基于CDIO模式培養(yǎng)高中生創(chuàng)造性思維的實(shí)踐研究

摘 要：目前CDIO模式主要應(yīng)用在高等教育和工程教育領(lǐng)域，本研究嘗試將CDIO模式引入高中生物教學(xué)，以真核細(xì)胞的3D建模為基礎(chǔ)，通過“概念構(gòu)思”“教學(xué)設(shè)計(jì)”“教學(xué)實(shí)施”“教學(xué)評(píng)價(jià)”四個(gè)步驟將抽象的知識(shí)具體化和形象化，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維

能力。

關(guān)鍵詞：CDIO；教學(xué)模式；創(chuàng)造性思維；制作模型

隨著生物技術(shù)的迅速發(fā)展，生物學(xué)在科學(xué)領(lǐng)域中的地位日益重要。創(chuàng)造性思維是指以新穎、獨(dú)特、富有創(chuàng)造性的方式解決問題的思維過程。在新課程標(biāo)準(zhǔn)背景下，高中生物摒棄了傳統(tǒng)的“以成績?yōu)橹鲗?dǎo)”的教學(xué)模式，基于核心素養(yǎng)的教學(xué)理念，在教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施過程中加入“學(xué)生本位”思想，力求在突出學(xué)生個(gè)性化發(fā)展的基礎(chǔ)上來達(dá)到生物核心素養(yǎng)教育的本質(zhì)?？茖W(xué)思維作為生物學(xué)核心素養(yǎng)之一，重點(diǎn)發(fā)展了學(xué)生在真實(shí)問題情景中認(rèn)識(shí)事物與解決問題的思維習(xí)慣。CDIO是 Conceive（構(gòu)思）、Design（設(shè)計(jì)）、Implement（實(shí)現(xiàn)）、Operate（運(yùn)行）四個(gè)單詞的縮寫，是一種流行的工程教育模式，該模式強(qiáng)調(diào)以構(gòu)思到運(yùn)行的整個(gè)產(chǎn)品周期為載體，借助工程項(xiàng)目實(shí)踐，讓學(xué)生獲得一體化的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)并強(qiáng)化工程知識(shí)與解決問題的能力，強(qiáng)調(diào)通過實(shí)踐項(xiàng)目培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和解決問題的能力。本研究嘗試將CDIO模式引入高中生物教學(xué)，以真核細(xì)胞的三維模型制作為載體，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

CDIO教學(xué)模式可分解為學(xué)習(xí)的六個(gè)環(huán)節(jié)：選定項(xiàng)目、制訂計(jì)劃、活動(dòng)研究、作品制作、成果交流與活動(dòng)評(píng)價(jià)。在生物教學(xué)中，教師根據(jù)課程目標(biāo)和學(xué)生實(shí)際情況選定合適的項(xiàng)目，如真核細(xì)胞的三維模型制作。在制訂計(jì)劃階段，教師引導(dǎo)學(xué)生制訂合理、可行的計(jì)劃，確保項(xiàng)目的順利進(jìn)行。在活動(dòng)研究階段，教師鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)，通過查閱資料、討論交流等方式深入了解真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能。在作品制作階段，教師指導(dǎo)學(xué)生制作高質(zhì)量的模型，將抽象的知識(shí)具體化、形象化。在成果交流階段，教師組織學(xué)生進(jìn)行有效地展示和交流，讓學(xué)生分享自己的制作經(jīng)驗(yàn)和成果。在活動(dòng)評(píng)價(jià)階段，教師制訂科學(xué)、合理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)學(xué)生的作品進(jìn)行評(píng)價(jià)和反饋。

一、設(shè)計(jì)思路

本文介紹了一種以CDIO模式為基礎(chǔ)的“模型創(chuàng)作”綜合活動(dòng)課。從教學(xué)任務(wù)入手，圍繞“課題”或“問題”展開，重點(diǎn)解決“工具資源”“學(xué)習(xí)活動(dòng)過程”“學(xué)習(xí)支架”“評(píng)估”四個(gè)環(huán)節(jié)。在教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)能力得到了提升，知識(shí)結(jié)構(gòu)得到了加強(qiáng)，并作出了相應(yīng)的評(píng)價(jià)。

