例談基于深度學習的科學實踐教學

陳娟

【摘 ?要】本文以細胞吸水和失水為例，闡述以各種科學實踐展開對滲透裝置、動植物細胞滲透作用的教學，使得學生通過自主參與活動來完成教學，達到深度學習的目的，以此驗證基于科學實踐達成深度學習的可行性。

【關(guān)鍵詞】細胞吸水和失水；科學實踐；深度學習

深度學習倡導(dǎo)學習應(yīng)以學生為主，通過設(shè)計相應(yīng)的活動，幫助學生對學習材料進行加工、分析、聯(lián)想、內(nèi)化，進而完善自己的知識體系。深度學習的其他特征都圍繞“活動與體驗”展開。高中生物學是以實驗操作和現(xiàn)象觀察為主的一門學科，眾多抽象的生物學概念需要結(jié)合學生的動手實驗。科學實踐活動是生物學活動的主心骨，通過學生自主地參與活動并質(zhì)疑、探究、反思、修正，真正達成知識的內(nèi)化。

一、科學實踐的基本特征

科學實踐是深度學習的外在表現(xiàn)。應(yīng)用科學實踐，要認識它是集合多方特性于一體的綜合實踐活動。

（一）科學實踐的主體性

實踐重視的是學生真正參與的主體性活動，學生必須成為學習的主角。它力求科學探究的設(shè)計不再是以教師教授為主，應(yīng)該轉(zhuǎn)型為教師提供素材和資料，激發(fā)學生的積極態(tài)度，讓他們自發(fā)主動地思考，進行相應(yīng)的實驗探究。被動機械的學習方式會禁錮學生的思維發(fā)展，枯燥的教師主講方式會極大降低學生學習的興趣。要有效發(fā)揮學生的主體性地位參與科學實踐，積極體驗，才能深入思考現(xiàn)象與原理間的聯(lián)系，完成對概念本質(zhì)的把握。

（二）科學實踐的開放性

科學實踐的開放性強調(diào)的是進行科學實踐不強制完全按照教材提供的實驗設(shè)計方案，它有更多的選擇權(quán)。與傳統(tǒng)封閉式、結(jié)構(gòu)式的科學探究不同，科學實踐關(guān)注學生特點，認同學生在熟悉實驗思路的基礎(chǔ)上，根據(jù)自身所處的不同情境進行遷移和創(chuàng)造，設(shè)計相應(yīng)解決問題的實驗方案。它也不局限進行實踐的時間和空間，除了教師安排的課堂活動，更倡導(dǎo)學生利用課余的時間，在家或更開闊的場地進行相應(yīng)的實踐。充分利用學生的課余延長實驗的時間線，能改變課堂時間的局促性，讓實驗過程呈現(xiàn)得更完整，也能提供充分的時間讓學生收集實驗資料，并調(diào)動以往的知識經(jīng)驗加以聯(lián)想思考，把握實踐知識的本質(zhì)，完成深度學習。

（三）科學實踐的多維性

科學實踐是多維度的活動，它不僅是理智的，還深受情感、文化、社會的影響。作為科學實踐，它是有邏輯理論依托的存在，是批判性思維的產(chǎn)物，是科學的存在。但由于新時代要求教師要立德樹人，在生物學科中不僅要傳授學生科學知識，還應(yīng)該引導(dǎo)學生關(guān)注社會生活，學以致用，能用生物學知識解決生活實際問題。因此科學實踐要深度結(jié)合與學生息息相關(guān)的生活實際，基于服務(wù)本土文化生活的目標出發(fā)，進行實驗探究，獲得新的理論知識，為培養(yǎng)能解決一定生產(chǎn)、生活問題的素養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

（四）科學實踐的過程性

與直接獲取理論知識不同，科學實踐重視過程的呈現(xiàn)。其一，實踐過程不是單純按照教材提供的教學步驟動手操作，而是看重學生如何根據(jù)情境，利用不同的實驗材料，創(chuàng)造性地進行實驗探究。其二，科學實踐過程中各種師生互動、生生互動都是實踐成效的重要評價要點都應(yīng)該引起關(guān)注。學生如何通過實驗驗證教師的提問或假說，對于實驗結(jié)果的創(chuàng)造性表達方式，學生間的合作探究活動開展情況，對于實驗結(jié)果的分析、推理、綜合、概括程度等都在一定程度上判斷學生是否真正內(nèi)化知識。這些深度學習所提倡的親身經(jīng)歷和體驗，能引導(dǎo)學生主動地去感知知識內(nèi)容，對實踐過程全身心地投入是助力學生掌握知識的重要活動環(huán)節(jié)。

