指向科学思维培养的自主课堂教学设计与实施

林惠莲(福建省福安市第二中学 355001)

《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》对“科学思维”进行如下描述:尊重事实和证据,崇尚严谨和务实的求知态度,运用科学的思维方式认识事物,解决实际问题的思维习惯和能力。从思维习惯或能力来看,包括归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维等。而课堂是培养科学思维的主战场,自主课堂是以学生学习基本情况和发展水平为立足点,为学习创设真实开放的情境,设计适合学生探究的自主活动,侧重培养不同思维方式,锻炼思维品质。这种课堂模式框架是以多样化的表现形式为基础,充分调动学生课堂的积极性,建设具有生活价值的学习,从而达到提高学生生物科学素养的课堂目标。

一、 理论基础

1.科学思维培养的心理学基础

感觉运动阶段、前运算阶段、具体运算阶段以及形式运算阶段是皮亚杰认知发展理论的四个关联递进阶段。随着学生年龄增长和认知能力发展的提高,一般来说,高中生身心已经到具体运算阶段和形式运算阶段。教师应设计合理、真实化的问题场景,引导学生对问题进行多方面、多角度思考,训练学生思维品质的深刻性,从而达到培养学生科学思维的目的。

2.自主课堂教学模式的教育理论

自主课堂教学模式教育理念契合建构主义理论发展,主张学生是教学活动的主体。自主课堂教学模式强调学习是一个主动建构并与他人进行互动交流的思维活动过程。这种课堂教学模式不仅要求注重对学习者认知能力的意义构建资源的设计,还应创设与学习者认知水平相适应的情境。教师通过为学生主体创设合适情境,引导学生主体进行自我发现与自主探究,并建立学生主体与知识之间的互动练习,培养学生思维模式。

二、 实施目标

本文主要以人教版高中生物选择性必修二第1章第2节“种群数量的变化”为例,开展自主课堂教学。通过对此知识的学习,引导学生在培养科学思维状况下,了解科学化的学习过程与学习模式,尝试主动进行科学探究学习,逐步学会用科学思维看待问题、建立知识架构,解决问题。同时,针对“种群数量的变化”学科知识,通过自主课堂教学方式引导学生逐渐掌握相关知识内容。

三、 模式实施

1.概况图

自主课堂模式的设计与实施主要以培养科学思维为目标,依据问题提出假设,在探究活动中找出证据。对于课堂的具体开展,主要分为四个环节。首先,以学生已有认知为基础,创设真实教学情境并建立问题表征。其次,以活动作为载体,实施认知操作,引导学生提高对知识的认知能力,同时,从活动中获取学生对知识的了解程度信息,强化活动意义。再次,建立认知结构模型,优化知识结构,培养学生建构能力。同时,将已优化的知识结构反馈给原有的认知结构,更新认知结构。最后,迁移应用,将在生物学科中学到的知识进行迁移,将其应用到其他学科或者领域中,获得重要知识概念,不断提升思维品质。

图1 基于科学思维培养的自主课堂实施模式

2.设计背景

科学思维的培养是教师进行教学设计的目的之一,也是新课改对学生提出的新要求。以学生生活中较为熟悉的酵母菌知识作为探究主题,以“种群数量变化规律”为主线,进行自主课堂教学适合当下课程改革方向。

3.学情分析

酵母菌在生活中的应用较为广泛,例如,馒头、面包的制作,发酵产物的生产等。对于酵母菌的感性认知,学生存在探究种群数量变化的基础,高二学段的学生在认知能力以及学习能力方面发展较为成熟,具有分析与探究的能力,但对实验进行整体探究还缺乏对知识的整体架构能力与科学思考问题能力。设置合理化的开放性问题引导学生进行指向具有生活价值的学习,是十分必要的。

4.教学目标

实施自主课堂模式,教学目标应分层设计,以满足不同层次学生达成不同目标的要求。

(1)学会利用抽样检测法,使用血球计数板对酵母菌进行计数。

(2)通过探究酵母菌种群数量的变化,尝试建构种群数量增长的数学模型,比较分析“J”型曲线与“S”型曲线。(培养归纳与概括、类比分析、模型与建模的思维)

(3)循着“现象—本质—现象”的思路,借助数学模型解释并预测种群数量增长变化趋势。(作出假设,指向开放性思维)

(4)分析影响种群数量变化的因素,正视环境条件对种群数量的影响。(分析归纳,进行批判性思维)

5.具体策略

(1)课前设计——研判学情,摸清思维起点。

陶行知先生认为,教育需要根据学生的一般特点,透过启发性的教育手段,培养和指导他们对特殊活动取得更深了解。对于思维起点的摸索,首先需要了解学生认知能力、学习能力以及思维能力发展现状,应研判学情,依据学生自身状况以及知识特点,进行课堂教学设计。对于学生的发展现状,应适当设置课前环节。可以通过开放性的问题,激发学习兴趣,问题应与学生平时生活中感受到种群数量变化的困惑点相联系,激发好奇心,找到学习关注方向。问题设置还要有引导性和鼓舞性,能在大脑中调试出对“种群数量存在变化”的已有认知范畴,摸清思维起点。