二、教學(xué)背景分析

（一）課程標(biāo)準(zhǔn)及教材分析

本節(jié)內(nèi)容是人教版高中《生物必修1分子與細(xì)胞》第3章《細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)》中的一節(jié)生物模型制作實(shí)驗(yàn)課，也是高中階段第一節(jié)模型制作實(shí)驗(yàn)課?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版2020年修訂）【學(xué)業(yè)要求】明確指出：構(gòu)建并使用細(xì)胞模型，闡明細(xì)胞各部分結(jié)構(gòu)通過分工與合作，形成相互協(xié)調(diào)的有機(jī)整體，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞水平的各項(xiàng)生命活動(dòng)。在本節(jié)課進(jìn)行之前，學(xué)生已經(jīng)對(duì)細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)和功能有所了解，這也為本節(jié)課的學(xué)習(xí)提供了一定的理論基礎(chǔ)。

（二）學(xué)情分析

通過前三章的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對(duì)細(xì)胞的基本構(gòu)造和功能有了一個(gè)初步的了解，并有了一定的認(rèn)識(shí)。然而，學(xué)生目前尚缺少對(duì)細(xì)胞微結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)識(shí)，不能很好地認(rèn)識(shí)各單元間的相互關(guān)系，也不能很好地把握細(xì)胞的結(jié)構(gòu)－功能一體化，缺少相應(yīng)的工程意識(shí)和技能，亟須教師的指導(dǎo)。

三、學(xué)習(xí)目標(biāo)

（一）技術(shù)知識(shí)和推理

細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)及各細(xì)胞器的功能；細(xì)胞器的分工合作，分泌蛋白的形成及運(yùn)輸過程；物理模型設(shè)計(jì)、構(gòu)建的過程及其各個(gè)環(huán)節(jié)；美術(shù)制作相關(guān)技能。

（二）個(gè)人能力、職業(yè)能力與態(tài)度

1.解決問題的能力

解決問題的能力，包括綜合問題的分析、解決方案和模型設(shè)計(jì)的整體方案，以及細(xì)胞器的分布和比例大小等。這表明要具備解決問題的能力，需要能夠?qū)栴}進(jìn)行全面分析，提出有效的解決方案，并設(shè)計(jì)出整體方案。同時(shí)，對(duì)于特定領(lǐng)域的問題，如生物學(xué)中的細(xì)胞器分布和比例大小，也需要具備解決問題的能力，這需要培養(yǎng)學(xué)生的分析、綜合和創(chuàng)新能力，使他們能夠獨(dú)立思考和解決實(shí)際問題。除了學(xué)科知識(shí)外，還需要培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維、創(chuàng)造性思維和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力等。通過針對(duì)性地教學(xué)和實(shí)踐活動(dòng)，可以幫助學(xué)生逐步提高解決問題的能力，使他們能夠應(yīng)對(duì)各種挑戰(zhàn)和問題，并在未來的學(xué)習(xí)和工作中具備更強(qiáng)的競爭力[1]。

2.解決方法和建議

綜合問題的分析，解決方案，模型設(shè)計(jì)的整體方案，各細(xì)胞器的分布及比例大小等。綜合問題的解決方案，評(píng)估解決問題過程中可以改善的地方。培養(yǎng)學(xué)生對(duì)問題解決過程的評(píng)估能力，有助于他們更全面地認(rèn)識(shí)自己的解決問題方法，并能夠發(fā)現(xiàn)問題的改進(jìn)之處。這種能力需要學(xué)生具備批判性思維、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，通過不斷地實(shí)踐和反思，使他們能夠不斷提高解決問題的能力和水平。這種能力對(duì)于學(xué)生未來的職業(yè)發(fā)展和個(gè)人成長具有重要意義，因此，應(yīng)該注重培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，使他們能夠在各個(gè)領(lǐng)域作出積極的貢獻(xiàn)。

