深度學習視域下生理生態學實驗課程教學改革探索

龔立新 高琳琳 江廷磊

摘? 要：生理生態學實驗是生態學專業的主干課程，在學習過程中促使學習者達成深度學習樣態，對于學習者掌握生態學基本方法、提升生態學學習興趣以及發展科學研究素養具有重要意義。為此，該文首先分析深度學習概念及關鍵特征，并結合教學實踐觀摩發現深度學習視域下生理生態學實驗教學存在教學模式落后、資源工具匱乏、評價反饋滯后與情境設置單一等現實困境。基于此，提出選用以學生為中心的翻轉課堂模式，圍繞實驗階段的行為表現評價設計，多元設置符合知識運用的生活情境，選用滿足實驗需要的信息資源工具等改革策略，以期為生理生態學實驗教學改革以及生態學專業教學質量提升提供參考。

關鍵詞：深度學習;生理生態學實驗;生態學;改革困境;改革策略

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）17-0138-04

Abstract： Physiological Ecology Experiment is the main course for ecology majors. In the process of learning to promote learners to reach the deep learning mode， for learners to master the basic methods of ecology， enhance interest in ecology learning， and develop scientific research literacy， this is of great significance. To this end， the article first analyzed the concept of deep learning and key features， and combined with the observation of teaching practice， found that the teaching of Physiological Ecology Experiment under the perspective of deep learning exists in backward teaching modes， a lack of resources and tools， lagging evaluation and feedback， a single set of contexts， and other practical dilemmas. Based on this， reform strategies such as choosing a student-centered flipped classroom model， designing the evaluation of behavioral performance around the experimental stage， setting up life situations in line with the application of knowledge in a diversified way， and choosing information resource tools to meet the needs of experiments are proposed. This study provides references for the reform of first-line physiological ecology experimental teaching as well as the enhancement of the quality of teaching for ecology majors.

Keywords： deep learning; Physiological Ecology Experiment; ecology; reform dilemma; reform strategy

黨的二十大明確提出“尊重自然、順應自然、保護自然”的重要論斷，指明了生態文明建設的重大戰略意義[1]。生態學專業不僅是人類認識自然的基礎，也是人類保護和利用自然的理論依據，更是生態文明建設的科學內涵。為此，生態學專業本科生的培養目標不僅關注學習者掌握扎實的理論基礎，而且強調其具備高水平的科學研究素養，以有能力認識與解決全球面臨的生態環境問題，進而促進人與自然和諧相處，落實生態文明建設。

生理生態學實驗是生態學專業的主干課程，旨在加深學習者對《生理生態學》理論知識的理解，掌握生理生態學的基本方法和技術，以及提高學習者生理生態學實驗能力與終生學習生理生態學先進實驗技術的理想信念。但當前的教學實踐普遍存在“學習者學習興趣低下，缺乏動手參與以及高階思維發展不足”等淺層學習問題[2]，極大阻礙了生態學專業培養目標的達成以及違背了生態文明建設者培養的初衷。為此，本文基于深度學習概念及關鍵特征的分析，揭示了深度學習視域下生理生態學實驗課程教學改革的現實困境，并提出了相應的改革策略，以期為生理生態學實驗教學改革提供參考，進而促進生態學專業培養目標的達成以及為國家生態文明建設輸送適應性人才。

一? 深度學習概念及關鍵特征

（一）? 深度學習的概念

深度學習（Deep Learning）起初是計算機機器學習研究中的一個新領域，意指建立、模擬人腦機制處理數據。20世紀70年代，美國學者費倫斯·馬頓（Ference Marton）和羅杰·薩爾喬（Roger Saljo）將深度學習概念引入教育領域，強調深度學習是學習者主動調動已有知識，順利解決問題并建構認知結構的學習。國內對于深度學習研究起步較晚，黎加厚教授于2005年在《促進學生深度學習》一文中指出：深度學習是指學習者在知識理解的基礎上，主動、批判地整合新知識，并能將所學新知遷移運用到生活情境的學習[3]。綜合國內外學者觀點可知，教育領域中的深度學習亦被稱為“深層學習”，是指學習者基于內在需求，主動探究問題、建構深層次知識結構以及發展學習者高階思維能力的一種學習范式[4]。

（二）? 深度學習關鍵特征

深度學習以建構主義理論、情境認知理論、分布式認知理論及元認知理論為基礎，具有“知識建構主動性、思維發展高階性、問題解決參與性與知識運用遷移性”四個關鍵特征。

1? 知識建構主動性

深度學習以學習者為中心，突出學習者主體地位，關注學習者內在動機的激發。在深度學習過程中，學習者往往主動調用已有知識經驗，通過新舊知識經驗的雙向作用實現知識的同化和順應，從而建構知識并調整原有知識結構。