(2)课堂路径——设计活动,促进思维生长。

①创设情境,建立问题表征

陶行知先生认为,教育需要在学生自身的基础上,运用环境的影响,以培养、加强他们的创造力。教学情境是课堂教学的基本要素,创设基于生活的情境,挖掘和利用学生经验,能唤醒生物学科教学向生活回归,切实明白知识的价值。而有价值的教学情境是内含问题的情境,问题才是通向学生思维的大门。教师需要有意识地设计并提出适合学习目标的问题来引领学习特定教学内容。在日常生活中,学生对生物种群的数量变化已有感性认识基础,自然界不同生物种群数量有很大差异,即使在一定区域内同一种群数量也会发生变化。如何去探寻种群数量变化的规律及影响因素是学生的困惑点。酵母菌作为生活必备品,常用于酿酒、制作面包,立足于生活情境,建立问题表征实施教学。

②设计活动,实施认知操作

活动是自主课堂的有效载体,有效的活动可以建立在认知冲突基础上,设计适合学生科学思维能力发展的有益指导和资源,提出建立积极期待的问题串,驱动学生进行复杂水平的认知活动,使学生具有效能和增长性思维,助推思维生长,促进深度理解和学习。具体活动设计如下。

活动1:做出假设,归纳推理,构建“J”型曲线。

提供资料分析:在理想条件下,酵母菌出芽繁殖需要2小时。

问题1:1mL 菌种中含有4×105个酵母菌,向100mL的培养液中接种1mL 菌种,培养6 小时,酵母菌的数量是多少?

问题2:假设酵母菌的初始数量是N0,培养t小时后,酵母菌数量Nt是多少(用数学公式和曲线图表达)?

问题3:酵母菌种群数量出现上述曲线中的变化趋势,需要的条件是什么?

利用问题引导学生思考、分析、归纳酵母菌种群在理想条件下的“J”型增长,赋数学模型予生物学意义。

活动2:分组合作,寻找证据,构建“S”型曲线。

全班分组,分别对不同培养时间的酵母菌种群进行计数,整理数据,绘制曲线,共同构建,归纳概括构建数学模型的步骤。

活动3:分析交流,感悟思考,促进概念理解。

课堂活动设计更重视对相关问题的思考,从学生自己的认知和生物学科视角出发,按照“现象-本质”的逻辑思路精心设计一组有梯度的问题串,使学生成为问题情境角色,培养建构模型、分析问题、解决问题的能力,从而促进学生提高分析与概括、建立模型、批判性思维的能力。

问题1:为什么实验结果没有出现J型增长?

问题2:分析不同培养时间,酵母菌种群数量变化不同的原因是什么?

问题3:酵母菌种群数量变化达到最大后,出现波动的原因是什么?

问题4:如果继续延长培养时间,酵母菌种群数量还能维持相对稳定吗? 请分析原因。

问题5:请分析影响自然界中的种群数量变化的因素有哪些?

③意义建构,优化知识结构

良好的认知方式遵循从真实情境开始,从事实中感知、提取、加工和理解相关内容从而获取知识,新知识通常在旧知识基础上拓展和衍生,彼此有强关联。意义建构的目的在于结构化和系统化知识,帮助学生形成整体观念,深刻理解知识,赋予知识生长力。结构化的知识不仅可以解释自然界奥秘,而且能将学习者带到理解新高度,对学生今后行为方式提供有效指导。目前,思维导图以结构化的图状形式广受接纳。学生根据个人理解,在头脑里创造全景图,建构系统完整的不同框架结构体系,也有利于形成多元的发散性思维模式,提升思维品质。

④迁移应用,获得重要概念

知识的学习应体现出学习的生活价值,创新和应用才是知识的最终使命。自主课堂教学模式从情境中来也回归到生活情境中去,解释实际现象,解决现实问题。知识的迁移可以应用在不同问题条件下解决问题。要将知识学习与个体和公共生活联系起来,加强实践活动,形成积极的态度和正确的价值观。知识也回归生活和改造社会、润养和塑造个体内心及行为,体现出真正的价值和使命。如本节以数学模型描述酵母菌种群数量的变化规律,并受到生物因素和非生物因素制约,通过问题分析,正视环境因素对种群数量的影响。

四、 教学评价

自主课堂的学习具有建构性、情境性、社会性和思维性等特点,属于课程改革所倡导的思维型教学方式。自主课堂设计与实施,学生是积极主动的建构者。教师创设真实教学情境,以“情境—活动—建构—迁移”的策略方式,对知识进行架构,促进学生科学思维发展,同时,让知识内容和思维习惯在深度和广度上得到增长,从而促进学生生物核心素养发展。