3.系統(tǒng)思維

（1）整體性思維：在構(gòu)建真核細(xì)胞的三維模型時(shí)，學(xué)生需要考慮到細(xì)胞的整體結(jié)構(gòu)和功能，而不僅僅是細(xì)胞內(nèi)的某個(gè)部分。

（2）創(chuàng)造性思維：學(xué)生能夠產(chǎn)生新的想法和解決方案，不拘泥于傳統(tǒng)的思維模式或方法。在細(xì)胞模型構(gòu)建中，學(xué)生可以嘗試使用不同的材料或方法來表現(xiàn)細(xì)胞的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，或者提出新的假設(shè)來解釋細(xì)胞的功能。

（3）發(fā)散思維：學(xué)生能夠從一個(gè)問題或多個(gè)信息源出發(fā)，產(chǎn)生多種可能的答案或解決方案。在細(xì)胞模型構(gòu)建中，學(xué)生可以思考不同的細(xì)胞器如何相互作用，或者考慮不同的環(huán)境因素對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的影響。

（4）批判性思維：學(xué)生能夠分析和評(píng)估信息的質(zhì)量、來源和可靠性，以及推理的合理性。在細(xì)胞模型構(gòu)建中，學(xué)生需要對(duì)所收集的信息進(jìn)行篩選和判斷，以確保模型的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

（三）人際交往能力

組建有效團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)員之間分工合作。

（四）在企業(yè)和社會(huì)環(huán)境下構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施

1.系統(tǒng)的構(gòu)思

討論細(xì)胞模型產(chǎn)品的周期，系統(tǒng)建模確保目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

2.設(shè)計(jì)

分析與選擇設(shè)計(jì)方案。

3.實(shí)施

產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)與集成，描述產(chǎn)品的功能與科學(xué)性。

（五）運(yùn)行

運(yùn)行系統(tǒng)改進(jìn)和演變，對(duì)計(jì)劃得到的產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)。

四、教學(xué)重難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：利用真核生物3D模型的制作來強(qiáng)化對(duì)生物3D建模過程的掌握，并利用3D模式來探索細(xì)胞功能與結(jié)構(gòu)的共同性。

教學(xué)難點(diǎn)：將真核生物的3D模型以物理建模的方式展現(xiàn)出來。

五、課前準(zhǔn)備

（一）科學(xué)分組：根據(jù)學(xué)生的興趣和能力，將學(xué)生分為每組5—6人的科學(xué)探索小組，并選拔出具有領(lǐng)導(dǎo)力的小組組長?？茖W(xué)分組有助于促進(jìn)學(xué)生之間的合作與交流，調(diào)動(dòng)他們的學(xué)習(xí)積極性，并且能夠讓學(xué)生更好地發(fā)揮自己的特長，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。通過小組合作，學(xué)生可以互相學(xué)習(xí)、共同討論問題、分享知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)他們的學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)意識(shí)。在科學(xué)分組的過程中，教師可以根據(jù)組員的表現(xiàn)和貢獻(xiàn)給予相應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)和鼓勵(lì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力，增強(qiáng)他們的自信心。同時(shí)，小組組長也可以在組內(nèi)協(xié)調(diào)與領(lǐng)導(dǎo)小組學(xué)習(xí)活動(dòng)，并且激發(fā)其他組員的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)全體小組成員的共同進(jìn)步。

（二）精準(zhǔn)材料準(zhǔn)備：在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生按小組準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料，確保材料的選擇能夠精準(zhǔn)地展現(xiàn)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。建議材料包括高級(jí)彩色橡皮泥、專業(yè)顏料、微型工具套裝、精密測(cè)量工具等。精準(zhǔn)材料準(zhǔn)備有助于學(xué)生深入了解細(xì)胞結(jié)構(gòu)和相關(guān)知識(shí)，并培養(yǎng)他們的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。通過學(xué)生自行準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料，可以增強(qiáng)他們的實(shí)踐能力和創(chuàng)造性思維，激發(fā)他們對(duì)科學(xué)的興趣和熱情[2]。在準(zhǔn)備材料的過程中，學(xué)生可以學(xué)習(xí)如何選擇合適的實(shí)驗(yàn)材料、工具，同時(shí)也能培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)合作能力和實(shí)際操作的技能。教師在指導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)備材料的過程中，可以引導(dǎo)他們進(jìn)行討論和思考，幫助他們選擇最合適的材料，并指導(dǎo)他們按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行準(zhǔn)備。

