創(chuàng)設認知沖突發(fā)展高階思維
——以“動物細胞融合技術與單克隆抗體”為例

曹正瓊 路 遙 郭 威

(湖北省襄陽市第三十六中學 湖北襄陽 441021)

高階思維是發(fā)生在較高認知水平層次上的心智活動或認知能力,其關鍵為在已知基礎上進行“跨越”。教師若在教學中設計制造認知沖突,可以激活學生思維,激發(fā)其學習的內(nèi)驅(qū)力,增加課堂中學生有意注意的時間,促使學生在深度學習過程中積極建構(gòu)與完善知識結(jié)構(gòu),在認知沖突的解決和轉(zhuǎn)化過程中,實現(xiàn)分析、綜合、評價、創(chuàng)造等高階思維的發(fā)展。下文將以人教版生物學教材《選擇性必修3·生物技術與工程》第二章第二節(jié)“動物細胞工程”中“動物細胞融合技術與單克隆抗體”部分內(nèi)容為例,探討認知沖突設計在教學中的具體運用。

1 課標與教材分析

根據(jù)《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》),梳理本節(jié)課的各級概念如下(表1),兩個次位概念既是本章也是本節(jié)的教學重點。其中,動物細胞融合技術為單克隆抗體的制備開辟了新途徑,而兩者在動物細胞工程領域中均占據(jù)重要地位。

表1 “動物細胞融合技術與單克隆抗體”小節(jié)各級概念

從教材內(nèi)容上看,“動物細胞融合與單克隆抗體”選自人教版《選擇性必修3·生物技術與工程》第二章第二節(jié)“動物細胞工程”。前一節(jié)“植物體細胞雜交技術”的學習為本節(jié)課打下良好的認知基礎,同時該內(nèi)容又與《選擇性必修1·穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》第四章第二節(jié)“特異性免疫”聯(lián)系緊密。

從教學內(nèi)容上看,本節(jié)內(nèi)容主要涉及動物細胞融合技術、單克隆抗體及其應用兩個方面,而單克隆抗體的制備是動物細胞融合技術最重要的應用,為本節(jié)的重難點。

2 學情分析與教學目標的確立

基于過往學習,學生已了解植物細胞原生質(zhì)體融合的原理及方法,掌握免疫細胞、特異性免疫過程等相關知識,且通過必修教材的學習,已具備一定的建模能力?；谏鲜龇治?確立本節(jié)課的核心素養(yǎng)目標:

(1)通過對比、比較等思維方法,明確動物細胞融合的概念及所需條件。

(2)通過建模等科學方法,理解單克隆抗體制備的具體過程。

(3)通過關注及搜集資料,認同單克隆抗體在臨床上具有重要的應用價值。

3 認知沖突的創(chuàng)設

根據(jù)核心素養(yǎng)目標,選用多種方式激發(fā)學生的認知沖突,切實提高認知沖突的深度和廣度,并通過討論方案、模型建構(gòu)、展示評價、創(chuàng)設知識遷移或運用情境等活動,以解決及轉(zhuǎn)化認知沖突,使學生間發(fā)生思維碰撞,幫助學生在自主建模、合作交流中獲取知識、領悟方法和提升能力。課程具體設計如下。

3.1 認知沖突設計一:創(chuàng)設真實情境激發(fā)認知沖突,導入課題學習

在導入課題環(huán)節(jié),教師要善于發(fā)現(xiàn)認知沖突的興奮點,廣泛收集、整理相關素材,為學生創(chuàng)設有足夠沖擊力,能引發(fā)學生深入思考的認知沖突情境。

如人們被貓狗抓傷或咬傷后要注射狂犬疫苗,這是學生熟知的生活常識。課上,教師先展示一則新聞標題,“女子被流浪狗咬傷,注射疫苗后狂犬病發(fā)作死亡引發(fā)網(wǎng)友熱議”。而學生基于已有的生活經(jīng)驗,無法解釋上述事實,由此產(chǎn)生認知沖突驅(qū)使學生一探究竟。

其后,教師再呈現(xiàn)新聞的具體內(nèi)容,使學生了解遭遇嚴重咬傷時要同時注射狂犬疫苗和狂犬病毒抗體,而非僅注射疫苗。接著,進一步引導學生結(jié)合已學的特異性免疫知識,明確注射原因并引出課題“價值千元的狂犬病毒抗體究竟如何制備”。以此,創(chuàng)設可激發(fā)學生認知沖突的真實情境,引起學生“認知失衡”,激發(fā)學生的求知欲和好奇心,使其產(chǎn)生解決認知矛盾的內(nèi)在需要,提供主動實現(xiàn)知識建構(gòu)的契機和動力。

