中認識事物與解決問題的思維習慣。CDIO是 Conceive（構思）、Design（設計）、Implement（實現）、Operate（運行）四個單詞的縮寫，是一種流行的工程教育模式，該模式強調以構思到運行的整個產品周期為載體，借助工程項目實踐，讓學生獲得一體化的學習經驗并強化工程知識與解決問題的能力，強調通過實踐項目培養學生的創新能力、團隊合作能力和解決問題的能力。本研究嘗試將CDIO模式引入高中生物教學，以真核細胞的三維模型制作為載體，培養學生的創造性思維。

CDIO教學模式可分解為學習的六個環節：選定項目、制訂計劃、活動研究、作品制作、成果交流與活動評價。在生物教學中，教師根據課程目標和學生實際情況選定合適的項目，如真核細胞的三維模型制作。在制訂計劃階段，教師引導學生制訂合理、可行的計劃，確保項目的順利進行。在活動研究階段，教師鼓勵學生進行探究性學習，通過查閱資料、討論交流等方式深入了解真核細胞的結構和功能。在作品制作階段，教師指導學生制作高質量的模型，將抽象的知識具體化、形象化。在成果交流階段，教師組織學生進行有效地展示和交流，讓學生分享自己的制作經驗和成果。在活動評價階段，教師制訂科學、合理的評價標準，對學生的作品進行評價和反饋。

一、設計思路

本文介紹了一種以CDIO模式為基礎的“模型創作”綜合活動課。從教學任務入手，圍繞“課題”或“問題”展開，重點解決“工具資源”“學習活動過程”“學習支架”“評估”四個環節。在教學活動中，學生的學習能力得到了提升，知識結構得到了加強，并作出了相應的評價。

二、教學背景分析

（一）課程標準及教材分析

本節內容是人教版高中《生物必修1分子與細胞》第3章《細胞的基本結構》中的一節生物模型制作實驗課，也是高中階段第一節模型制作實驗課。《普通高中生物學課程標準》（2017年版2020年修訂）【學業要求】明確指出：構建并使用細胞模型，闡明細胞各部分結構通過分工與合作，形成相互協調的有機整體，實現細胞水平的各項生命活動。在本節課進行之前，學生已經對細胞的基本結構和功能有所了解，這也為本節課的學習提供了一定的理論基礎。

（二）學情分析

通過前三章的學習，使學生對細胞的基本構造和功能有了一個初步的了解，并有了一定的認識。然而，學生目前尚缺少對細胞微結構的感性認識，不能很好地認識各單元間的相互關系，也不能很好地把握細胞的結構－功能一體化，缺少相應的工程意識和技能，亟須教師的指導。

三、學習目標

（一）技術知識和推理

細胞的基本結構及各細胞器的功能；細胞器的分工合作，分泌蛋白的形成及運輸過程；物理模型設計、構建的過程及其各個環節；美術制作相關技能。

（二）個人能力、職業能力與態度

1.解決問題的能力

解決問題的能力，包括綜合問題的分析、解決方案和模型設計的整體方案，以及細胞器的分布和比例大小等。這表明要具備解決問題的能力，需要能夠對問題進行全面分析，提出有效的解決方案，并設計出整體方案。同時，對于特定領域的問題，如生物學中的細胞器分布和比例大小，也需要具備解決問題的能力，這需要培養學生的分析、綜合和創新能力，使他們能夠獨立思考和解決實際問題。除了學科知識外，還需要培養學生的邏輯思維、創造性思維和實驗設計能力等。通過針對性地教學和實踐活動，可以幫助學生逐步提高解決問題的能力，使他們能夠應對各種挑戰和問題，并在未來的學習和工作中具備更強的競爭力[1]。

2.解決方法和建議

綜合問題的分析，解決方案，模型設計的整體方案，各細胞器的分布及比例大小等。綜合問題的解決方案，評估解決問題過程中可以改善的地方。培養學生對問題解決過程的評估能力，有助于他們更全面地認識自己的解決問題方法，并能夠發現問題的改進之處。這種能力需要學生具備批判性思維、實踐能力和團隊合作能力，通過不斷地實踐和反思，使他們能夠不斷提高解決問題的能力和水平。這種能力對于學生未來的職業發展和個人成長具有重要意義，因此，應該注重培養學生解決問題的能力，使他們能夠在各個領域作出積極的貢獻。