六、教學(xué)過程

（一）科學(xué)情境導(dǎo)入

為了激發(fā)學(xué)生對(duì)細(xì)胞世界的好奇心和探索欲望，教師將通過引入細(xì)胞生物學(xué)的科學(xué)史作為課程的起點(diǎn)。引導(dǎo)學(xué)生思考如何借助物理模型將微觀的細(xì)胞結(jié)構(gòu)以直觀的方式呈現(xiàn)出來，幫助學(xué)生建立對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的初步認(rèn)識(shí)。

設(shè)計(jì)意圖：以科學(xué)史為導(dǎo)入，不僅激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還為學(xué)生理解細(xì)胞結(jié)構(gòu)提供歷史背景，為后續(xù)的模型制作奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

（二）知識(shí)擴(kuò)充與技能提升

教師活動(dòng)：1.知識(shí)擴(kuò)充：詳細(xì)解釋模型在科學(xué)研究中的重要性，特別是在細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。通過案例分析，讓學(xué)生了解物理模型如何幫助科學(xué)家揭示細(xì)胞結(jié)構(gòu)的奧秘。2.技能提升：通過實(shí)踐操作和理論講解，提升學(xué)生制作細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型的技術(shù)水平。重點(diǎn)培訓(xùn)學(xué)生如何運(yùn)用材料和工具，制作出既科學(xué)又美觀的細(xì)胞模型。

學(xué)生活動(dòng)：積極參與細(xì)胞器和細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能相關(guān)知識(shí)的討論與實(shí)踐，為后續(xù)的模型制作做好充分準(zhǔn)備。

設(shè)計(jì)意圖：通過知識(shí)擴(kuò)充和技能提升，使學(xué)生全面了解模型在科學(xué)研究中的作用，同時(shí)提升學(xué)生的實(shí)踐能力和科學(xué)素養(yǎng)。

（三）討論探究，制訂方案

在這一階段，學(xué)生將以小組形式進(jìn)行討論和探究。學(xué)生通過資料的收集與整理，對(duì)真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)以及制作方法進(jìn)行深入分析和研討。這一過程需要考查學(xué)生對(duì)于細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型體積、形狀以及位置等知識(shí)點(diǎn)的掌握。教師將提供評(píng)分表供學(xué)生參考，并指明模型制作的要求。學(xué)生將根據(jù)討論結(jié)果，制訂完善的方案，并分配好工作任務(wù)。

設(shè)計(jì)意圖：通過小組討論和探究，旨在提高學(xué)生的小組合作能力、科學(xué)探究能力和科學(xué)思維能力。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生自行創(chuàng)造，培養(yǎng)他們的科學(xué)創(chuàng)造性思維。

（四）制作模型

學(xué)生在制作模型時(shí)需要按照先大后小和先簡后繁的基本原則來進(jìn)行。而由于模型的制作過程較為煩瑣，需要學(xué)生采用小組合作的方式共同完成，因此在制作前學(xué)生需要采用任務(wù)分工的方式來進(jìn)行。而教師在此過程中要注意引導(dǎo)和啟發(fā)，并及時(shí)對(duì)學(xué)生模型制作過程中所遇到的問題進(jìn)行解決。

設(shè)計(jì)意圖：利用模型制作來提升學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作和動(dòng)手實(shí)踐能力。同時(shí)，對(duì)于思維創(chuàng)造性培養(yǎng)及創(chuàng)新思維的教育也極為重要。

