指向科學思維培養的高中生物深度學習教學實踐

王上銳 凌瑩穎

（柳州高級中學 廣西柳州 545006）

1 概述

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修改）》（以下簡稱《課程標準》）明確提出應聚焦培養生物學學科核心素養。科學思維是核心素養的重要組成部分，具備開放性、批判性、創造性和邏輯性等特點，是一種綜合理解整合、知識遷移、總結運用的創新能力。科學思維的本質是人對自然界客觀事物的認知行為、認知方式和認知品質的反映。因此，具備科學思維的學生應具有如下能力特征：基于存在的問題，能從不同角度加以分析闡述；基于事實依據，能用求真態度進行辯證式思考；基于開拓創新的思想，能對理論知識加以深化及創造性運用；基于事物發展的規律，能對知識進行有條理地串聯。雖然培養科學思維的途徑和場所有很多，但最重要的陣地仍是生物學課堂。尤其教師在課堂中運用深度學習理念進行教學，對學生科學思維的培養有事半功倍的成效。

2 深度學習的概念

在我國，深度學習的概念和特征由黎加厚教授首次提出，他強調深度學習需要學習者批判地學習新思想和事實，結合原有的認知結構并建立聯系，從而將已有的知識遷移到新的情境中。由此可見，深度學習是一種帶有辯證的學習態度，要求學生能對知識的內涵與外延進行有深度、有廣度、有難度的思索，并將這些收獲進行遷移和應用，最后還要能對知識進行體系性整合及完善。因此，深度學習本質上就是一種問題解決學習，其發生起始于問題，能夠極大地拓寬學生思路，打破思維桎梏；其深入借助于獨立思考及敢于質疑，把學生從思維僵化中解放出來，使學生能對客觀事物進行辯證討論，而不是陷入“一題只一解”的思維惰性；其高潮在于解決生產生活實際困難，即學生能將已經獲得的知識遷移到新的情境中，真正解決生產生活實際困難，體現思維的創新性；其優化體現在結構化，即學生能融會貫通新舊知識體系，并建立圖形結構，將知識和思維邏輯化、結構化。綜合分析，從深度學習發生的開端、過程和結尾來看，每個階段無一不滲透培育科學思維。深度學習確是培養科學思維的重要手段。但是深度學習的開展也需要科學思維作為基石，兩者相輔相成，相得益彰。因此，通過深度學習培養科學思維的教學策略是能幫助教師達成教學目標的螺旋式階梯。

3 教學實踐

3.1 巧設問題，開拓思維

針對同一問題，能夠從不同角度分析從而得到不同答案是開放思維的重要表現。促進科學思維發展的關鍵是問題的設計。深度學習教學模式下的問題提出有兩種方式：①讓學生在探究和發現的過程中理解生命活動發生的規律和機理；②側重于讓學生主動去體驗或者創造出某項成果。前者強調讓學生能用語言或文字進行闡明或表述，而后者強調讓學生創造出一些能夠體現事物發展的成果。例如，在“細胞器”一節中，若以“能否為細胞器做自我介紹”切入，需要學生從課本內容中精煉出各種細胞器的功能，若從“如何為細胞器做簡歷”來導入，答案應通過學生制作出的成果來呈現。又如，在“生命活動的主要承擔者——蛋白質”這一課中，如果從“蛋白質在人體內經過了怎樣的奇妙旅行”這一問題來引導學生開展學習，強調的是讓學生進行陳述；如果從“如何繪制蛋白質‘生命之旅’的地圖”這一問題出發，則關注學生創造的學習成果。不管教師以哪一個問題作為這節課的切入點，學生都必須經過一系列的思考：人體吃進肚子里的蛋白質都去哪了？這些被分解后的物質又是怎么重新構成體內的結構？這些結構在人體內起到了什么作用？為什么同樣都是由蛋白質構成，卻能夠執行不同的功能？……所以，一個大問題實際暗含了多個小問題。

