基于高阶思维模式的高中生物学问题情境教学探究

摘要：在教育改革不断深化的背景下，培养学生的高阶思维能力已成为高中生物学教学的重要目标。高阶思维，如批判性思维、创造性思维、问题解决能力等，是学生适应未来社会、实现终身发展的关键能力。而问题情境教学作为一种有效的教学策略，通过创设具有启发性、挑战性的问题情境，能够激发学生的学习兴趣，引导学生主动思考、深入探究，为高阶思维能力的培养提供有力支撑。

关键词：高中生物学；高阶思维模式；问题情境教学；教学实践探究

引言：在高中生物学教学实践中，传统教学方式往往侧重于知识灌输，学生多处于被动接受状态，高阶思维能力培养不足。而高阶思维模式，如分析、综合、评价、创造等思维，对学生深入理解生物学知识、提升学科素养至关重要。问题情境教学为改变这一现状提供了有效途径。通过创设贴合生活实际、具有启发性的问题情境，能迅速吸引学生的注意力，激发他们主动探索的欲望。因此，深入探究如何将高阶思维模式有效融入高中生物学问题情境教学，优化教学实践，提高教学质量，成为当下亟待解决的问题。

一、高阶思维模式的内涵

高阶思维模式是指个体在认知过程中超越简单的记忆与理解，通过分析、综合、评价和创造等复杂认知活动对信息进行深度加工的心理过程，其核心特征包括批判性思维、系统性思维、多元认知调控以及创造性问题解决能力。从认知心理学视角来看，高阶思维并非孤立的能力集合，而是建立在布鲁姆认知目标分类学中"分析－评价－创造"层级上的动态认知结构，强调个体在新情境中主动建构知识网络、质疑既有结论并生成创新解决方案的能力。在教育学领域，高阶思维模式尤其关注学习者的概念迁移能力，即能够将学科知识灵活应用于真实世界的复杂问题，如生物学中的科学论证、模型构建或社会性科学议题的决策分析。从神经科学的角度而言，高阶思维的神经基础涉及前额叶皮层与默认模式网络的协同激活，体现为对认知冲突的调节和对抽象概念的整合能力。当前教育研究强调，高阶思维的发展需依托情境化学习环境，通过设计具有挑战性的劣构问题，促使学习者在认知失衡中实现思维进阶，而生物学学科特有的实验探究性、概念层级性及伦理思辨性，使其成为培养高阶思维的重要载体。因此，深入探讨高阶思维模式的内涵，不仅有助于揭示深度学习的认知机制，也为核心素养导向的教学改革提供了理论依据[1]。

二、问题情境教学的定义

问题情境教学是一种以真实或模拟的问题情境为载体，通过激发学生认知冲突、引导探究实践来促进知识建构与思维发展的教学模式，其本质在于将学科知识嵌入具有挑战性、开放性和社会关联性的情境中，使学习过程从被动接受转向主动问题解决。从建构主义理论视角看，问题情境教学强调学习者在社会文化环境中的意义建构，教师通过精心设计包含矛盾事件、两难抉择或未解科学问题的情境，促使学生运用已有认知结构进行假设验证、证据分析和方案优化，从而实现概念转变与能力迁移。该教学模式区别于传统讲授式教学的关键特征在于：其一，情境的"真实性"，即问题来源于科学实践或社会生活的复杂场景，如生态系统稳定性分析与环境保护决策的关联；其二，任务的"驱动性"，通过劣构问题设计打破简单问答模式，要求整合多学科知识进行系统性思考；其三，过程的"探究性"，学生需经历问题识别、信息筛选、模型构建到结论反思的完整科学实践过程。在生物学教育中，问题情境教学尤其注重科学思维与社会责任的协同培养，例如在"碳中和"议题中分析光合作用效率提升的生物学方案时，学生不仅需要理解光反应与碳反应机理，更要评估技术应用的生态伦理影响[2]。

三、基于高阶思维模式的高中生物学问题情境教学策略

（一）紧扣核心概念设计阶梯式问题链，促进高阶思维递进发展

在高中生物学教学中，高阶思维的培养依赖于教师对核心概念的深度挖掘与结构化设计，而阶梯式问题链的构建能够有效引导学生从低阶认知向高阶思维递进。以必修1《分子与细胞》中“细胞的能量供应与利用”为例，该模块涉及ATP的功能、细胞呼吸与光合作用等核心概念，教师可围绕“细胞如何高效利用能量”这一主线，设计由浅入深的问题链，驱动学生逐步完成从事实记忆到科学建模的思维跃迁。