（五）成果展示

完成模型制作后，學(xué)生將進(jìn)行成果展示和交流。思考：1.這個(gè)模型是什么類型的真核細(xì)胞，它的結(jié)構(gòu)完整性如何？它的位置及大小是否正確？2.它是否能夠反映出細(xì)胞內(nèi)部的相互關(guān)系和整體的結(jié)構(gòu)和功能？同時(shí)小組間將以科學(xué)性、準(zhǔn)確性、美觀和創(chuàng)新性等原則根據(jù)評(píng)分表對(duì)各組的模型進(jìn)行評(píng)價(jià)和評(píng)分。教師對(duì)學(xué)生的作品進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，指出其優(yōu)點(diǎn)和不足，為學(xué)生提供改進(jìn)的方向，并對(duì)模型成果進(jìn)行匯總打分，并公布評(píng)分，頒發(fā)相應(yīng)的獎(jiǎng)狀。

設(shè)計(jì)意圖：通過成果展示和交流，小組間相互評(píng)價(jià)，進(jìn)行意見交流，取長補(bǔ)短，相互學(xué)習(xí)，營造良好的學(xué)習(xí)氛圍。學(xué)生參與評(píng)價(jià)，不僅是為了分享自己的經(jīng)驗(yàn)和心得，也是為了從其他同學(xué)的作品中獲得啟發(fā)和靈感，提高學(xué)生的審美能力和創(chuàng)造力。

（六）討論反思，完善模型

經(jīng)過交流評(píng)價(jià)后，學(xué)生將總結(jié)模型的不足并完善制作方案及模型。他們將思考如何在未來的制作中改進(jìn)和提升模型的質(zhì)量和科學(xué)性。

設(shè)計(jì)意圖：通過討論反思和完善模型，旨在讓學(xué)生理解產(chǎn)品是在不斷地修改中完善的，培養(yǎng)他們的批判性思維和持續(xù)改進(jìn)的精神。

（七）總結(jié)強(qiáng)化" 模型應(yīng)用

學(xué)生將所學(xué)生物知識(shí)用于3D生物模型的制作中，這一形式被稱為模型運(yùn)用。在這一階段，學(xué)生將利用制作的模型進(jìn)行相關(guān)的生物學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)和應(yīng)用。他們將通過模型演示分泌蛋白合成與分泌的過程等實(shí)驗(yàn)活動(dòng)來加深對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的理解。同時(shí)，教師將引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)回顧整個(gè)制作過程中的問題和收獲。

設(shè)計(jì)意圖：利用模型構(gòu)件思維，培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)踐過程中運(yùn)用生物知識(shí)的靈活性，同時(shí)幫助他們建立相應(yīng)的知識(shí)框架并提升實(shí)踐應(yīng)用能力。

結(jié)束語

本研究通過實(shí)踐探索，證實(shí)了CDIO模式在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和實(shí)踐能力具有顯著成效。學(xué)生在參與真核細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)模型的制作過程中，不僅深化了對(duì)生物學(xué)基本概念的理解，還通過動(dòng)手實(shí)踐，鍛煉了觀察分析、實(shí)驗(yàn)探究等綜合能力。此外，模型制作還為學(xué)生提供了一個(gè)發(fā)揮創(chuàng)造性思維的平臺(tái)，使得學(xué)生在實(shí)踐中不斷嘗試、創(chuàng)新，培養(yǎng)了創(chuàng)造性

思維。

綜上所述，CDIO模式在高中生物教學(xué)中的實(shí)施，不僅促進(jìn)了學(xué)生對(duì)生物學(xué)基本概念的深入理解，極大地培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造性思維和實(shí)踐能力。通過精心設(shè)計(jì)的活動(dòng)、周密的計(jì)劃、引導(dǎo)性的探究學(xué)習(xí)，以及鼓勵(lì)創(chuàng)新和實(shí)踐的教學(xué)環(huán)境，學(xué)生得以在CDIO模式的框架下全面發(fā)展其生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。更重要的是，這種教學(xué)模式培養(yǎng)了學(xué)生的問題解決能力、團(tuán)隊(duì)合作精神和創(chuàng)新思維，為他們未來的學(xué)術(shù)探索和專業(yè)發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，CDIO模式在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維和實(shí)踐能力的有效手段，具有深遠(yuǎn)的教育意義和實(shí)踐價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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