不難發現，高中生物教材中的知識點其實就是由一個又一個的問題串串聯形成的統一整體。教師如果能改進和整合這些問題，用一個更加具有開放性和創造性的問題來引領這些問題，學習的發生會來得更簡單而有效。一個好問題應當遵循以下原則：①問題應具有啟發性和調動性。提出的問題一定是學生感興趣的問題，能夠讓學生渴望參與到課堂中來，并且能激發他們分享與表達的欲望。這就要求教師了解學生當下關注和好奇的事情，并以此作為切入點。②問題應具有靈活性和變通性。問題的答案一定不是單一的，并且會因為學生思考程度的不同體現出差異。這些差異會讓學生的思想迸發出火花。③問題應具有統領性和概括性。統領性問題的解決依賴于具體化問題的攻破，具體化問題聯系在一起又構成了本節課的主線。

總而言之，巧妙的問題能在明確教學目標的基礎上打開學生的思路，是學生進行深度學習的敲門磚，而解決問題又依賴于科學思維能力的提高，進而反向推動深度學習的進行。

3.2 明辨史學，批判思考

批判性思維是科學思維中非常重要的思維方式之一，也是衡量是否具備科學思維的重要指標。這是一種反省式的辯證思維，需要學生根據客觀標準，從實際出發，公正地評價一切，明辨是非。深度學習同樣強調、在理解的基礎上批判地學習新的思想和事實。因此批判思維的養成是深度學習的重要表現之一。生物科學史是科學家研究某一具體生物學知識的探索歷程，生物學是一門發展的學科，許多理論會隨著科學和技術的革新而被修正或推翻。這些科學史料便成為培養批判性思維的好素材。如何巧妙地利用科學史中的矛盾與沖突，激發學生對已有事實的批判與質疑，是教師需要思考的問題。

以“促胰液素的發現”一節課為例，教師需要適當地提供相應的背景資料作為鋪墊，如促胰液素的發現實際上源于19世紀貝爾納的實驗：酸性食糜進入小腸會引起胰腺分泌胰液，胰液通過導管注入小腸，其中的酶用來消化食物。根據這一現象，教師引導學生提出問題：小腸如何將胃酸到來的消息傳給胰腺？由于學生剛剛學完神經調節，很自然地會認為這一現象是神經調節的結果。此時，教師順勢展示消化生理學奠基人巴甫洛夫的觀點“胰腺分泌胰液是神經調節的結果”，得到學生贊同后，繼續提問：如果要證明這一結論，應該如何設計實驗？隨后，教師展示沃泰默的實驗結果，學生分析最終的實驗結果，得出結論：胰腺分泌胰液可以不通過神經系統來調節。雖然最終的結論與假設相悖，但教師展示實驗的結果足以說明問題。經過一番激烈的思想斗爭后，學生會對自己所得出的觀點產生極高的認同感，但沃泰默得出的結論：這是一個十分頑固的神經反射，因為小腸上的神經難以剔除干凈。這與學生得到的答案大相徑庭，這種批判和質疑引領著學生進一步思考問題：如果要證明確實是由小腸黏膜分泌的某種物質刺激了胰腺分泌胰液，應該如何設計實驗？由于此時學生處于思維的高潮階段，他們會迫不及待地完成實驗設計。隨后，教師引出斯他林、貝利斯的實驗，最終得出與假設相符的結論。在這堂科學史教學中，學生沿著科學家的探索歷程，體會了科學家思考的方式，領會了科學家設計實驗背后的意圖。

一堂完整的科學史教學應當包括問題引導、史料呈現、沖突質疑、思考探究、批判升華等幾個環節。史料呈現的目的并不在于讓學生將科學家的名字熟記，也不在于粗淺地閱覽一遍科學家的事跡，而是要讓他們感受科學家在提出和證明真理時所經歷的曲折，領會科學家探索背后的意圖和思想。其中，沖突質疑、思考探究是整個流程中最重要的環節，能決定思考到達的深度、矛盾不夠激烈，不足以深化思想。制造沖突或質疑需要教師對史料素材有豐富的積累，編織出一則精彩絕倫的故事，讓學生不是作為旁觀者，游覽在這段探索歷程，而是作為參與者，完全投入到課堂中。

3.3 自主實驗，遷移創新

創新性是科學思維的特點之一。思維的創新性需要學生在解決問題的過程中打破思維的固有模式，提出獨特有見地的解決方法。能夠觸類旁通和應用創新，是檢驗學生對知識掌握情況的重要指標，也是深度學習的關鍵環節。生物學是一門理論與實驗相結合的學科，實驗源于理論而又有別于理論，理論是實驗的高度總結，實驗是對理論知識的深化理解。通過自主實驗，實現知識的遷移與應用的創新，是科學思維培養的重要手段。