2? 思維發展高階性

深度學習強調學習者在知識理解、記憶的基礎上，實現批判性思維、元認知等高階思維能力發展[5]。詳言之，深度學習一方面要求學習者主動對自我知識建構或問題解決過程進行檢查、批判與反思，并能及時調整學習過程;另一方面，學習者應能運用充分的理由解釋自我對新知的見解，以及說明自己問題探究的過程及所取得的結果。

3? 問題解決參與性

與傳統“身體無涉”的學習觀不同，深度學習關注學習者真正參與問題解決的過程。學習者不僅需要動腦思考、分析問題與發現問題，而且要動手操作、用眼觀察，調動身體各器官親身參與問題探究過程。

4? 知識運用遷移性

深度學習另一關鍵特征是強調知識運用的遷移性，即學習者能夠將所學新知遷移運用至新的情境解決相關問題[6]。這種遷移性不是簡單地套用知識或方法，而是需要學習者在原有知識經驗基礎上，分析情境的復雜性和差異性，并將已有知識經驗或思路重組，從而靈活運用知識順利解決相關問題。

二? 深度學習視域下生理生態學實驗教學改革的困境

從深度學習視角出發，理性審視當前生理生態學實驗教學改革的困境，可以為改革策略的提出奠定現實依據。為此，研究者基于深度學習概念及關鍵特征，綜合兩學期的課堂觀摩與分析發現，深度學習視域下生理生態學實驗教學改革的困境主要圍繞在教學模式落后、資源工具匱乏、評價反饋滯后與情境設置單一等四個方面。下文以基本生理指標的測定一課為例，詳述改革困境。

（一）? 教學模式落后，知識學習被動化

深度學習以學習者為中心，關注學習者學習興趣的提高，學習動力的提升。然而，在當前的生理生態學實驗課堂中，教師為了在規定課時內完成本門課程的培養目標，普遍采用傳統的知識講授教學模式，弱化了學生的主體地位[7]。譬如，在基本生理指標的測定課上，教師一直在講解動物體溫、脈搏和呼吸頻率等的測定方法和耗氧量的測定與能量代謝的計算方法，忽視了學生的主動思考與自主探究，使之難以調用已有知識經驗建構新知意義，導致學習者學習興趣不高以及學習動力不足。

（二）? 資源工具匱乏，問題探究旁觀化

深度學習關注學習者全方位參與問題探究過程，但當前的生理生態學實驗教學中，學習者缺乏適切的資源、設備和材料支持，難以調動身體多器官全方位參與問題探究。譬如，在基本生理指標的測定課中，學習者缺乏真正的實驗課程教材和人手或兩人一套的基礎實驗操作器材，并且沒有先進的便攜式動物能量代謝測量系統等工具支持，不僅難以讓每位學習者真正動手操作實驗和學習先進實驗技術與研究方法，而且鮮有能夠用眼觀察實驗現象、歸納結論，以致絕大多數學習者成為實驗探究的“旁觀者”。

（三）? 評價反饋滯后，思維發展低階化

深度學習側重學習者建構知識意義及發展高階思維能力。然而，當前的生理生態學實驗教學普遍由于評價反饋滯后，導致學習者的思維發展結果更多停留于低階水平。例如，在基本生理指標的測定課中，教師將注意力集中于自身知識講解的過程，忽視了對于學生自主問題探究過程與探究結果的實時評價與反饋，一方面致使學生處于疑惑困頓狀態，不能深入思考“影響體溫、脈搏、呼吸頻率和血壓的因素”等問題;另一方面導致學生經歷知識記憶、概念理解等思考過程，缺乏對比分析、質疑批判以及推理歸納等高階思維經驗的積累，極大阻礙了學習者高階思維能力發展。

（四）? 情境設置單一，知識運用固守化

深度學習強調學習者知識運用的遷移性，但當前的生理生態學實驗教學情境設置較為單一，忽視了新知與舊知的銜接，導致學習者知識遷移的成效低下。如在基本生理指標的測定課中，教師創設了“人體食物攝入量與體重關系”的單一情境，講解到每個人的代謝率都不相同，對于代謝率高的人而言，可以多吃食物增加或者維持能量，而對于代謝率低的人，多吃就容易增加體重，因而就需要減肥;忽視了與新知運用真實情境的關涉，導致學習者不明白小鼠耗氧量測定與能量代謝計算的真實用途，不能真正地解決其他動物耗氧量測定與能量代謝計算的問題，影響了新知運用的遷移性。

