深度學習導向下的生物探究實驗U型教學模式
——以“探究植物吸水和失水”為例

陳艷萍 謝虎成

（1.廣州中學 廣東廣州 510640）

（2.廣州市荔灣區(qū)教育發(fā)展研究院 廣東廣州 510370）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》基本理念包含“核心素養(yǎng)為宗旨，教學過程重實踐”。教師運用U型模式開展實驗教學，促進生物學實驗教學從驗證性走向探究性，學習過程從被動接受走向主動參與，學習方式從淺層學習走向深度學習，思維發(fā)展從基礎思維走向高階思維，與新課標要旨高度契合。

U型模式是郭元祥、謝虎成教授基于深度學習理論提出來的。以實驗探究為載體，將知識轉變?yōu)樗仞B(yǎng)，需經過下沉與還原、潛行與探究、上浮與反思三個階段，形象地稱之為U型模式（圖1）。下面以“探究植物吸水和失水”為例，探討該模式在教學中的運用。

1 下沉與還原

深度學習是一種“沉浸式學習”，必須全身心投入其中，這就是“下沉”。驗證性實驗只能解決“怎么做”，不能解決“為什么”；可以培養(yǎng)操作技能，難以養(yǎng)成探究素養(yǎng)。探究性實驗首先要啟發(fā)學生理解實驗方案的原初背景，增強學生的探索欲，這就是“還原”。創(chuàng)設真實性、交互性的實驗情境，是探究的首要條件。

“探究植物細胞的吸水和失水”是人教版高中生物《必修1·分子與細胞》第四章的內容。在以往教學時，教師一般直接給出實驗思路，學生自行通過顯微鏡觀察細胞失水和吸水的現(xiàn)象從而驗證知識，難以實現(xiàn)過程性評價；在解決問題的過程中，無法創(chuàng)造學生實驗設計方案的容錯性和培養(yǎng)批判性思維。基于深度學習理論，本節(jié)將采用學生多元設計實驗路線，借助數(shù)碼顯微互動系統(tǒng)進行探究，分享并改進實驗方案，生成對話，培養(yǎng)學生探究的思維方式和對學科思想的反思和頓悟，促進學生形成科學探究的核心素養(yǎng)。

1.1 還原已有知識

前置性學習是指構建本節(jié)課知識體系，掃清探究的知識性障礙，包括成熟的植物細胞的結構圖、原生質層結構（微課）；課前完成組內分工。教師通過知識前置，增強學生對實驗的好奇心，同時為課堂探究提供充足的時間和實效。

1.2 還原生活經驗

教師以學生生活中的現(xiàn)象，引起學生的注意，引導學生從植物形態(tài)學思考植物吸水和失水現(xiàn)象：菜農在蔬菜萎蔫后為什么會澆清水？家里做涼拌黃瓜或白菜碗里會出現(xiàn)什么？

1.3 還原問題情境

教師演示測量蘿卜塊在不同蔗糖濃度下失水量（吸水）的變化，引導學生從植物微觀思考植物細胞內吸水和失水現(xiàn)象（表1）。并提出問題：植物細胞是怎樣吸收和失去水分的？這個過程遵循什么規(guī)律？

設計意圖：教師聯(lián)系學生生活，創(chuàng)設真實的學習情景，并提出挑戰(zhàn)性的問題和任務，是驅動學生深度學習的關鍵。設置情境與學生的生活感悟相聯(lián)系，更好地激發(fā)學生深度學習的動力。

2 潛行與探究

潛行與探究是通過探究生命運動規(guī)律，解釋生命現(xiàn)象的過程，也是理解科學探究方法和原理的過程。水分子進出植物細胞的過程看不見、摸不著，學生理解起來相當困難，必須依據(jù)實驗一步一步探究真相。

表1 探究蘿卜塊在不同蔗糖濃度下的試管液面高度

2.1 多元路線設計實驗

多元路線設計實驗是在深度學習視域下探索實驗路線存在的合理性和可能性，并通過不斷“試誤”和不斷改進獲得解決問題的能力。以下將從三個教學環(huán)節(jié)來講述如何通過“問題—互動”來驅動學生深度學習。

教學環(huán)節(jié)一：植物吸水和失水的條件。教師提供洋蔥、質量分數(shù)為5%和30%的蔗糖溶液、清水等實驗材料與試劑，要求學生設計探究植物細胞吸水和失水的外界條件的實驗。學生通過討論得出幾個可行的實驗方案（表2）。

表2 探究“植物吸水和失水的條件”實驗設計方案

設計意圖：學生多元設計實驗方案是培養(yǎng)學生科學探究素養(yǎng)的重要途徑。實驗路線多元化是探究實驗的內在追求，更容易遷移或創(chuàng)造性地解決問題。在設計過程中，教師應更注重容錯性設計，把錯誤轉化為資源，促進學生對探究過程的反思和對知識的深度理解，也是培養(yǎng)批判性思維的重要手段。

