例談基于深度學習典型機制的高中生物學教學

謝倩　李韶山

深度學習（Deep Learning）發(fā)端于人工智能領(lǐng)域，后被遷移至學習科學界。深度學習是在理解學習的基礎(chǔ)上，學習者能夠批判性地學習新思想和分析事實，將它們?nèi)谌朐械恼J知結(jié)構(gòu)中，并在眾多思想之間進行聯(lián)系，能將己有知識遷移到新的情境中，作出決策和解決問題的學習。關(guān)聯(lián)互動的深度學習有別于孤立靜態(tài)的淺層學習，是運用高階思維在認知和元認知基礎(chǔ)上建構(gòu)知識的過程。驅(qū)動深度學習發(fā)生的機制主要有5種，即生長機制、領(lǐng)頑機制、建模機制、互動機制和表達機制。

隨著《普通高中生物學課程標準（2017版）》的頒布，發(fā)展學生的生物學學科核心素養(yǎng)成為新課程的育人目標。深度學習更加關(guān)注學習過程而非結(jié)果，強調(diào)知識建構(gòu)而非片面的知識難度與深度，正是實現(xiàn)這一目標的有效途徑。深度學習與學生生命觀念的形成、科學思維的建立和科學探究能力的提升，乃至社會責任感的實現(xiàn)均息息相關(guān)。深度學習不是機械的教學方法，而是教師在課堂中進行有效性教學的多元化途徑。在實際教學中，教師可根據(jù)教材和學情，在新課標的指導下，靈活選擇深度學習發(fā)生的機制催生深度學習，關(guān)注學生的共同基礎(chǔ)和多元發(fā)展需求，促進學生生物學學科核心素養(yǎng)的形成。

1 生長機制轉(zhuǎn)化直接經(jīng)驗，驅(qū)動深度學習

生長機制是指將日常生活中積累的直接經(jīng)驗作為新知識的生長點，轉(zhuǎn)化為科學知識范疇的學習過程。學生的直接經(jīng)驗是課堂教學中有效的感性材料，能夠喚起學生的情感體驗與價值體認。利用生長機制嫁接學生的內(nèi)生性知識，是驅(qū)動深度學習發(fā)生的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。

在人教版高中生物學教材《必修3·穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》第一章第一節(jié)“細胞生活的環(huán)境”中，學生了解到酸堿度是細胞外液理化性質(zhì)，但對于這一概念缺乏具體感性經(jīng)驗的支持，更不了解人體內(nèi)環(huán)境的pH在何種機制調(diào)控下保持相對穩(wěn)定。教師引導學生回顧生活經(jīng)驗，明確內(nèi)環(huán)境的pH保持平衡的重要性：機體組織進行無氧呼吸時會產(chǎn)生大量乳酸。由于乳酸是酸性化合物，會導致局部組織的pH下降，人會因此感到身體酸痛。同時，引導學生遷移聯(lián)想：富有彈性的運動鞋鞋底可緩沖外力，從而減少運動員受傷的機率;同樣，血漿pH之所以能夠保持穩(wěn)定，也是因為其中的HCO₃^-/H₂CO₃、HPO₄^2-/H₂PO₄^-等離子對的緩沖作用使內(nèi)環(huán)境pH維持相對穩(wěn)定。教師通過聯(lián)系實際和類比遷移，將學生的舊觀念與新知識進行有意義連接促進學生完成認知同化，從而樹立穩(wěn)態(tài)與平衡觀，為“穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)”內(nèi)容的學習奠定基礎(chǔ)。

再如，在《必修卜分子與細胞》第五章第四節(jié)“能量之源——光與光合作用”中，學生知道植物光合作用必須在光照條件下進行，因為光反應(yīng)中水必須在光下分解。但學生并不清楚不僅植物細胞進行光合作用需要光照，且光合色素的生成也離不開光照。教師引導學生回想生活中常見的印有“囍”“福”等字樣的蘋果，闡述其制作原理：果農(nóng)在蘋果長大過程中于其表面貼上相應(yīng)字樣的不透光紙，導致這部分果皮細胞在無光條件下無法利用有機物合成色素，從而呈現(xiàn)淺色相應(yīng)字跡。教師聯(lián)系學生生活，引導學生利用貼近生活的實例，運用結(jié)構(gòu)與功能觀分析生物學事實，促進學生生命觀念的形成。