3.系統思維

（1）整體性思維：在構建真核細胞的三維模型時，學生需要考慮到細胞的整體結構和功能，而不僅僅是細胞內的某個部分。

（2）創造性思維：學生能夠產生新的想法和解決方案，不拘泥于傳統的思維模式或方法。在細胞模型構建中，學生可以嘗試使用不同的材料或方法來表現細胞的復雜結構，或者提出新的假設來解釋細胞的功能。

（3）發散思維：學生能夠從一個問題或多個信息源出發，產生多種可能的答案或解決方案。在細胞模型構建中，學生可以思考不同的細胞器如何相互作用，或者考慮不同的環境因素對細胞結構和功能的影響。

（4）批判性思維：學生能夠分析和評估信息的質量、來源和可靠性，以及推理的合理性。在細胞模型構建中，學生需要對所收集的信息進行篩選和判斷，以確保模型的準確性和科學性。

（三）人際交往能力

組建有效團隊，團隊員之間分工合作。

（四）在企業和社會環境下構思、設計、實施

1.系統的構思

討論細胞模型產品的周期，系統建模確保目標實現。

2.設計

分析與選擇設計方案。

3.實施

產品實現與集成，描述產品的功能與科學性。

（五）運行

運行系統改進和演變，對計劃得到的產品進行改進。

四、教學重難點

教學重點：利用真核生物3D模型的制作來強化對生物3D建模過程的掌握，并利用3D模式來探索細胞功能與結構的共同性。

教學難點：將真核生物的3D模型以物理建模的方式展現出來。

五、課前準備

（一）科學分組：根據學生的興趣和能力，將學生分為每組5—6人的科學探索小組，并選拔出具有領導力的小組組長。科學分組有助于促進學生之間的合作與交流，調動他們的學習積極性，并且能夠讓學生更好地發揮自己的特長，促進學生的全面發展。通過小組合作，學生可以互相學習、共同討論問題、分享知識和經驗，增強他們的學習能力和團隊意識。在科學分組的過程中，教師可以根據組員的表現和貢獻給予相應的獎勵和鼓勵，激發學生學習的動力，增強他們的自信心。同時，小組組長也可以在組內協調與領導小組學習活動，并且激發其他組員的學習興趣，促進全體小組成員的共同進步。

（二）精準材料準備：在教師的指導下，學生按小組準備實驗材料，確保材料的選擇能夠精準地展現細胞結構的細節。建議材料包括高級彩色橡皮泥、專業顏料、微型工具套裝、精密測量工具等。精準材料準備有助于學生深入了解細胞結構和相關知識，并培養他們的動手能力和實驗設計能力。通過學生自行準備實驗材料，可以增強他們的實踐能力和創造性思維，激發他們對科學的興趣和熱情[2]。在準備材料的過程中，學生可以學習如何選擇合適的實驗材料、工具，同時也能培養他們的團隊合作能力和實際操作的技能。教師在指導學生準備材料的過程中，可以引導他們進行討論和思考，幫助他們選擇最合適的材料，并指導他們按照實驗要求進行準備。

六、教學過程

（一）科學情境導入

為了激發學生對細胞世界的好奇心和探索欲望，教師將通過引入細胞生物學的科學史作為課程的起點。引導學生思考如何借助物理模型將微觀的細胞結構以直觀的方式呈現出來，幫助學生建立對細胞結構的初步認識。

設計意圖：以科學史為導入，不僅激發學生的學習興趣，還為學生理解細胞結構提供歷史背景，為后續的模型制作奠定科學基礎。

（二）知識擴充與技能提升

教師活動：1.知識擴充：詳細解釋模型在科學研究中的重要性，特別是在細胞生物學領域的應用。通過案例分析，讓學生了解物理模型如何幫助科學家揭示細胞結構的奧秘。2.技能提升：通過實踐操作和理論講解，提升學生制作細胞結構模型的技術水平。重點培訓學生如何運用材料和工具，制作出既科學又美觀的細胞模型。