2.2 多種方法觀察實驗

教學環(huán)節(jié)二：判斷細胞的吸水和失水。學生根據(jù)設計路線進行實驗探究和實驗現(xiàn)象的觀察，并嘗試解釋現(xiàn)象。

每個學習小組選擇一個方案，利用數(shù)碼顯微互動系統(tǒng)開展小組合作探究。數(shù)碼顯微系統(tǒng)在黑板屏幕上動態(tài)展示每組細胞中紫色液泡等結構的大小和深淺變化，實現(xiàn)過程性評價。在實驗過程中，教師應加強與學生的互動，幫助學生觀察和比較不同路線的實驗現(xiàn)象，并思考內在的原因。

設計意圖：開展實驗探究是深度學習的重要手段，也是耗時最長，但只有經過自主探究才能將知識進行加工和增值。數(shù)碼顯微互動系統(tǒng)促進了學生自主探究，培養(yǎng)學生認知能力、創(chuàng)新能力，并實現(xiàn)實驗由“個人體驗”向“公共感知”的轉變。

2.3 多個角度分析實驗

教學環(huán)節(jié)三：分析實驗現(xiàn)象，深度理解實驗背后的生物知識。經過自主探究，學生對實驗過程充滿興趣，描述現(xiàn)象也很真實，如留白、膨脹、萎縮等。學生經過互動討論和質疑，發(fā)現(xiàn)在上述4種方案中：植物細胞在清水、質量分數(shù)為5%的蔗糖溶液中原生質層并沒有明顯變化。第一組：加清水后沒有變化，加入質量分數(shù)為30%的蔗糖溶液后出現(xiàn)“留白”；第二組：先加質量分數(shù)為30%的蔗糖溶液，再加質量分數(shù)為5%的蔗糖溶液后“留白”，沒有明顯的變化；第三組：加了質量分數(shù)為5%的蔗糖溶液沒有發(fā)生“留白”；第四組：出現(xiàn)了“留白”，滴加清水后“留白”縮小。基于學生學習的真實情景，教師進一步提出問題，請從細胞液濃度和原生質層結構特點思考，為什么細胞在質量分數(shù)為5%的蔗糖溶液中沒有現(xiàn)象，而質量分數(shù)為30%的蔗糖溶液中“留白”明顯？教師引導學生分析，得出結論：原生質層是一層半透膜，蔗糖分子不能透過，并且質量分數(shù)為5%的蔗糖溶液濃度<洋蔥細胞液濃度<質量分數(shù)為30%的蔗糖溶液濃度，由此反思多元設計路線中，第1、4組方案較合理。

設計意圖：實驗全程采用過程性評價，最終形成整體評價。互動交流是深度學習落腳的重要環(huán)節(jié)。教師引導學生建立知識的重組和融合，并對探究過程重審視、再反思，促進學生學習能力的提升和學科素養(yǎng)的形成。

3 上浮

上浮與反思是對學習過程和結果進行反思，形成概念和原理的過程，并在生活實踐中檢驗。交流、對話和遷移運用是上浮與反思的基本形式，也是深度學習的必要階段。

教學環(huán)節(jié)四：植物細胞吸水和失水的過程。經歷復雜的“潛行”過程，將“留白”“脹起來”科學地歸納植物細胞為什么發(fā)生吸水和失水就不難了，教師指導學生將“留白”“萎縮”的生活語言轉化為科學語言。“留白”是指若外界溶液濃度大于細胞液濃度會發(fā)生“失水”形成質壁分離現(xiàn)象，反之“脹起來”則是指外界溶液濃度小于細胞液濃度會發(fā)生“吸水”——質壁分離復原現(xiàn)象。最后，教師引導學生得出結論：水分出入細胞的動力源于細胞內外溶液濃度差（即滲透勢）。

課后，教師布置學生開展“施肥過多的危害、從環(huán)境保護的角度思考鹽堿地對植物生長的危害”的宣傳，從“社會責任”維度培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)。

設計意圖：“上浮”是“潛行”的升華，內在知識終于“浮出水面”。在“上浮”過程中，教師幫助學生用學科概念精準地解釋實驗現(xiàn)象，將學生的“經歷”內化為“知識”，知識轉變成素養(yǎng)。

4 教學反思

運用U型模式進行實驗教學是對傳統(tǒng)實驗教學的改造與升級。實踐證明，U型模式帶來了實踐教學的3個變化：①通過探究性實驗開啟深度學習的大門。教師要注意在前置性學習，突顯學生學習的主體地位；促進學生通過自主設計實驗，充分理解植物細胞吸水和失水的原理并靈活運用；以“小組合作學習”為抓手，使“個體獨立學習”轉變?yōu)椤凹w合作學習”方式，增加學生的交流與合作。②以新技術為支撐實現(xiàn)了深度學習的路徑。本實驗教學充分利用現(xiàn)代教育技術手段（數(shù)碼顯微互動系統(tǒng)、平板電腦），將實驗數(shù)據(jù)進行科學性的采集，摒棄了以往實驗中學生只能“個人體驗”、不能互動和資源共享的方式，利用現(xiàn)代教育手段加強過程性評價，使學生的科學探究素養(yǎng)因信息素養(yǎng)的介入形成質的飛躍。③通過深化探究過程的體驗達到深度學習的目的。多元設計路線、容錯性設計、問題設計等方法都是加強探究過程的體驗，更好地促進學生對知識的深度理解和內化，使學生的批判性思維、創(chuàng)造性思維等高階思維得到長足發(fā)展。