2 頡頑機制轉(zhuǎn)變迷思概念，誘導深度學習

頡頑機制是指利用認知矛盾將學生知識框架中存在的與科學原理相悖的內(nèi)容轉(zhuǎn)化糾正的知識學習過程。學生的迷思概念成為理解科學概念和學習生物學的障礙，需要經(jīng)歷若干個階梯式遞進才能實現(xiàn)向高階概念的轉(zhuǎn)變。頡頏機制的關(guān)鍵和核心是引發(fā)認知沖突，教師在教學中應(yīng)了解學生己有的迷思概念，提供有說服力的事實或依據(jù)，利用頡頏機制引發(fā)學生的認知沖突，破除其錯誤思維，誘導生物學的深度學習。

在必修1第四章第三節(jié)“物質(zhì)跨膜運輸?shù)姆绞健敝校炭茣刑峒埃撼怂⒀酢⒍趸纪猓视汀⒁掖肌⒈降任镔|(zhì)也可以通過自由擴散進出細胞。這通常令學生誤以為：水分子跨膜運輸?shù)姆绞絻H有自由擴散

*為通訊作者一種。此時，教師可創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學生產(chǎn)生疑問：水分子通過自由擴散穿過脂雙層的速率非常緩慢，而在某些生物組織中，如腎小管對水分的重吸收、唾液和眼淚的形成，常常是快速跨膜轉(zhuǎn)運，應(yīng)如何解釋這些現(xiàn)象？這樣從而引出水孔蛋白（AQP）的作用：水孔蛋白是是一類特異性的通道蛋白，具有4個亞基，每個亞基由6個α螺旋組成，水分子可通過其中央孔進出細胞。教師補充H₂O通過協(xié)助擴散進行跨膜運輸?shù)耐緩剑瓤梢赞D(zhuǎn)變學生錯誤的前科學概念，使學生加深對物質(zhì)跨膜運輸方式的理解，又能滲透學科前沿知識，培養(yǎng)學生批判性思維的能力。

再如，在必修1第五章中，學生學習過光合作用與有氧呼吸內(nèi)容后，知道細胞發(fā)生這兩種生理反應(yīng)離不開葉綠體和線粒體。于是學生“自然”地以為：凡是光合作用的發(fā)生，一定需要葉綠體的參與;凡是有氧呼吸的進行，一定需要線粒體的介入。于是，教師提出問題，引發(fā)學生思考：對于不具備具膜細胞器的原核生物來說，細胞如何進行光合作用和有氧呼吸？教師利用教學中這些生成性的認知沖突資源，基于頡頏機制，選取藍細菌作為模式生物進行介紹：藍細菌細胞不含有葉綠體和線粒體，但在其細胞質(zhì)中有由類囊體圍繞的同心環(huán)片層結(jié)構(gòu)，其上含有葉綠索和藻藍素，是光合作用光反應(yīng)的場所;在其細胞膜內(nèi)側(cè)，分布著進行電子傳遞和氧化磷酸化的豐富酶系，保證有氧呼吸的高效執(zhí)行。這些功能的行使與其特殊的形態(tài)結(jié)構(gòu)是分不開的。教師對學生較熟悉的藍細菌進行深度挖掘，促進學生主動學習，轉(zhuǎn)變己有的迷思概念，并培養(yǎng)學生辯證性看待問題的眼光和逆向思維的習慣，同時滲透對結(jié)構(gòu)與功能觀的培養(yǎng)，夯實其生命觀念。

3 建模機制整合重要概念，助力深度學習

建模機制是指對知識概念進行凝練和抽象化，在建立模型的動態(tài)生成過程中形成結(jié)構(gòu)化整體的知識學習過程。模型不限于具體的實物，也包括某個過程、某種觀點和一次事件等抽象內(nèi)容。生物學概念是生物學事實和知識凝練的精髓，模型建構(gòu)支持學生在學習新概念時找到理解其內(nèi)涵的隱藏元素，運用科學的思維方法深度學習概念本質(zhì)，發(fā)展科學思維的習慣和能力。