初始层级的问题聚焦基础概念的理解与辨析，例如“ATP的结构特点如何适应其作为能量通货的功能？”该问题要求学生分析腺苷三磷酸的高能磷酸键特性，并关联教材中“ATP-ADP循环”的图示，从分子结构层面解释能量储存与释放的机制。这一阶段的目标是夯实学生的概念基础，为后续复杂问题的解决提供支撑。进阶层级的问题需引导学生整合多模块知识，例如“有氧呼吸的三个阶段如何实现能量的逐步释放与高效利用？”学生需结合线粒体结构与酶的作用特点，阐释糖类分解过程中NADH与FADH2的生成机制，并联系化学渗透假说说明ATP合成的驱动力来源。此类问题要求学生超越孤立事实的记忆，建立跨章节知识的逻辑关联，体现分析综合能力[3]。

高阶问题的设计应指向真实情景中的科学探究与决策评价。例如，教师可提出“在农业生产中，如何通过调控环境因素提高温室作物的光合作用效率？”该问题需要学生综合光合作用的光反应与暗反应条件，分析温度、光照强度、CO2浓度等因素的协同影响，并基于实验数据提出优化方案。学生可能进一步探讨C3与C4植物对高温环境的适应性差异，甚至引入基因工程改造Rubisco酶活性的可行性。此类问题不仅考查学生对生物学原理的深度理解，更要求其运用模型与证据进行科学论证，体现创新思维与社会责任意识。

问题链的设计需遵循认知发展的内在规律，从概念解析到系统整合，最终导向实践创新。新人教版教材中“探究·实践”栏目提供的实验案例，如“探究酵母菌细胞呼吸的方式”，可作为问题链的实践延伸。教师可引导学生对比有氧与无氧呼吸的产物差异，进而探讨酿酒工业中酵母菌发酵条件的控制策略。通过实验数据的收集与分析，学生能够验证理论假设，并在真实问题中体会科学研究的严谨性。这种阶梯式的问题链不仅契合教材的知识框架，更通过层层递进的认知挑战，推动学生思维从低阶记忆向高阶创造稳步发展，最终实现生物学核心素养的全面养成[4]。

（二）融合生活实际创设真实问题情境，激发高阶思维应用意识

生物学知识源于生活又服务于生活，当教材中的概念与学生的生活经验产生共鸣时，科学思维的火花便会被点燃。以必修1《分子与细胞》中"细胞呼吸"相关内容为例，教师可以围绕"运动时的能量代谢"这一生活情境，设计一系列具有挑战性的探究任务。学生在分析不同运动强度下肌肉细胞的能量供应方式时，需要理解有氧呼吸与无氧呼吸的转换机制，这种将抽象概念与切身感受相结合的教学设计，能够有效唤醒学生的求知欲望和探究热情。

真实问题情境的创设关键在于抓住生活现象中的认知冲突点。在讲解"酶的特性"时，教师可以引入"家庭使用加酶洗衣粉"的生活案例，提出"为什么包装上标注要用温水洗涤"的疑问。这个问题看似简单，却需要学生综合运用酶活性受温度影响的知识来解释。更深入地分析可以引导学生思考：不同季节水温变化如何影响洗涤效果？某些洗衣粉标注的"低温高效"又是通过什么技术实现的？通过层层剖析日常生活中的科学原理，学生不仅掌握了酶的特性这一核心概念，更培养了运用生物学知识解决实际问题的能力。这种教学方式将教材中的静态知识转化为动态的思维过程，使学习更具现实意义[5]。

在必修3《稳态与调节》"免疫调节"的教学中，教师可以创设"疫苗接种方案制定"的模拟情境。学生需要根据教材中关于特异性免疫的知识，分析不同种类疫苗（如灭活疫苗、mRNA疫苗）的作用机制差异，并讨论接种剂次间隔时间的科学依据。这种情景模拟要求学生整合免疫系统的组成与功能、二次免疫应答等知识，对信息进行系统分析和综合判断。在讨论过程中，学生可能会发现教材知识与现实防疫政策之间的关联与差异，这种认知冲突正是激发深度思考的契机。通过这样的真实情境任务，学生的高阶思维能力在分析、评价和创造的过程中得到充分锻炼。

（三）借助生物科学史构建探究性问题情境，培养高阶思维批判能力

在高中生物学教学中，生物科学史的真实探究历程能够为学生提供批判性思维训练的天然情境。如“植物生长素的发现”“DNA是遗传物质的探索历程”等，这些内容为教师设计探究性问题链、培养学生高阶思维提供了丰富资源。以必修1《分子与细胞》中“细胞膜的结构与功能”为例，教师可围绕“科学家如何逐步揭示细胞膜的分子组成”这一核心问题，构建基于科学史的情境探究任务，引导学生像科学家一样思考、质疑与论证。

科学史情境的构建关键在于还原历史争议点，激发认知冲突。在讲解“细胞膜流动镶嵌模型”时，教师可以重现20世纪初的科学争论：欧文顿通过脂溶性实验提出膜由脂质组成，但随后的化学分析显示膜上存在蛋白质，这与脂质单层模型矛盾。教师可提出问题：“如果细胞膜仅由脂质构成，如何解释蛋白质的存在？”学生需要分析实验数据的局限性，思考新的假说。这一过程模拟了科学家的思维困境，促使学生跳出既定结论，重新评估证据的可靠性。更深入的探究可引入丹尼利和戴维森的“三明治模型”与后来的冰冻蚀刻电镜观察结果的矛盾，引导学生讨论：“电镜图像显示膜蛋白并非均匀覆盖，而是镶嵌分布，这对原有模型提出什么挑战？”通过对比不同时代的实验技术局限与突破，学生能够理解科学模型的动态发展本质，培养基于证据的批判性思维[6]。

