基于科学思维培养的“问题任务概念”式教学设计

摘要：在“减数分裂和受精作用”第一课时的教学中，以前概念有丝分裂导入，通过问题任务活动的设置，引导学生初步建构减数分裂新概念。在此基础上，逐级递进问题任务活动探究深度，引导学生通过物理模型对减数分裂各时期图像进行排序、分类、辨析。在分析问题和解决问题的过程中，学生可自主生成减数分裂的概念并将其与前概念进行整合，以此提升学科核心素养。关键词：科学思维问题任务概念教学设计《普通高中生物学课程标准》（2017年版2020年修订）中提道：“科学思维是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。”作为生物学核心素养四大要素之一的“科学思维”素养是生物学核心素养“能力”因素的关键部分。它既要以概念为思维的细胞，又是辅助概念形成的工具，并与生命观念、科学探究和社会责任素养的达成有密切联系。一、基于科学思维培养的“问题任务概念”式教学模式简介“问题任务概念”式教学模式是利用“问题”引领课堂教学，利用“任务”驱动学生的主动学习，从而建构新的生物学“概念”，最终完成教学任务，发展学生科学思维的一种课堂教学模式。其教学模型如图1所示。在高中生物学学科教学中，教师可将教学设置成三个环节：创设问题情境、布置任务活动和总结评价阶段。该教学模式的运用能够很好地发挥学生的主观能动性，以问题和任务带动新概念的自主构建，发展学生创造性思维、批判性思维和逻辑性思维等。总结评价环节既可以对学生学习效果进行及时反馈，又可以帮助教师对本节课的教学效率做进一步的反思和改进。二、基于科学思维培养的“问题任务概念”式教学设计（一）教材分析和设计思路“减数分裂和受精作用”是人教版高中生物学必修2第2章的内容，包括减数分裂和受精作用两小节，其中减数分裂分两个课时完成，笔者以第一课时减数分裂概念的构建为重点阐述对象。本章有关减数分裂的内容，与《分子与细胞》模块中染色体的物质组成、细胞增殖、有丝分裂等内容有密切的联系，同时进一步解释第1章孟德尔遗传规律的实质，也是第3章基因的本质的学习基础。因此学生对于减数分裂概念的顺利构建是本节课的重点也是难点。在学习减数分裂时学生已经了解了有丝分裂等相关前概念，并且具有模型构建的直观前体验。笔者在教学设计时，以前概念即有丝分裂导入，通过问题任务活动的设置，以任务驱动引导学生初步建构新概念，即减数分裂。所谓“任务驱动”，指的是教师在开展教育活动时，从构建主义理论视角，深入剖析教学目标，并将其打造成可行性较高的教学任务，以此帮助学生在巩固以往认知体系的同时，创设出全新的知识体系，同时强化学生的创造意识与探究能力。在初识概念的基础上，逐级递进问题任务活动探究深度，引导学生通过物理模型对减数分裂各时期的图象进行排序、分类、辨析，提升学生的科学思维，使其主动构建减数分裂新概念。（二）教学目标基于高中生物学课程标准的内容要求、学业要求，围绕培养学生核心素养的要求，针对第一课时制订了如下教学目标，见表1。（三）教学过程1.课前准备教师依据2019年版新人教版生物学教材必修2第2章内容，提前用白底硬纸板绘制好减数分裂各时期彩色图像（包括减数第一次分裂前的间期、减Ⅰ前期、中期、后期、末期和减Ⅱ前期、中期、后期、末期），不标注具体时期及细胞名称。为了使图像更加清晰易懂，在绘制时选择含有两对同源染色体的初级精母细胞来讨论其分裂过程，来自父方的染色体用蓝色表示，来自母方的染色体用红色表示。课前通过班级钉钉群提前布置学生复习前概念有丝分裂的相关内容，并线上完成学习任务单上的课前任务。