在生物課堂中通過深度學習培養學生科學思維——以“植物生長素的探索史”為例

沈璐昳

（上海市控江中學 上海 200093）

1 理論基礎

深度學習概念是美國學者費論斯·馬頓和羅右·薩爾喬于1976年首次提出，是對所學知識進行批判性理解、整合性建構以及創新性遷移的一種學習方式。促進深度學習的教學并不是無限增加知識難度和知識量，而是基于知識的內在結構，通過對知識的完整處理，引導學生從低階思維能力的淺層學習到高階思維能力的深度學習。教師在生物課堂中通過深度學習落實學生科學思維培養，主要包括：①掌握基本的生命科學實驗探究原理和方法；②敢于質疑的能力；③具備邏輯梳理能力；④具備實證意識；⑤具備語言表達能力；⑥具備論證能力；⑦具備歸納、建模能力。下面針對如何將深度學習貫徹落實于科學思維的培養進行了探索。

2 教材分析

“植物生長素的探索史”是滬科版高中生命科學第二冊第五章第五節“植物生長發育的調節”中的內容。教材以40多年間數位科學家完成的幾個經典實驗為主線，層層深入地解釋了植物向光性現象的機理，揭示了當植物受外界刺激后植物體維持穩態的基本調節方式，促使學生逐步形成“穩態”與“適應”的生命觀念。同時，“生長素探索史”中隱含的“假說-演繹”的理性思維，是培養學生學科核心素養很好的載體。

3 教學目標

通過親歷達爾文、詹森、溫特等科學探究實驗，初步學會實驗探究的一般方法，養成“假說-演繹-歸納-建?！钡目茖W思維；通過從個體和細胞水平上闡釋植物向光性運動的機理，理解植物向光性運動是適應環境的一種表現。

4 課堂教學設計

4.1 以生命現象導入新課

學生通過觀察延遲攝影拍攝的向日葵幼苗動圖，思考向日葵幼苗彎曲生長的外因，并提出疑問：“向日葵幼苗的感光部位在哪里？”然后，分組討論、設計實驗探究植物的感光部位。某小組選擇了三棵幼苗作為實驗對象：第一組為空白對照組不做處理；第二組用黑色袋子遮住幼苗上部；第三組用黑色袋子遮住幼苗下部，并給于單側光照射，觀察實驗現象。

設計意圖：有趣的生命現象可以激發學生的學習興趣，使學生產生學習動機，主動地想去探索知識。同時，學生通過互動碰撞出思想的火花，可以極大地豐富課堂的教學，促進其深度學習，更有利于主動地理解并掌握基本的實驗設計方法和原則，繼而培養生物學學科核心素養。

4.2 重現經典實驗，發現隱藏其中的“假說-演繹”的科學思維

4.2.1 引出達爾文假說

教師借學生設計的實驗，引出達爾文父子設計的實驗。學生對兩組實驗進行比較，改進實驗方案，與達爾文父子設計的一樣設置4個組，但每組增加至5個胚芽鞘，并給于單側光照射。教師根據學生實驗的現象，引出達爾文提出的“化學信號假說”，并引導學生設計實驗以驗證假說。

設計意圖：學生在實驗中增加胚芽鞘的數量，目的是減少實驗誤差。要實現深度學習，教師需要引導學生學會自我評價，整合自己已有的知識，發現問題、反思不足之處并進行調整。評價和反思是培養學生質疑能力的前提。

4.2.2 挖掘“假說-演繹”中隱藏的科學思維

學生根據達爾文“假說”自行演繹，在環境適宜生長的情況下，選取2個生長狀態相近的胚芽鞘，對照組胚芽鞘不做處理，實驗組胚芽鞘去除尖端0.5 cm，在均勻光照5 h后，實驗結果為對照組直立生長0.2 cm，實驗組生長不明顯。其他學生根據該學生的實驗進行評價，認為該實驗方案可以得出：胚芽鞘尖端可以控制下部的生長，但無法直接驗證一定是某種化學物物質引起胚芽鞘生長。教師借此引出詹森的實驗方案，學生發現詹森利用化學物質可透過瓊脂而無法透過云母片的特點，從而確定是尖端產生的某種化學物質引起彎曲現象。但有邏輯嚴謹的學生提出質疑：詹森并沒有排除胚芽鞘尖端本身對下部生長的影響。此時，教師介紹溫特的實驗方案：溫特巧妙地用積累了尖端某種化學物質的瓊脂塊代替胚芽鞘尖端進行實驗，從而排除胚芽鞘尖端本身對下部的影響。

設計意圖：達爾文假說的演繹過程實則是科學家如何巧妙設計實驗驗證假說的科學思維過程，并非是三個實驗的簡單呈現，包含了層層遞進的邏輯關系。深度學習的落實不僅需要學生親歷實驗的過程，還要求學生能夠形成更高階的理性思維，即批判性的理解和分析。學生對已有知識進行反思和質疑，有意識地通過實驗探求真知，主動梳理知識之間的內在邏輯聯系。其中，敢于質疑和邏輯梳理亦是生物科學素養的范疇。