教師基于模型建構(gòu)引導學生進行重要概念的學習，為學生理解和推理科學過程提供窗口，并體驗思維的深度加工，落實培養(yǎng)生命觀念和科學思維生物學核心素養(yǎng)的要求。例如，“細胞會經(jīng)歷生長、增殖、分化、衰老和死亡等生命進程”是必修1中的一個重要概念，模型建構(gòu)機制將對這一重要概念的整合提供支持。在該學習模型中（表1），貫穿科學知識脈絡(luò)的構(gòu)件作為模型的基本支點，是整個模型得以建立的必要和關(guān)鍵元素，其選擇對模型后續(xù)的建構(gòu)起到舉足輕重的效果：各個構(gòu)件在時間與空間上彼此關(guān)聯(lián)形成有機聯(lián)系，組成序列：闡述序列相互聯(lián)系的內(nèi)在原因，即解釋;科學知識必須與學生的實際生活產(chǎn)生聯(lián)系，才能完成意義同化，這個過程稱之為映射;構(gòu)件的選擇、序列的關(guān)聯(lián)、解釋的形成、映射的建立均依賴于科學知識的最高層次——科學原理。從構(gòu)件到科學原理的進階，分別是學生認知特征在認知水平上的遞進。

概念模型是生物學模型中的一種重要形式，通常用圖示、文字、符號等顯示概念間的意義聯(lián)系與層級結(jié)構(gòu)。教師利用概念模型開展教學，可以促進學生對概念的理解與運用，從而自主建構(gòu)自己的概念體系。例如，“內(nèi)環(huán)境為機體細胞提供適宜的生存環(huán)境，機體細胞通過內(nèi)環(huán)境與外界環(huán)境進行物質(zhì)交換”是必修3中的一個重要概念。學生在初中己掌握消化、呼吸、排泄和循環(huán)系統(tǒng)等的相關(guān)知識，也學習過物質(zhì)跨膜運輸?shù)膸追N方式，初步具備運用模型與圖示的方法來表征組織細胞與內(nèi)外環(huán)境物質(zhì)交換的認知基礎(chǔ)。教師引導學生建構(gòu)機體細胞與內(nèi)外環(huán)境進行物質(zhì)交換的模型（圖1）。在模型的建構(gòu)過程中，學生必須掌握相鄰節(jié)點進行聯(lián)系的生理過程，才能掌握該模型建構(gòu)的邏輯意義：機體組織細胞生活在內(nèi)環(huán)境中，并通過內(nèi)環(huán)境中的血漿、組織液和淋巴組分與外界環(huán)境進行物質(zhì)與能量交換，在這一過程中，消化、呼吸、排泄和循環(huán)等系統(tǒng)承擔的生理過程起到了至關(guān)重要的作用;同時，機體具備自我調(diào)節(jié)機制來維持其穩(wěn)態(tài)。教師將建模機制應(yīng)用于本節(jié)課的教學，除了能夠幫助學生對重要概念進行整合，還可以作為學生自我診斷的工具。學生在模型建構(gòu)中掌握概念整合與系統(tǒng)分析的方法，持續(xù)推進生命觀念與科學思維的發(fā)展。學生逐步運用概念模型分析和解決問題，將促進科學探究和社會責任感的培養(yǎng)。

4 互動機制強化知識建構(gòu)，促進深度學習

互動機制是指通過師生、生生或人機多邊互動，共同實現(xiàn)知識學習的過程。課堂不是教師一個人的課堂，學生是教學的主體。基于互動的教學不僅強化學生的知識建構(gòu)，促進知識內(nèi)涵的不斷延展，而且能夠提高學生的學習積極性，滲透課堂教學的情意價值。

在必修3第二章“動物和人體生命活動的神經(jīng)/體液調(diào)節(jié)”中，教師可創(chuàng)設(shè)情境并采用角色扮演法實施課堂互動。首先，由教師模擬各種刺激，如進入寒冷環(huán)境、進入高溫環(huán)境、病理性發(fā)冷、病理性發(fā)熱、飲水不足、出汗、食物過咸、飲水過多、長時間未進食、剛進食不久。由多名學生等扮演機體各組織器官，如大腦皮層、下丘腦、垂體、甲狀腺、腎上腺、胰腺、腎臟，且每位學生手中持紅色和藍色卡牌，紅卡牌表示“對其靶器官、靶細胞起促進作用”，藍卡牌表示“對其靶器官、靶細胞起抑制作用”。當教師說出自己所模擬的某種刺激發(fā)生時，相應(yīng)靶器官對應(yīng)的學生代表則出示卡牌，并描述其將發(fā)生的系列生理變化（代表大腦皮層的學生無需出示卡牌），下級靶器官順序反應(yīng)。當然，教師的角色也可以由學生擔任，活動以小組形式開展。通過這樣的師生或生生角色分配扮演，課堂氛圍被深度激活，學生在輕松愉悅的互動中參與知識的強化建構(gòu)，生命觀念的培養(yǎng)得到重視，科學思維得到訓練，引領(lǐng)深度學習的進行。

