基于深度學習的高中生物學實驗教學設計

石高榮

摘要：基于深度學習理論，根據高中生物實驗教學的特點，提出了在高中生物實驗教學中通過創設情境引領學生積極參與、生成問題激發學生深度思維、實踐操作培養學生知行合一等手段加強學生深度學習的方法。

關鍵詞：深度學習 生物學實驗教學設計

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：B

在高中生物學驗證性實驗中，教材明確提出了實驗操作步驟，學生只要機械地根據實驗步驟、按部就班就能夠完成實驗操作。在這類實驗操作過程中，學生往往缺少對實驗過程的主動構建和反思，學生僅僅只是消極被動接受、簡單重復和機械記憶知識，處于識記、領會層次的淺層學習。教師如何將這類驗證性實驗提升為能夠讓學生進行主動知識構建、能夠批判性學習新知識，并促進學生將它們融入原有的認知結構中，能夠靈活運用所學知識和能力解決實際問題的深度學習呢？筆者在高中生物實驗設計中進行了如下的嘗試。

1創設情境，引領學生的積極參與

深度學習要求學習者進行主動學習。深度學習下的主動學習是教學中的學生學習，而不是學生的自習，并不能自然發生，必須要有教師的引領和幫助。創設真實有意義的學習情境，有利于教師引領學生的深度學習活動，引導學生進行主動學習。真實有意義的學習情境能有效地激發學生的學習動機，使學生將學習動機由外在的壓力轉變為自身的需要，提升求知欲，促進學生在感覺、知覺、思維、情感、意志、價值觀等方面全身心投入參與，引導學生的深度體驗，促進深度學習的發生。學習情境的創設要求做到以下3點：①創設的情境要具有生活性，盡量聯系生活實踐，有利于激發學生的學習興趣;②創設的情境要具有挑戰性，能激勵學生挑戰自我，促進學生形成積極的內在學習動機;③創設的情境要具有探究性，才能激發學生的深層思維。

例如，“DNA的粗提取與鑒定”是高中生物學中的經典驗證性實驗，實驗目標是為學生提供從生物體內直接提取DNA的機會，體驗細胞中DNA的粗提取和鑒定。這樣的實驗目標屬于淺層學習目標中的識記、領會層次，學生對實驗操作的興趣往往不高。筆者在實驗前給學生提供了如下學習情境。

油桃是深受消費者青睞的一種水果，但在果實成熟期和采后貯藏期間，普遍存在果肉的褐變現象，降低了果實的品質和價值。經研究，果肉的褐變與多酚氧化酶（PPO）的活性和含量密切相關。為了解決果肉的褐變問題，科學家利用DNA提取和PCR技術分離PPO基因，然后用它構建反義基因，從而抑制PPO基因的表達，阻止果肉褐變的發生。

情境中提供了與學生生活熟悉的油桃案例，研究成果可以直接應用于實際生活。這種有意義的情境體驗活動大大地激發了學生的學習興趣，激活了學生的思維。學生迫切希望知道應如何去提取DNA，如何更進一步去研究DNA，為實驗中如何提取DNA等實驗操作提供了研究的背景，激發了學生的探究欲望。

2生成問題，激發學生的深度思維

深度學習要求學習者進行理解性的學習，從而獲得學科核心概念和原理。理解性學習不是事實內容的記憶和積累，是一種超越了簡單的記憶和信息檢索，發生在較高認知水平層次上的心智活動或認知能力。教師可以根據提供的學習情境為背景，提供相應的學習材料，引導學生分析學習材料生成問題，促進學生圍繞生成的問題主線進行探索，幫助學生獲得高質量的知識，促進學生對知識的深層理解和深度建構，引導學生深度探究，實現深度學習。

問題是深度的思維起點。生成的問題要有啟發性，有利于激發學生的思維;生成的問題要有系統性，能夠將零散的、碎片化的知識整合，以利于知識的遷移;生成的問題要有批判性，將學習過程主動構建與反思，激發學生的求異能力，能夠挑戰人類已有的認識成果。問題能夠讓學生在激活先前知識的基礎上，深度加工所獲得的新知識，在新知識和原有知識之間建立聯系。

如在上述實驗中，教師提供了油桃DNA粗提取實驗的具體操作過程，讓學生圍繞油桃DNA提取過程，分析其所利用的DNA理化特性。教師以此作為問題主線，引導學生進行深層思維活動。學生歸納總結，得出：①DNA在質量分數為0.14mol/L的NaCl溶液中溶解度最低;②DNA不溶于酒精，而細胞中的蛋白質則溶于酒精;③DNA在80°C以上才變性，而大多數蛋白質不能忍受60～80°C的高溫;④蛋白酶不能催化DNA水解;⑤洗滌劑可以破壞細胞膜，使蛋白質變性，對DNA沒有影響。教師以此為理論依據，為學生在其他材料中提取DNA提供科學導向。教師有機整合學習內容，促進學生進行知識遷移，實現更深層次的學習。

3實踐操作，培養學生的知行合一

深度學習是知識遷移與運用的過程，學生將學習所獲得的科學知識遷移到實踐中進行運用，在新的問題情境下解決新情境中的實際問題，即實現知行合一的過程。如在上例中，學生根據油桃DNA提取的過程生成了問題，總結得出了DNA的理化特性，此為“知”，根據DNA的理化性質運用在新材料中的DNA提取，即為“行”。學生通過“行”完成實驗操作，達到實驗的目標。

學生進而根據DNA的性質，從洋蔥細胞或其他材料（如魚卵、菜花）中提取DNA。學生可以根據油桃DNA的提取步驟，運用類比方法總結出洋蔥細胞等實驗材料中DNA的提取實驗步驟。①選用洋蔥作為實驗材料時，先將洋蔥進行研磨，在研磨實驗時加入1/10體積的洗滌劑瓦解細胞膜破碎細胞，獲取含DNA的濾液;②在溶有DNA的物質量濃度為2mol/L的NaCl溶液中加入蒸餾水并向一個方向輕輕攪拌，目的是稀釋濾液至0.14mol/L，減少DNA的溶解性，有利于DNA更多地析出;③溶有DNA的溶液中分別加入酒精去除濾液中的雜質等過程，提取出純度較高的白色絮狀的DNA。根據上述實驗步驟完成實驗，通過遷移與運用的知行合一，實現深度學習。

深度學習不是學習內容的深度和難度，而是關注學生的學習過程和狀態，促進學生深度理解和不斷的自我反思。教師通過上述實驗設計的改進，將原本枯燥乏味的實驗轉變為具有挑戰性的學習主題，轉變為能讓學生一種體驗成功、獲得發展的有意義的學習過程，學生主動學習積極性高。這樣有利于學生對知識整合和歸納，促進學生知識體系的完善，加強學生對知識的整體把握，有利于激發學生對知識的深入思考主動學習。學生在追求知識主動加工的過程中，積極參與，從而體驗到成功，提高探究性能力，增強合作意識。教師關注學生應用、分析、評價和創造等的發展，有利于幫助在學生運用、分析、綜合、評價層次上認知目標的達成，落實學生的生物學學科核心素養的培養。