4.2.3 演繹假說的曲折

學生自行選擇較常見的單子葉植物玉米和小麥，通過實驗發現：小麥發芽快但胚芽鞘較細小，不易操作；玉米雖然發芽等待時間較小麥長，但玉米胚芽鞘較粗易操作；故最終選擇了玉米胚芽鞘為實驗對象。學生在重現達爾文父子的實驗時，因地制宜地選擇了不透明的和透明的筆蓋作為實驗材料來完成實驗。學生在重現詹森實驗過程中，因云母片較厚操作較難，改用較輕易上手且能阻斷化學物質透過的錫紙；有小組嘗試用食品用的明膠片代替瓊脂塊，但在后續實驗過程中發現其吸水性強，導致胚芽鞘脫水而無法生長，隨即放棄使用。在重現溫特的實驗過程中，學生覺得等待胚芽鞘尖端生長素積累到瓊脂塊的時間過長，查閱書本后，詢問教師是否有生長素人工類似物溶液來代替該步驟。該學生用該溶液浸泡瓊脂塊，大大提高了實驗的成功率。

設計意圖：學生演繹假說的過程中，不乏迸發出一些創新性的想法并予以實踐，有時成功，有時失敗。這種創新實踐的學習方式也就是深度學習。深度學習有利于培養學生的科學思維?？茖W思維實質是利用科學的思維方式來解決問題的過程，這個過程必須由學生親身實踐、創新、體驗、探索，讓學生深刻感悟科學探究實驗的不易，這也是培養學生實證意識的基礎。

4.3 從個體水平引入細胞水平的探究

教師補充小實驗：用黑色水筆在胚芽鞘的一側畫一條細線，2 d后，觀察黑色印記的變化。并提出問題：胚芽鞘伸長部位在哪里？胚芽鞘怎么伸長的？胚芽鞘如何彎曲的？……教師引導學生從個體水平探究深入到細胞水平的探究，學生主動提出需要借助光學顯微鏡觀察細胞。教師展示利用“ScopeImage 9.0”軟件拍攝顯微鏡下胚芽鞘縱切后的細胞結構（圖1），引導學生根據實驗現象進行分析。

圖1 顯微鏡下胚芽鞘縱切面結構圖

設計意圖：教師借助數字化工具與資源，用顯微鏡下觀察的照片代替常規教學使用的模式圖，使學生直觀感受胚芽鞘彎曲部位的向光側和背光側細胞的差異，從而加速深度學習的進程。學生經過實證再解釋了胚芽鞘彎曲生長的本質，尊重事實和證據，培養了嚴謹的求知態度，更好地培養了實證意識。

4.4 總結歸納，建構模型，知識遷移

4.4.1 結合實證，得出結論

學生根據顯微鏡下拍攝的照片和實驗結果，得出胚芽鞘向光彎曲伸長的內因是背光側生長素積累的較多。教師鼓勵學生根據結論提出新的假設。學生提出假設：光照可能會影響生長素的合成；光照可能會破壞生長素；單側光照可能導致生長素從向光側往背光側運輸等。教師展示單側光照對胚芽鞘尖端生長素分布的實驗結果（圖2），學生根據實驗現象，評價自己的假設，修正觀點，總結胚芽鞘向光彎曲的內因。

圖2 單側光對胚芽鞘尖端生長素分布的實驗現象

設計意圖：深度學習需要學生自己主動走近知識。教師引導學生提出假設，鍛煉學生語言表達能力。語言的表達有利于學生進行邏輯推理和論證。學生運用實驗現象來支持或反思自己的觀點，論述主張，為假設的成立構建合理的解釋。這種論證的過程實則是在培養學生的理性思維。具備語言表達能力和論證能力是生物科學素養的重要體現所在。

4.4.2 建構模型、遷移拓展

通過課堂實驗現象和結論，學生初步構建胚芽鞘彎曲生長的機理模型。隨后，教師引出植物向性運動的概念，并引導學生用該模型來推理植物向性運動的機理。最后，教師引出生長素的化學本質，并拓展介紹植物生長素“酸生長”學說。

設計意圖：學生將新知融入原有的認知結構中，整合性建構胚芽鞘彎曲生長的機理模型，靈活運用并解釋植物其他向性運動的機理。深度學習重視學生科學思維的培養，也就是學生能靈活應用所學知識和已有能力，解決實際問題。學生這種歸納、建模的能力是生物科學素養中的重中之重。

5 教學反思

本節課以培養學生科學思維為宗旨設計和組織教學，鼓勵學生養成對所學知識能夠有批判性理解、整合性構建以及創新性遷移的學習方式。對于生命科學植物激素探索史的教學，探究的不僅僅是實驗，更多的是科學思維的滲透。教師重視實證，讓學生“力行”，親自體驗實際生命科學實驗操作過程中諸多的困難，感悟到科學實驗探究的嚴謹性和曲折性。層次化的實驗情境的設計重在培養學生的邏輯梳理能力，環環相扣的實驗中不乏出現學生敢于批判和質疑的聲音，語言是學生理性思維的載體，語言的表達是學生深度思考的一種形式。教師巧妙運用學生課堂生成性問題，引導學生歸納總結、建構出胚芽鞘向光彎曲生長機理的模型，發展學生的論證技能，以達成在生物課堂中通過深度學習的方式培養學生科學思維的生物學學科核心素養。