在學習完教材必修3第六章“生態(tài)環(huán)境的保護”后，教師可設(shè)計以“外來入侵生物應(yīng)全面禁止嗎”為主題的辯論賽。辯論是開展課堂互動的有效形式，入侵生物是熱點生物學社會議題，教師將二者結(jié)合能夠培養(yǎng)學生的發(fā)散性思維與逆向思維，進一步提高學生的社會責任感。教師通過創(chuàng)設(shè)辯論情境，引導辯論進程;關(guān)注學生在辯論中的表現(xiàn)，鼓勵學生勇敢發(fā)聲;總結(jié)全員觀點，指導學生學會辯證看待問題，培養(yǎng)學生的社會責任和運用生物學知識于實際并解決問題的能力。學生在課前調(diào)查生物入侵本地的情況、收集資料與論據(jù)，自主確立辯論方向：課堂上基于事實與證據(jù)樹立論點加入辯論賽，并提出有效利用外來生物的建議和阻止有害生物入侵的措施，掌握運用生物學知識、觀點和方法解決實際問題的一般方法：倡導保護環(huán)境和生物多樣性的觀點并主動向他人宣傳，提升社會責任：體驗在交際互動中主動獲取知識的喜悅。通過辯論，學生的主體性得以體現(xiàn)，積極性得以發(fā)揮。學生在質(zhì)疑問難、探討審視、相互辯駁中主動獲取知識，樹立生物與生物、生物與環(huán)境、人類與環(huán)境和諧發(fā)展的觀念，深度開發(fā)科學思維和提升社會責任。

5 表達機制激發(fā)評價效應(yīng)，落實深度學習

表達機制是指學生將內(nèi)在知識和技能外化為特定形式的知識學習過程。表達的形式具有多樣性，通常是圖形和繪畫，但在理科課程學習中也可以是文字語言的表達。表達機制是一種高效的元認知運用策略，學生在進行表達時需要基于邏輯，對己掌握的事實、經(jīng)驗和理論進行二次梳理和整合，全視角領(lǐng)域?qū)徱曋R建構(gòu)的流程。教師將表達機制與課堂評價相結(jié)合，有利于即時、及時地診斷學生的問題，激發(fā)學生主動學習，促進學生生物學學科核心素養(yǎng)的形成，是落實深度學習的良好載體。

如在新授課堂中，教師講解完基本內(nèi)容后可由學生代表擔任“小老師”，嘗試為同學進行自主總結(jié)。這對學生來說不僅是個人展示的一次機會，是獨立建構(gòu)知識的機會，更是一種培養(yǎng)學生科學思維的方法。教師可依據(jù)學生表達的內(nèi)容獲得即時的教學反饋，進行評價，對于學生的正確思維予以強化，錯誤思維予以破除，并培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，從而可以培養(yǎng)學生的科學思維。在習題講評課中，讓學生敘述自己錯誤的思路，可暴露其知識盲區(qū)，從而有利于教師診斷問題所在，進行針對性教學，夯實學生的生命觀念，提升學生的科學探究，促進學生關(guān)注社會和生活中的生物學，并能基于生物學認識，做出理性解釋和判斷。在復習課中，學生的表達也顯得尤為重要。學生根據(jù)對知識章節(jié)掌握的情況，表達出自己的薄弱之處，從而有利于教師進行高效的復習教學。基于表達機制，學生由被動學習走向主動學習，由主動學習走向深入。

參考文獻：

[1]何玲，黎加厚.促進學生深度學習[.T7.現(xiàn)代教學，2005（5）：29-30.

[2]孫智昌.學習科學視M的深度學習[J].課程·教材·教法，2018，38（1）：20-26.