學生活動：積極參與細胞器和細胞結構與功能相關知識的討論與實踐，為后續的模型制作做好充分準備。

設計意圖：通過知識擴充和技能提升，使學生全面了解模型在科學研究中的作用，同時提升學生的實踐能力和科學素養。

（三）討論探究，制訂方案

在這一階段，學生將以小組形式進行討論和探究。學生通過資料的收集與整理，對真核細胞的結構以及制作方法進行深入分析和研討。這一過程需要考查學生對于細胞結構模型體積、形狀以及位置等知識點的掌握。教師將提供評分表供學生參考，并指明模型制作的要求。學生將根據討論結果，制訂完善的方案，并分配好工作任務。

設計意圖：通過小組討論和探究，旨在提高學生的小組合作能力、科學探究能力和科學思維能力。同時，鼓勵學生自行創造，培養他們的科學創造性思維。

（四）制作模型

學生在制作模型時需要按照先大后小和先簡后繁的基本原則來進行。而由于模型的制作過程較為煩瑣，需要學生采用小組合作的方式共同完成，因此在制作前學生需要采用任務分工的方式來進行。而教師在此過程中要注意引導和啟發，并及時對學生模型制作過程中所遇到的問題進行解決。

設計意圖：利用模型制作來提升學生的團隊協作和動手實踐能力。同時，對于思維創造性培養及創新思維的教育也極為重要。

（五）成果展示

完成模型制作后，學生將進行成果展示和交流。思考：1.這個模型是什么類型的真核細胞，它的結構完整性如何？它的位置及大小是否正確？2.它是否能夠反映出細胞內部的相互關系和整體的結構和功能？同時小組間將以科學性、準確性、美觀和創新性等原則根據評分表對各組的模型進行評價和評分。教師對學生的作品進行點評，指出其優點和不足，為學生提供改進的方向，并對模型成果進行匯總打分，并公布評分，頒發相應的獎狀。

設計意圖：通過成果展示和交流，小組間相互評價，進行意見交流，取長補短，相互學習，營造良好的學習氛圍。學生參與評價，不僅是為了分享自己的經驗和心得，也是為了從其他同學的作品中獲得啟發和靈感，提高學生的審美能力和創造力。

（六）討論反思，完善模型

經過交流評價后，學生將總結模型的不足并完善制作方案及模型。他們將思考如何在未來的制作中改進和提升模型的質量和科學性。

設計意圖：通過討論反思和完善模型，旨在讓學生理解產品是在不斷地修改中完善的，培養他們的批判性思維和持續改進的精神。

（七）總結強化" 模型應用

學生將所學生物知識用于3D生物模型的制作中，這一形式被稱為模型運用。在這一階段，學生將利用制作的模型進行相關的生物學知識學習和應用。他們將通過模型演示分泌蛋白合成與分泌的過程等實驗活動來加深對細胞結構和功能的理解。同時，教師將引導學生總結回顧整個制作過程中的問題和收獲。

設計意圖：利用模型構件思維，培養學生在實踐過程中運用生物知識的靈活性，同時幫助他們建立相應的知識框架并提升實踐應用能力。

結束語

本研究通過實踐探索，證實了CDIO模式在高中生物教學中的應用對培養學生的創造性思維和實踐能力具有顯著成效。學生在參與真核細胞三維結構模型的制作過程中，不僅深化了對生物學基本概念的理解，還通過動手實踐，鍛煉了觀察分析、實驗探究等綜合能力。此外，模型制作還為學生提供了一個發揮創造性思維的平臺，使得學生在實踐中不斷嘗試、創新，培養了創造性

思維。

綜上所述，CDIO模式在高中生物教學中的實施，不僅促進了學生對生物學基本概念的深入理解，極大地培養了學生的創造性思維和實踐能力。通過精心設計的活動、周密的計劃、引導性的探究學習，以及鼓勵創新和實踐的教學環境，學生得以在CDIO模式的框架下全面發展其生物學學科核心素養。更重要的是，這種教學模式培養了學生的問題解決能力、團隊合作精神和創新思維，為他們未來的學術探索和專業發展打下了堅實的基礎。因此，CDIO模式在高中生物教學中的應用，是培養學生創造性思維和實踐能力的有效手段，具有深遠的教育意義和實踐價值。

參考文獻

[1]楊春花，舒琥.基于STEAM教育理念的“真核細胞的三維模型制作”教學設計[J].中學生物教學，2020（18）：61-63.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準：2017年版2020年修訂[M].北京：人民教育出版社，2020.