建模植物叶的结构，发展学生高阶思维

建模植物叶的结构，发展学生高阶思维

鲁玉珍

浙江省海宁市许村中学 浙江 海宁 314409

内容摘要：建模是一种需要高阶思维积极参与的高阶学习过程，也是特别能发展高阶思维的学习模式，在进行“植物叶的结构”教学中，通过真实情境“激”建模、探究实验“评”建模和解决问题“创”建模等过程，培养分析、评价、创造等高阶思维，以结构与功能观、生物与环境观等生命观念为标准，让学生在分析、评价和创造模型的一个个小细节中深入讨论、互相合作，既领悟生命科学的魅力，又切实地锻炼高阶思维能力，为终身发展奠定基础。

关键词：建模；高阶思维；生命观念；

随着时代的迅猛发展，知识及信息量的迅速增加，社会对人才培养提出了新的要求，这就要求我们不只注重学生知识的积累，更应该注重学生分析问题、解决问题的能力，注重学生创新能力和批判思维能力的培养，因而高阶思维能力应运而生。布鲁姆及其学生安德生把认知水平分为“识记、理解、运用、分析、评价、创造”这六个维度，其中“分析、评价、创造”既为较高维度的认知水平，需要更高阶思维过程的参与（下表1）。国内著名学者钟志贤教授在他的《促进学习者高阶思维发展的教学设计假设》一文中提出“高阶思维需要培养和训练，高阶思维发展需要高阶学习支持”；“而高阶学习在教学模式上属于建构主义学习模式，是以学习者为中心的学习模式，比如：抛锚式教学、开放式学习、基于项目的学习，基于问题的学习等”。

“植物的叶的结构”内容来自于浙教版科学教材八下第四章第5节，在《初中课程标准2011年版》中有明确指出“生命科学的研究对象和内容有利于帮助学生领悟科学探究思想，提高观察、调查、模型建立、实验、数据信息分析等科学探究能力” ；“内容的设计、教材的编写和教学过程应有利于引导学生逐步领会生物体结构与功能的统一、生物体与环境的统一以及进化的观念”，这就要求我们在教学中不仅要完成“对图指认绿色植物的根、茎、叶的结构”这样的低阶目标，还要完成领会以上两个重要生命观念的高阶目标。本节课中学生将在建立蒸腾作用（概念模型）、植物叶的结构、气孔的打开与关闭（物理模型），不同植物上下表皮气孔分布差异模型（数学模型）等过程中达到对高阶思维的不断冲击和挑战。

1. 真实情境“激”建模，培养分析思维

项 目式学习强调以解决真实世界的实际问题为目标，故而情境的设计应该具有真实性以及挑战性的。教师可以让学生在课前让学生到太阳底下去摸一摸树叶表面及其他物体表面，让学生体验到阳光下植物叶片表面温度要远远低于其他物体，再展示当下比较流行的一种“屋顶绿化”，激发学生探秘的欲望。

1. 1. 在情境的启发下辨别科学问题

科学探究的起点就是识别科学问题，科学问题与生活中的实际问题是不一样的，在情景的启发下学生需要唤起自己的已有认知去解释情景中的自然事物，辨别出情境所指向的科学问题到底是什么。在以上情境引导下，学生会经历一系列思维过程，最终指向对于“植物叶的结构与蒸腾作用”的探析。

1. 2. 在经验的积累中组织学习要素

建构主义教学认为学生学习不是简单的传递，而是在已有的知识经验基础上主动建构和改造知识的过程。对于学生的各个要素，应该让学生在充分交流合作的基础上自己去组织安排，教师应积极转变观念，通过各种方式引导学生自主构建内化知识。在科学问题“植物叶的结构”指导下，学生会在教师的引导下在宏观与微观两个层面进行探讨:宏观上研究植物水分散失的意义及影响因素，微观上研究叶片的结构（细胞层次）。那么课本中那些探究活动的设计才会显得有价值、有意义。

1. 3. 在材料的分析中归因核心概念

学生从观察、实验、调查等过程所获得的材料是一手的，表象的，这时候就需要学生自己去分析这些材料所揭示的事物本质，寻求合理的解释。比如，在观察到“将植物的叶用塑料袋包起来放在阳光下出现水珠”现象之后，教师通过如右图问题链引导学生分析“蒸腾作用”的内涵。再结合书本材料蒸腾作用的意义、联系情境，学生对“蒸腾作用”这个核心概念的认识才逐渐接近本质，初步建立起一个系统化的“蒸腾作用”概念模型。

2. 探究实验“评”建模，培养批判思维

模型可以是一个事物的替代品，也可以是一幅图、一张表格，还可以是一个公式、一个计算机动画，在学生已有的学习资料中，其实已经有了较多的的现成模型，教师要充分利用好这些素材，让学生运用观察、实验等获得的真实证据审视模型、解读模仿、比较评论，以使得学生养成不盲从权威的习惯，逐步锻炼批判性思维。