二、基于深度學習的科學實踐案例

筆者在研究科學實踐的特征后，以被動運輸中細胞的吸水和失水內(nèi)容為例，設(shè)計科學實踐活動，促進學生深度學習。

（一）滲透裝置科學實踐

1.情境遷移，任務(wù)布置

在課前準備任務(wù)中，教師帶領(lǐng)學生用紅墨水滴在清水中完成擴散實驗。在此基礎(chǔ)上，要求學生根據(jù)現(xiàn)象，提出問題：紅墨水在水中擴散，說明溶質(zhì)分子能夠從濃度高的地方向濃度低的地方擴散。那么水也能夠擴散嗎？做出假設(shè)：水分子也能從“水多”的地方向“水少”的地方擴散。帶領(lǐng)學生設(shè)計實驗，并形成兩個重要思路：（1）利用不同濃度的溶液創(chuàng)造“水多”與“水少”的差異；（2）半透膜可以允許水分子通過，而溶質(zhì)分子不能通過，以此維持膜兩側(cè)的濃度差。在完成實驗設(shè)計引導(dǎo)后，教師布置任務(wù)：要求學生利用微課做指導(dǎo)，自學滲透作用的原理，在家利用周圍的材料，制作滲透裝置的模型。

2.科學實踐，進行深度學習

在任務(wù)完成過程中，與學生交流互動后，得出幾點材料用具選擇上的要點。在溶液選擇中，學生普遍用易獲得的清水、蔗糖溶液。半透膜的選擇上比較多樣，有網(wǎng)購玻璃紙、糖果包裝紙代替，都能取得想要的液面變化效果。較多學生選擇圓柱形管代替長頸漏斗，如牙刷的包裝殼，效果比較良好的是0.5cm簽字筆外殼。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，直徑越小的圓柱形管，后期液面上升所需要的時間越短。燒杯的替代物除了日常杯子，個別同學用帶蓋口香糖罐代替，不僅可以直接切口圓柱形管，實驗達成的時間也越短。經(jīng)過普及后，眾多學生采用這個新方案。本實驗完成后，再要求學生模擬漏斗內(nèi)外都是等濃度的蔗糖溶液和用紗布代替半透膜實驗組別。所有實驗現(xiàn)象都要求拍照記錄，并將結(jié)果以表格形式記錄。

通過本次科學實踐，學生將復(fù)雜的滲透裝置搬到家里進行，利用生活中常見的一些材料重新改進實驗裝置，不僅提升了學習生物學的興趣，而且學生通過不斷地質(zhì)疑、反思材料選擇是否合適，是否符合滲透作用發(fā)生的要求，從而有深度地達成對滲透作用條件的認識。在對比、分析實驗結(jié)果的過程中，能夠連接所有注意點，總結(jié)滲透作用的概念和發(fā)生的條件，主動地完成學習目標。

（二）動物細胞吸水和失水科學實踐

1.情境導(dǎo)入，由興趣過渡實驗驗證

教師給出關(guān)于生理鹽水的資料，提出問題：為什么臨床上輸液要用生理鹽水？在引發(fā)學生興趣的同時，要求學生通過實驗驗證。

2.實驗探究實踐，以探促學

教師提供新鮮的豬血細胞、蒸餾水、生理鹽水、15%NaCl濃液等材料，要求學生利用顯微鏡觀察豬血細胞在不同溶液中狀態(tài)。教師指導(dǎo)學生先將豬血細胞滴入盛有生理鹽水的燒杯中，稀釋豬血細胞。再吸取少量的豬血細胞稀釋液，制作至少兩個臨時裝片并觀察細胞形態(tài)。記錄結(jié)果后，分別在不同的臨時裝片一側(cè)滴加蒸餾水和15%NaCl溶液，另一側(cè)用吸水紙慢慢吸引，關(guān)注細胞的形態(tài)變化并記錄。學生通過觀察后發(fā)現(xiàn)，在生理鹽水中豬血細胞形態(tài)基本正常，邊緣完整。滴加蒸餾水后，豬血細胞明顯鼓脹，體積增大，視野邊緣的豬血細胞漲破，細胞內(nèi)容物流出。滴加15%NaCl溶液后，處于邊緣處的豬血細胞體積減小，發(fā)生了皺縮。