三? 深度學習視域下生理生態學實驗教學改革的策略

基于深度學習視域下生理生態學實驗教學改革的困境，本文從教學模式、學習評價、學習情境與資源工具等方面提出了相應的改革策略，意在為生理生態學實驗教學改革提供參考。

（一）? 教學模式：選用以學生為中心的翻轉課堂模式

學習者是深度學習活動的主體。學習者具有的認知經驗基礎、情感態度以及社會經歷等特征均對學習的信息加工過程產生一定的影響作用。為提高學習者主動性，教師可以選用以學習者為中心的翻轉課堂教學模式。近年來，伴隨信息技術的發展，翻轉課堂教學模式逐漸成為課程教學改革的新型模式。翻轉課堂教學模式使教師從傳統課堂中的知識傳授者轉變為學習者知識建構的引領者，即教師指導學習者根據自己的已有經驗，主動建構知識意義并發展高階思維。換言之，學習者成為自定學習步調的主人，可以根據學習內容反復地與同學、教師進行交互，以擴展和創造深度的知識。事實上，翻轉課堂將知識學習延伸至課前，把傳統課堂上知識傳授的過程置于課前微視頻的學習，而將課上更多的時間投入于問題深度探究與知識內化的過程，不僅增加了知識學習的次數，而且分解了知識內化與思維發展的難度。此外，翻轉課堂教學模式一般以“課前自主學習—課中問題探究—課后遷移反思”為主要流程[8]。基于此，本文結合生理生態學實驗知識學習的特性與規律，構建了生理生態學實驗翻轉課堂教學模式，如圖1所示。

由圖1可知，課前，教師根據學情分析與內容分析，制作微課并發布給學習者。學習者通過教師發布的微課自主學習并掌握基本知識與方法。然而，學生每天能夠集中精力完成作業的時間有限。如果每門課的課后任務都是翻轉課堂任務， 對于學生來說， 課業負擔過重， 也會影響學習的效果。為此，每堂課、每個知識點是不是利用翻轉課堂模式、怎樣利用翻轉課堂模式是由教學目標、學習者已有基礎、知識點的學科屬性以及知識點之間的聯系、教師與學生的狀態等因素綜合決定的。課中，學習者自主探究學科相關問題，一方面深化理解知識意義，建構學科本質觀念與方法;另一方面通過主動思考、經歷發現、構想和歸納等思維過程，發展高階思維能力。而教師應全程關注學習者自主探究過程并實時提供適切性指導，為探究困難的同學提供第一時間的幫助。另外，教師作為知識學習的引導者和咨詢者，應為學習者主動探究與知識學習提供學習支架，如任務單、思維導圖等，支持學習者課上深度探究與建構知識意義。課后，教師不僅要為學習者布置相關的課后作業，幫助學習者靈活運用所學知識遷移解決實際問題，而且要對學生在課上的表現進行細致的反思與評價，制定與修改后期的教學方案。此外，生態學專業教師在平時備課或自我教學能力提升過程中，應研讀翻轉課堂相關文獻、觀摩翻轉課堂實踐案例，提升有關翻轉課堂教學的理論功底與實踐能力，進而保障生理生態學實驗翻轉課堂教學的實施與成效。

（二）? 學習評價：圍繞實驗階段的行為表現評價設計

學習評價是對學生學習過程和結果進行價值判斷的活動，具有導向、激勵和改進的功能，是引導學生學習和成長的指揮棒。學習者的思維活動過程內隱于個體的頭腦中，難以直接評測與反饋。而學習者個體的學習行為是內隱思維活動的直接映射，可以反映、刻畫抽象的思維過程。為此，旨在解決評價反饋滯后及學習者高階思維發展的困境，教師可以圍繞實驗階段進行行為表現評價設計。

圍繞實驗階段的行為表現評價設計：第一，教師應深刻領悟教學大綱，結合課程實驗內容，確定本節課所包括的實驗階段。第二，教師應根據本節課實驗目標以及布盧姆等的認知領域目標分類，確定實驗階段的行為表現目標。布盧姆等的認知領域目標分為“知道、領會、應用、分析、綜合及評價”六個層次，用明確的思維性行為動詞描述所關涉的思維活動過程[9]。為此，教師可以用明確的行為動詞表現勾勒具體的目標行為樣態，為評價學生實驗探究過程與結果提供參考。如“發現身體大小對運動表現的影響作用;歸納生理指標測定的方法;分析刺激強度與肌肉收縮反應的關系”等，由淺入深地對學生進行評價，能夠深層次反映學生學習后的改變和身心發展。第三，教師應采用多樣化評價形式，不再拘泥于知識測驗或課后作業這種單一測評形式，如提問、手抄報、辯論賽等。第四，教師應強調評價主體的多元化。多元學習評價主體不局限于任課教師，還包括學生本人、同學、輔導員和班主任等。評價主體的多元化有利于集中各方的意見和建議，為教學持續改進指明方向。