1. 1. 科学态度检验建模过程

课标指出“可验证性是科学与伪科学的重要区别之一，科学强调和尊重经验事实对科学理论的检验”，当学生进行了一系列的探究活动之后，在交流之前首先要对自己的研究过程进行一定的审视检验，这是一种以自评反思为主的思维过程，体现元认知的过程。教师的作用就是要通过一定的手段让这个过程习惯化、显性化，从而在与别人的交流中不断改善、不断进步。课堂自评表就是一种很有效的方式（见表2）。

表2：

1. 2. 生命观念评论现有模型

对于生物模型来说，评价的标准除了客观事实之外，更应具备相应的生命观念。在最新版高中生物课程标准中对生命观念的界定是“对观察到的生命现象及相互关系或特性进行解释后的抽象，是人们经过实证后的观点，是能够理解或解释生物学相关事件和现象的意识、观念和思想方法。如结构与功能观、进化与适应观、稳态与平衡观、物质与能量观等；”以书本图4-37“叶的结构示意图”为例，对其评论可类似于表3进行。

表3：以“结构与功能观”为核心标准评价书本图4-37

图上已经表现的结构特点	功能
表皮排列紧密	保护
保卫细胞成对出现，中间有气孔	可以散失水分，是气体进出的门户
叶脉呈管状贯穿其中	运输和支撑
……
图上没有表现的结构特点	功能
表皮细胞无色透明	便于光的透过
叶肉细胞呈现绿色，含有吐绿体	进行光合作用
陆生植物下表皮气孔多于上表皮	防止过度失水
……

在这样的评论过程中，学生仿照已有的模型自我建模，通过自己的探究活动提出不足之处，既加深了对事物本质理解，又培养和锻炼了批判性思维。

3. 解决问题“创”建模，培养创造思维

高尔基说：“如果学习只在模仿，那么我们就不会有科学，也不会有技术”。心理学认为：创造思维是指思维不仅能提示客观事物的本质及内在联系，而且能在此基础上产生新颖的、具有社会价值的前所未有的思维成果。 创造性思维是在一般思维的基础上发展起来的，它是后天培养与训练的结果。卓别林为此说过一句耐人寻味的话：“和拉提琴或弹钢琴相似，思考也是需要每天练习的。”要发展和培养创造思维，那么就一定要给予学生充足的创造空间，让学生自己动手制作模型就是一种非常有意义的创造性活动。

1. 1. 在评价基础上生成建模假设

首先，我们得承认任何已有的模型都不是完美的，也不一定是最适合解决当前问题的。前文对于现有模型的评价指出了学生自我建模的方向与假设，如书本叶的结构示意图模型，在评价的基础上，学生提出了可以将上下表皮改成透明、上下表皮的气孔分布应该有所不同等改进建议，更有学生提出直接做成立体模型会更为直观。而在制作立体实物模型的材料讨论中，学生就会发散思考、集思广益，迸出很多新点子、新花样来。这些就是发明创造的新起点，就像因斯坦的“狭义相对论”是从他幼时幻想人“跟着光线跑，并能努力赶上它”一样具有伟大意义。

1. 2. 在合作讨论中规划建模方案

有了建模的假设，不落于实处，那么就还只是幻想，不能定义为创造。故而，按照一定的逻辑进行方案的规划也是必不可少的。戴尔·麦康基说 “计划的制定比计划本身更为重要。”在这个过程中，学生又将要经历如表4所示的思维过程，在这个过程中也促进了社会责任感的培养。

表4：规划建模方案

1. 3. 在 创造制作中解决实际问题

科学课程标准指出科学课程是以培养学生科学素养为宗旨的一门学科，是以“合理地解决个人生活、工作和社会决策中所遇到的问题，以及终身发展奠定基础”为方向的，我们的建模教学过程除了培养学生高阶思维能力之外，最终是为学生解决实际问题服务的。通过学生自己动脑、动手创造制作出来的模型才能真正帮助学生自己去解决问题（如右图）。

当学生通过建模过程真正建构了有关“植物叶的结构模型”和“蒸腾作用”的概念后，对于“大树底下好乘凉”、“为什么光合作用速率在中午左右会有所下降”等问题就有了很好的解释与回答，而类似于设计“屋面蓄水种植降温系统”的创意也就不属于异想天开了。

值得指出的是，一节科学课要全部完成以上建模的各个环节是不可能的，但是我们完全可以在某一个环节把建模理念渗透其中，以结构与功能观、生物与环境观等生命观念为标准，让学生在分析、评价和创造模型的任何一个小细节中深入讨论、互相合作，既领悟生命科学的魅力，又切实地锻炼高阶思维能力，为终身发展奠定基础。

参考文献：

[1]义务教育初中科学课程标准[M]. 北京师范大学出版社，中华人民共和国教育部，2011

[2] 普通高中生物学课程标准（2017年最新修订版）[M]. 北京师范大学出版社，中华人民共和国教育部

[3]沈希. 初中科学学科中高阶认知能力培育的实践研究[D].上海师范大学,2019

[4]黄胡燕. 初中科学教科书中“光合作用”科学模型之建模历程研究 [D].杭州师范大学,2018

[5]钟志贤.促进学习者高阶思维发展的教学设计假设 [J].电化教育研究,2004 .12

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