（三）植物細胞吸水和失水科學實踐

1.回顧成熟植物細胞結(jié)構(gòu)，構(gòu)建物理模型

生活中植物出水的例子比比皆是，教師節(jié)選貼近生活的實例，如腌蘿卜出水，引發(fā)學生思考植物細胞是否也能發(fā)生滲透作用。如果發(fā)生，它的原理是否與動物細胞一致。教師要求學生根據(jù)第三單元對細胞結(jié)構(gòu)的認識，分析動植物在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別，并嘗試用可見的素材構(gòu)建動植物細胞物理模型，在制作上可以忽略細胞器，但是要突出細胞壁、細胞膜在結(jié)構(gòu)上的一些重要性質(zhì)。經(jīng)過學生的建模反饋，教師選出最突出的作品是用氣球模擬動植物細胞膜，用帶孔的方形水果采摘籃模擬細胞壁。

2.修正模型，利用模型幫助思維延伸

教師提供的資料：一個成熟的植物細胞中液泡的體積占90%以上，成熟植物細胞中的液體環(huán)境主要與細胞液有關(guān)。學生根據(jù)資料對植物細胞的物理模型做修正，用小氣球模擬大液泡。教師要求學生觀察模型，并根據(jù)自己在制作模型過程中對成熟植物細胞結(jié)構(gòu)的再深入認識，思考回答：（1）液泡中的水到達細胞外主要依次穿過什么結(jié)構(gòu)？（2）你認為成熟植物細胞的什么結(jié)構(gòu)充當半透膜？如何驗證你的猜想？學生分析、討論，得出液泡中的水到達細胞外依次經(jīng)歷液泡膜—細胞質(zhì)—細胞膜—細胞壁，由此猜測植物細胞的水分進出也是滲透作用。對水分子來說，細胞壁是全透性的，而細胞膜和液泡膜都屬于生物膜，都具有選擇透過性特點，因此它們相當于半透膜。在學生的分析基礎(chǔ)上，教師引出原生質(zhì)層的定義，并提出任務(wù)：進行實驗驗證，成熟植物細胞的原生質(zhì)層相當于一層半

透膜。

3.利用教材的提示，進行科學探究實踐

教師要求學生根據(jù)科學探究的一般過程，完成探究實驗。學生提出問題：水進出植物細胞是滲透作用嗎？原生質(zhì)層相當于一層半透膜嗎？隨即作出假設(shè)，通過小組合作設(shè)計實驗并進行實驗，記錄結(jié)果并分享。

4.小組合作分析討論，深度化知識

引導(dǎo)學生分析實驗結(jié)果，借用物理模型輔助理解實驗現(xiàn)象，確定實驗結(jié)論。結(jié)合前面所學，學生可以很容易地自主概括質(zhì)壁分離的概念和發(fā)生的條件，解決了本節(jié)的一個重難點。

5.開放性實驗，進行質(zhì)壁分離探究

教師提醒學生關(guān)注進行質(zhì)壁分離實驗用到的材料和溶液類型的特殊性，從細胞角度和溶液角度指導(dǎo)學生判斷細胞能否發(fā)生質(zhì)壁分離。要求學生選擇感興趣的角度，利用教師提供的材料，按照“我選擇的是材料是_________，我準備驗證假說是 _________，經(jīng)過實驗，得出的實驗結(jié)果是_________實驗結(jié)果_________（支持或不支持）假說”模式驗證感興趣的觀點。從細胞角度上，學生選擇豬血細胞驗證質(zhì)壁分離需要細胞壁；選擇黑藻驗證質(zhì)壁分離需要中央大液泡。從溶液的角度，學生選擇0.5g/ml的葡萄糖溶液驗證溶質(zhì)可穿膜的溶液，發(fā)生質(zhì)壁分離，后自動復(fù)原；選擇0.5g/ml的蔗糖溶液驗證溶液溶度過高時，細胞質(zhì)壁分離后由失水過多而死亡，不能復(fù)原；選擇95%酒精驗證能殺死細胞的溶液中不發(fā)生質(zhì)壁分離。學生間相互合作，分享自己的實踐結(jié)果，并進行自評和互評，達成對延伸難點的深度學習的目的。

三、結(jié)束語

深度學習能夠幫助學生將學習內(nèi)容不斷內(nèi)化，提煉整合，真正掌握知識的內(nèi)核。科學實踐的特點切合深度學習的意圖，是助力深度學習的有效手段。筆者通過細胞吸水和失水過程中的一系列科學實踐，從吸引學生興趣開始，激發(fā)學生積極主動地參與各項活動。學生利用課內(nèi)外時間，利用材料用具對滲透作用、動植物細胞的吸水和失水進行模型構(gòu)建、實驗裝置修正、實驗探究驗證，達成了科學思維和科學探究核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。學生通過實踐活動、聯(lián)系新舊知識深入思考、主動學習、完善知識體系，完成了深度學習所要求地宗旨。