2.温故知新，前概念导入教师根据学生线上完成的课前任务情况，利用希沃白板展示有丝分裂各时期图像，并设置问题串：①真核细胞有丝分裂分为哪几个时期呢？②这几个时期是通过什么特征来进行区分的呢？③有丝分裂过程中亲代细胞和子代细胞染色体数目有什么关系吗？有什么意义呢？④是不是所有的细胞分裂后都能保持这种稳定性呢？在最后一个问题的基础上，展示人体胚胎发育过程图，并进一步提问：⑤人体胚胎的发育起点是什么？⑥受精卵经过什么样的过程能够发育成完整胚胎呢？⑦这里的分裂指的就是体细胞进行的有丝分裂，能够保持遗传的稳定性。那么受精卵又是从哪里来的呢？⑧请大家推测精子和卵细胞中的染色体数目是否还与体细胞一致，为什么？设计意图：依据课前线上学情反馈，通过设计层层递进的问题串来复习前概念有丝分裂，并引导学生从胚胎发育的整体宏观层面，理解个体发育起点是细胞，而细胞并不全是由老细胞分裂产生，并不都能保持遗传的稳定性，能够批判性地进一步认知细胞学说的内容。激励学生大胆思考、敢于作出假设，并通过问题串来实现学生思维能力的逐步进阶。3.学前准备，夯实基础教师利用希沃白板展示图2，并提出问题：①染色体的数目我们是通过什么来判断的呢？②图片中第1排依次表示几条染色体、几对染色单体、几个DNA分子呢？请进一步分析第2排中染色体、染色单体和DNA的数目情况。设计意图：本环节的设计旨在引导学生回顾染色体和DNA的相关知识，厘清染色体和DNA的关系，为后续减数分裂过程中染色体的行为变化奠定基础。打破学生对于染色体形态的思维定式，引导学生了解多数真核生物的染色体通常只有一个着丝粒，着丝粒的位置并非固定在染色体的中心，着丝粒可以分布在染色体上的各个位置，包括染色体的末端。引导学生认同染色体的着丝粒的位置不一定都在中间着丝，有可能是端着丝或近端着丝，提升学生批判性思维能力。4.分层次探究减数分裂的过程【活动1】初步讨论精子的形成过程，生成重要概念。问题串：①什么是同源染色体？何为联会？联会现象发生在什么时期？②什么是四分体？四分体中染色体互换的部位和时期。③精子的形成过程中共发生几次分裂？涉及几种细胞名称？每次分裂染色体的关键行为是什么？④人体的X、Y两条性染色体形态差异较大，但在减数分裂过程中依然能够联会，说明什么？学生用5分钟的时间来快速地阅读课本相关知识和分析减数分裂图像，探究这4个问题。在学生探究的基础上，教师利用图片引导学生进一步批判性认识同源染色体联会形成四分体的过程（图3）。设计意图：通过初步的概念构建，引导学生找到两次分裂染色体的关键行为。学生在活动中解决问题，围绕中心问题展开讨论，帮助学生提升科学思维和团队合作精神。学生通过A、B、C图像纠错和进行问题分析，辩证地认识同源染色体和四分体的概念，认同C图像符合同源染色体的特征，即形态大小一般都相同，一条来自父方，另一条来自母方。另外补充人体23对染色体形态结构图示，引导学生注意X、Y两条性染色体，虽然形态差异较大但仍能在减数分裂过程中配对。通过特例分析帮助学生构建更加系统全面的新概念体系，透彻理解同源染色体的概念，通过对相关图示问题进行分析，发展学生逻辑性科学思维。【活动2】深度分析减数分裂过程，提升科学思维能力。任务串：①请同学们将减数分裂各时期图像进行排序。假设现在大家是减数分裂过程中各个时期的细胞代表，请9位同学上来随机抽取自己的图像，按减数分裂顺序找到自己的准确位置，从精原细胞开始自行站成一排，双手举起细胞图像，面向其他同学。待上来的9位同学完成排序后，其他同学来评价他们的站队位置情况是否合理。