3.2 認知沖突設計二:新舊知識聯(lián)系激發(fā)認知沖突,小組討論方案解決、轉(zhuǎn)化沖突

教師全面、科學地分析學生已有的知識和教材內(nèi)容,找到“新舊知識結(jié)合點”,分析原有知識和新知識之間的差異及形成差異的原因,開展針對性教學,以此產(chǎn)生的認知沖突能促使學生主動改變原有概念,從而促進新概念的形成。

宏觀來講，其中涉及到長時期演變——不同朝代的營造活動本身的時代特征；以及短時期演變——重大歷史事件帶來的影響，如移民活動等。中觀來看不同區(qū)域的匠派發(fā)展具有其特殊的傳承脈絡。隨著工具的進步、社會的發(fā)展及審美等的變化，本身匠派的營造發(fā)展也隨之變化，結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，同時更追求美觀。具體而微，匠師個人的接受與傳承活動本身就具有一定的變化與不確定性。

例如在“單一抗體的制備方案”學習環(huán)節(jié)中,若直接呈現(xiàn)英國科學家米爾斯坦和德國科學家科勒設計的制備方案,會讓學生失去一次自主思考、推理方案的機會。因此,教師可先引導學生結(jié)合已學知識,整理出如下信息:合成并分泌抗體的細胞是經(jīng)免疫的B淋巴細胞→每一個經(jīng)免疫的B 淋巴細胞只能產(chǎn)生一種特異性抗體→傳統(tǒng)生產(chǎn)的血清抗體產(chǎn)量低、純度低、特異性差。然后,再組織學生開展小組活動,討論單一抗體的制備方案。新舊知識間的沖突和學生間的思維碰撞,使小組討論更加熱烈、深入,最終提出制備方案:將一個經(jīng)免疫的B 淋巴細胞和無限增殖的瘤細胞融合,形成既能大量繁殖,又能產(chǎn)生特定抗體的細胞;再通過細胞培養(yǎng)技術,獲得單一抗體。

此時,教師再展示兩位科學家設計的單克隆抗體制備方案,并介紹科學家們以這一極富創(chuàng)造性的實驗榮獲諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。當學生發(fā)現(xiàn)自己提出的制備方案與科學家的想法大體相似時,將會信心大增。此外,有的小組還在此基礎上提出新方案:將無限增殖的調(diào)控基因?qū)虢?jīng)免疫的B 淋巴細胞。教師趁此提出,創(chuàng)新是進步的不竭動力,鼓勵學生勤于觀察,勇于創(chuàng)新。

3.3 認知沖突設計三:設置問題串激發(fā)認知沖突,小組建模評價解決、轉(zhuǎn)化沖突

教師基于學生的既有認知結(jié)構(gòu),設置有梯度、多層次的問題串,使學生產(chǎn)生持久的學習熱情,推動學生認知由已知區(qū)走向最近發(fā)展區(qū),全面發(fā)展高階思維能力,引導學生在探究問題的過程中主動完成認知結(jié)構(gòu)的建構(gòu)。

本節(jié)課的重難點在于單克隆抗體具體制備過程的教授。在第一輪嘗試教學階段中,教師組織學生先自學教材內(nèi)容,再以小組為單位,圍繞問題串展開討論;然后鼓勵小組建構(gòu)單克隆抗體制備模型,描述具體過程;最后由小組代表展示、解說模型。在該種教學設計中,學生雖能通過自學教材和小組模型建構(gòu)等活動,引發(fā)一定的認知沖突,但因為學生已提前自學因此在模型建構(gòu)時思維受到束縛,自主性較弱。在第二輪優(yōu)化教學階段,教師在保留小組展示評價模型的基礎上,組織學生分步驟在展板上建構(gòu)單克隆抗體制備模型,展示板上可選擇粘貼模具或繪制圖文信息等,分步建構(gòu)設計具體如下。

3.3.1 建構(gòu)細胞融合模型階段

教師請各組學生從材料盒中拿取B 淋巴細胞和骨髓瘤細胞模型,要求學生自主完成細胞融合的模型建構(gòu),并在學生構(gòu)建完成后引導組間相互觀摩。通過組間學習,發(fā)現(xiàn)有的組只選取一種顏色的B 細胞和骨髓瘤融合,獲得一種融合細胞;有的組則選了多種顏色的B 細胞,繪制多種融合細胞。基于學生建構(gòu)的不同模型,教師拋出問題1:比較各小組模型,說說哪組模型建構(gòu)更科學? 此問激發(fā)學生深入思考,在比較、辨析中找出不同模型的異同點,引導學生從哺乳動物體內(nèi)現(xiàn)存的B 淋巴細胞種類和誘導動物細胞融合的成功率兩個角度,判斷最為科學、合理的模型。