自主實驗需要學生打破定勢思維，不囿于教材，主動探索未知，其具體可以體現在實驗材料自主化、實驗過程自主化以及實驗結果分析自主化等方面。例如，關于綠葉中色素的提取和分離的實驗，教材中建議使用的材料是菠菜葉片，但富含色素的葉片其實還有很多，教師可以讓學生帶來自己認為的最合適的植物葉片作為實驗材料。學生對自己帶來的材料格外關注，往往會更積極地投入學習。實驗過程的展開可以源于課本而又高于課本，學生在閱讀完教材后，肯定會產生各種問題。例如，各種試劑有什么作用？為何層析液不能沒過濾液細線？濾紙條帶為何要剪去兩角？……針對這些問題，學生可以有側重地進行探究，教師在實驗過程中需要適時引導學生：探究實驗需要遵循什么原則？如何設計實驗？預期應得到什么結果？由于實驗材料和過程自主化，實驗結果的分析同樣也需要自主化。在結果分析中，學生需要先對自己探究問題進行分析；由于不同學生所用材料不一樣，之后又可以進行不同材料的結果分析。教師要適時抓住學生活躍的思維，進一步實現知識的遷移與深化：能否依據色素的不同顏色，判斷吸收了什么光？這在農業生產上有什么實踐指導意義？這樣可以從思維的廣度和深度上對本節課進行升華。一次自主實驗不僅實現了多個知識點的攻破，而且使學生在自主探究中再次體會了科學探究的一般流程，達到一舉多得的效果。

3.4 構建模型，梳理邏輯

《課程標準》中明確指出：學生應該在學習過程中逐步發展科學思維，能夠運用模型與建模等方法探討、闡釋生命現象及規律。由此可見，模型構建是培養科學思維的重要手段。高中生物學教材中的模型構建包括物理、數學和概念模型三種類型。其中，概念模型能有效地幫助學生進行邏輯串聯和思維訓練。高中生物學中的概念模型是用文字、圖像、連線等形式描述生命活動的規律和機理，其呈現出來的形式可以是思維導圖、流程圖等。繪制思維導圖的切入點是確定關鍵詞，以思維的發散作為輻射。這種模式非常適用于高度整合的二輪復習階段。例如，以哺乳動物的成熟紅細胞作為關鍵詞，高中教材中提及這一概念的次數很多，學生進行發散思考后應該可以聯想到來源、結構、功能等二級標題，而結構進一步又延伸出應用（如細胞膜的提取、磷脂在空氣-水界面排布、血紅蛋白的提取等等）這一個三級標題。這樣，教師利用一個關鍵詞，網羅了從必修到選修的內容。這種獨特的歸納方式讓學生在回顧知識的同時。又有了新的體驗。最終呈現出的思維導圖完全取決于學生思考的深度。這樣不僅幫助學生進行了知識的回顧和思維的梳理，也讓教師對學生的思考深度有了進一步的了解。又如，在復習“通過神經系統的調節”這一章內容時，教師也可以利用思維導圖，將課本復雜的內容進行有邏輯的簡化（圖1）。

圖1 神經調節思維導圖

教師通過一幅清晰明了的知識結構圖，將學生所學知識串聯在一起，使學生在形成框架的同時又將細微的知識點逐一填充。繪制思維導圖的過程不僅是在建立概念知識的聯系，更是將學生思考過程可視化，可以幫助學生進一步達成思維的邏輯性和條理性。

4 結語

傳統的死記硬背、被動輸入知識等淺層學習模式會固化學生的思維、束縛學生的發展，而深度學習能較好地達成科學思維的培養目標，全面促進學生的綜合、評價和創造等高階能力。深度學習課堂的主體是學生，學生永遠是課堂實踐中最生動和最活躍的分子；課堂的主導是教師，教師可以從問題引導、巧用科學史、構建模型以及自主探究實驗等方面開展教學，不斷引領學生發展思維的開放性、批判性、創造性和邏輯性。

總之，深度學習在促進科學思維的發展上具有獨特的積極意義。高中生物學教師應深入理解和領悟其中的教育教學規律，并適時、適當融入課堂，以實現科學思維的培養目標。