②请尝试区分哪些图像含有同源染色体。这9位同学，如果你们认为自己所代表的细胞中含有同源染色体，请你站在老师的左侧；如果你们认为自己所代表的细胞中不含同源染色体，请你站在老师的右侧。③请对比分析两次分裂各时期图像的区别。首先请减数第一次分裂前期和减数第二分裂的同学代表出列，站在前面，请这两位同学说说如何来区分两个前期。以此类推，减Ⅰ中期和减Ⅱ中期的细胞有何异同？减Ⅰ后期和减Ⅱ后期呢？减Ⅰ末期和减Ⅱ末期呢？设计意图：通过三个难度逐渐升级的任务，引导学生进一步深化理解减数分裂的过程以及染色体的行为变化特征。第一个任务是对减数分裂各时期图像进行排序，让学生初步体验减数分裂的几个时期染色体的变化情况，认同减数分裂是一个动态变化的过程。第二个任务让学生进一步分析图像中同源染色体的分布情况，是对活动1的升华，进一步生成同源染色体的概念。第三个任务是要求学生不仅能够识别相应的图像，而且能够对染色体行为特征进行对比分析。学生在模型构建过程中可能会出现分歧，教师引导学生分析问题并通过小组讨论解决问题，实现新概念的升华构建，在“问题任务概念”教学模式过程中评价学生学习成果，提升学生科学思维能力，发展学生生物学科核心素养。5.归纳总结，思维拓展教师在学生分层次探究活动的基础上进行总结评价，并逐步展示精子形成过程示意图。学生在此基础上自主归纳减数分裂的概念，并据图分析减数分裂过程中染色体和核DNA数目的变化情况，理解减数分裂的实质和意义。学生课后根据学习任务单的任务要求，通过班级钉钉群线上完成卵细胞的形成过程示意图的绘制，并与精子形成过程进行比较，完成减数分裂过程中染色体和核DNA数目的数学模型构建，线上提交。在下一节课进行课堂线下成果展示。设计意图：学生通过归纳总结进一步巩固概念，并且通过绘图的方式自主学习卵细胞的形成过程，加深了对减数分裂过程的认识，提升了动手能力和科学思维能力。分组完成染色体和核DNA数目的变化曲线图绘制，有利于培养学生的团队合作精神和逻辑性思维能力。在绘制结果展示时，也可能会出现不同的变化趋势的曲线图，引导学生进行组间思维碰撞，讨论出现分歧的内在影响因素，提升其批判性思维能力。（四）教学反思在本节的教学中，笔者采用“问题任务概念”式教学模式作为统领本节的教学主线，过渡自然流畅，逻辑清晰严谨，能够激发学生激烈讨论，深化概念构建，提升学生科学思维能力，课堂氛围非常活跃，课堂效果可观。充分利用现代教育技术，采用线上线下的“双线混合式”教学策略，将生物学事实性等事实知识、新概念学习需要的已有知识在课前通过学习任务单的形式让学生线上预习完成，课堂上教师着力通过两个教学活动，即活动1（初步讨论精子的形成过程，生成重要概念）和活动2（深度分析减数分裂过程，提升科学思维能力）的设置由浅入深，层层递进，引导学生逐步构建新概念，发展学生科学思维。尤其是活动2中三个小任务的巧妙设置，解决了学生容易混淆的问题，如同源染色体的辨析、图像对比分析、染色体和核DNA数目变化等。课后学生再通过线上任务完成数学模型的构建，进一步升华了对减数分裂中染色体和核DNA行为变化的理解。笔者对三个班级的学生进行了课堂试验，在进行活动1时，通过三个图像对比分析和人体性染色体对比图，学生能够清晰地理解同源染色体的概念，并能较快掌握同源染色体相关的图像辨析。学生进行活动2深层次探究活动时，对于减数分裂各时期图像的排序表现出极大的兴趣，积极报名参与，其他同学也全身心投入评价的行列中。尤其是两两图像对比分析阶段，学生表现出了较好的语言表达能力和逻辑推理能力。每个班级的图像