如何從融合及未融合的各類細胞中篩選出雜交瘤細胞? 對學生而言,現(xiàn)有的知識儲備不足以回答該問題。為此,教師提供資料:已知細胞合成DNA 有D和S 兩條途徑,其中D 途徑能被氨基嘌呤阻斷。在小鼠經(jīng)免疫的B 淋巴細胞中,存在這兩種DNA 合成途徑,但一般不分裂增殖;而小鼠的骨髓瘤細胞中DNA只通過D 途徑合成,能無限增殖。請學生根據(jù)上述信息,建構(gòu)出含氨基嘌呤的選擇培養(yǎng)基以篩選雜交瘤細胞的模型。

3.3.3 建構(gòu)獲取單一抗體的模型階段

基于上述分析討論,學生發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)多種雜交瘤細胞最終能獲得多種抗體,無法實現(xiàn)獲取單一抗體的需求。教師對此發(fā)現(xiàn)表示肯定,并提供進一步解決問題所必要的材料模型——96 孔板,介紹其用法:將雜交瘤細胞群稀釋,每個孔盡量只接種1 個細胞進行克隆培養(yǎng),一段時間后,每個小孔的上清液內(nèi)就僅含有該雜交瘤細胞產(chǎn)生的特定抗體。教師繼續(xù)提問:哪個孔內(nèi)上清液所含的抗體是我們需要的抗體? 學生聯(lián)系所學知識,找到抗體檢測的辦法,即運用抗原—抗體雜交原理,篩選出抗體檢測呈陽性的雜交瘤細胞,由此建構(gòu)獲取單一抗體的模型。

3.3.4 建構(gòu)獲取大量單克隆抗體模型階段

其后,教師進一步拋出問題:這樣獲得的雜交瘤細胞數(shù)量有限,怎樣獲得大量的單克隆抗體呢? 通過該問題引導學生明確如果想要制備大量單克隆抗體還需雜交瘤細胞增殖,由此完善模型。

在整個模型建構(gòu)過程中,通過層層遞進的問題串,激發(fā)學生不斷產(chǎn)生認知沖突。學生為消除“認知失衡”以實現(xiàn)新的認知平衡,會迅速激活原有的認知結(jié)構(gòu),從中選擇相關信息,并結(jié)合新信息進行有目的的加工和整合,歷經(jīng)推理、歸納、建模、評價等思維過程,有效促進高階思維的發(fā)展。

圖1 建構(gòu)單克隆抗體制備模型過程中的問題串

本節(jié)課運用了創(chuàng)設真實情境、新舊知識聯(lián)系、設置問題串等方法激發(fā)學生的認知沖突,并在激發(fā)沖突后,設計多種課堂活動如方案設計、模型建構(gòu)、展示評價等,引導學生進行辨析、推理、討論、建模、展示、評價等,以解決和轉(zhuǎn)化認知沖突。在完善認知結(jié)構(gòu),提升認知水平的同時,學生的高階思維得以提升,情感及態(tài)度也隨之升華。

4 高階思維發(fā)展情況測評

學生的思維發(fā)展外顯化,可以幫助教師及時調(diào)整或改進教學策略。為此,參考多篇有關高階思維能力測評量表編制或應用的文獻,編制《中學生高階思維評價量表》,從分析、決策、協(xié)作、創(chuàng)造、遠遷移五個維度對學生的高階思維發(fā)展進行量化評價(表2)。

表2 中學生高階思維評價量表

此量化評價在認知沖突設計運用教學前及實施半年后進行,量化分析結(jié)果如圖2所示。觀察圖2可以發(fā)現(xiàn),在教學實施前后,高階思維五個維度的平均得分均在3 分以上,這說明學生已有的高階思維處于中等水平。通過一段時間的實驗教學,學生在五個維度的量化評價得分均有一定提升。其中,在“決策—綜合”維度的得分增幅最大,即學生選擇和評估解決方案的思維能力提升最明顯;“決策—分類”和“協(xié)作”等思維的得分增幅次之;在面臨陌生問題時,整合過往經(jīng)驗對目標進行分析,發(fā)生新舊經(jīng)驗相互作用的“遠遷移”思維小有進步;而高階思維的核心——批判性思維與創(chuàng)造性思維得分增幅最小。

圖2 中學生高階思維發(fā)展量化評價

通過分析實驗數(shù)據(jù),教師可以獲得下一階段的明確教學方向,修正教學目標和方法。上述結(jié)果提示各位教師,仍需在學生自我反省、思想開放度、材料加工,考慮設計可行性等方面加強訓練。