在必修2《遗传与进化》“DNA是遗传物质的证据”教学中，教师可呈现艾弗里的肺炎链球菌转化实验未被立即接受的史实，提出问题：“为什么艾弗里的结论在当时遭遇质疑？”学生需要从科学认知的历史背景出发，分析蛋白质作为遗传物质的传统观念如何影响科学共同体的判断。进一步讨论可引入赫尔希和蔡斯的噬菌体标记实验：“放射性同位素标记技术如何解决了蛋白质与DNA之争？”这种设计不仅让学生理解实验技术的进步如何推动科学认知，更引导其反思科学结论的临时性与可证伪性，这正是批判性思维的核心要素。生物科学史的教学价值不仅在于传递知识，更在于呈现科学思维的动态性与批判性。通过精心设计的探究性问题链，教师能够将静态的史料转化为生动的思维训练场，让学生在科学争议的还原中体验质疑、论证与创新的完整过程。这种教学模式契合新人教版教材“科学本质”的教育理念，为发展学生的高阶思维能力提供了有效路径。

（四）利用生物实验创设开放性问题情境，提升高阶思维创新能力

在高中生物学教学中，实验不仅是知识的验证工具，更是思维创新的孵化器。以必修1《分子与细胞》中“探究植物细胞的吸水和失水”实验为例，传统教学往往局限于验证质壁分离现象，而开放性问题情境的构建能够将该实验转化为培养学生高阶思维能力的平台。教师可提出“如何利用植物细胞质壁分离原理解决农业中的实际问题”，引导学生从实验现象出发，延伸至真实问题的创新解决方案[7]。

开放性问题情境的设计需突破教材实验的固定框架，引入变量调控与多因素分析。在“探究pH对酶活性的影响”实验中，教师可创设“某食品厂需要优化木瓜蛋白酶处理肉类的工艺”的情境，要求学生设计实验探究温度、pH、酶浓度等多因素的协同作用。学生需要基于教材中单一变量实验的基础，自主构建多因素正交试验方案，分析不同条件下酶活性的变化规律，最终提出工艺优化建议。这种设计将验证性实验升级为探究性任务，学生不仅需要理解酶的特性，还需综合运用控制变量法、数据统计等科学方法，体现分析、综合与创新的高阶思维过程。

在选择性必修3《生物技术与工程》“DNA的粗提取与鉴定”实验中，教师可引入“犯罪现场微量DNA样本的提取与富集”的模拟法医情境。学生需要思考：当样本量极少时，如何改进教材中的提取方案？是否可以采用硅胶膜吸附法替代酒精沉淀？如何设计对照试验验证提取效率？这些问题没有标准答案，学生需查阅文献、比较不同方法的优缺点，最终形成个性化的实验方案。在此过程中，学生的高阶思维能力在问题界定、方案设计、证据评估等环节得到系统性锻炼，科学探究从模仿走向创新。当学生面对没有预设答案的实验问题时，他们的思维才能真正突破认知边界，在探索未知的过程中实现从知识使用者到问题解决者的转变，这正是高阶思维培养的终极目标。

结束语

综上所述，在高中生物学教学中，基于高阶思维模式的问题情境教学策略有着不可忽视的价值。通过紧扣核心概念设计问题链、融合生活与科学史创设情境、借助实验开展探究、组织小组合作交流等方式，能有效激发学生的思维活力，培养其批判性、创造性等高阶思维能力。这不仅有助于学生深入理解生物学知识，更能提升他们解决实际问题的能力，为未来发展奠定坚实基础。

参考文献:

[1]黎江娃.基于高阶思维模式的高中生物学问题情境教学探究[J].新教育,2025,(04):49-50.

[2]刘静,戴仕武,刘欣颜.指向问题解决能力培养的高中生物学情境教学探索[J].生物学通报,2024,59(12):34-36.

[3]王婷.问题情境在高中生物学一轮复习中的应用研究[D].西南大学,2024.

[4]羌玉霞.基于SOLO分类理论的高中生物学情境教学中问题创设研究[D].扬州大学,2023.

[5]钟碧瑾.高中生物学教学中运用情境教学模式培养学生问题解决的能力[J].高考,2022,(22):127-130.

[6]杜晓静.基于问题情境的生物学教学对高中生发散思维的影响研究[D].贵州师范大学,2021.

[7]徐海伟.驱动深度学习的高中生物学主题式情境教学研究[J].教学管理与教育研究,2024,9(13):43-46.