（三）? 學習情境：多元設置符合知識運用的生活情境

學習遷移是指在一種情境中獲得的技能、知識或形成的態度對另一種情境中技能、知識的獲得或態度形成的影響[10]。多樣化的學習情境可以使學生擺脫學習材料表面特征的困擾，突出知識技能的本質特征，形成更穩定的認知結構，擴展知識與技能的應用范圍，提高學習遷移能力。此外，將抽象深奧的知識還原為具體真切的情境，使知識具象化或表征化，這有助于學生將新知識與已有經驗建立聯系，從而加深對知識的理解。因此，為提高學習者知識遷移能力，教師應多元設置符合知識運用的生活情境。

教師在實際教學中，一則，可以創設直接情境。直接情境是指與學習內容有直接聯系的實際問題或事實，有利于學生調動先驗知識，更高效地投入學習。二則，可以創設綜合情境。綜合情境是指與多學科知識內容相關的情境，使學習者不再定位于自身學科知識信息的簡單組合，而是跨學科、多維知識內容的關聯與整合，以促進學習者建立完善的認知結構，順利遷移解決新問題。三則，可以設置虛擬仿真情境，促進學習者在仿真情境中運用所學知識解決具體實際問題或新的理論問題，確信知識的有效性，促進學習的遷移能力。四則，可以創設應用情境，不局限于具體的生活場景，同時也可以考慮科研和生產中使用的情境，進一步引導學生用比較分析的方法，完成知識的有效遷移，全面掌握教學內容。

（四）? 資源工具：選用滿足實驗需要的信息資源工具

早在20世紀80年代，伴隨信息技術的發展，多媒體計算機便應用于教學。學習者全方位參與問題探究需要適切資源工具的支持，為此，教師在教學實踐中應選用滿足實驗需要的信息化資源工具，促進學習者調用眼睛、耳朵等多器官參與實驗探究，建構知識意義。詳言之，其一，可以選用思維導圖工具，支持學習者梳理實驗思路，歸納實驗結論;其二，可以選用虛擬仿真平臺，幫助學習者動手、動眼完成真實實驗環境難以完成的實驗，或者是具有一定危險性的實驗操作[11];其三，可以選用微課視頻資源，播放有關實驗操作的關鍵環節或者是某些優秀同學操作實驗的過程，幫助學習者跨越實驗探究難點，順利開展實驗;其四，可以選用智能化測評工具，幫助學習者實時了解與反思自我的實驗探究過程，進而及時修正探究操作，保證實驗結果;其五，可以選用圖形演示工具，為學習者提供形象表達工具，使許多抽象學習問題變得生動。

事實上，信息化資源工具之所以有助于學習者知識學習與自主探究，其作用機制在于信息化資源工具通過完成較低思維層次的認知活動，減輕學習者認知負荷，從而讓學習者投入更多精力于高層次認知活動，實現高階思維發展。然而，學習者自身興趣、知識經驗與認知風格存在個體差異性，教師應詳細進行學情分析，把握每位學生的先驗基礎以及“最近發展區”，瞄準學習者思維發展的“關鍵點”，為其提供適切的信息化資源工具，方能提升知識建構成效與達到思維發展目標。為此，教師應根據具體的實驗需要，結合精準的學情分析，合理選用信息化資源工具，以保障學習者減輕認知負荷，實現知識建構及高階思維發展。

四? 結束語

本文基于深度學習概念及關鍵特征，揭示了深度學習視域下生理生態學實驗教學改革的困境，并提出了相應的改革策略。在未來的研究中，研究者一方面將結合自身的生理生態學實驗課程，落實本文所提出的改革策略，驗證其有效性;另一方面將結合教學效果進一步修正與豐富深度學習視域下生理生態學實驗教學的實踐路徑。

參考文獻：

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[11] 魏民.在職業教育應用視角下的VR/AR技術[J].中國電化教育，2017（3）：10-15.

基金項目：國家自然科學基金青年項目“南蝠食性生態位寬度地理變化及其進化驅動力研究”（32301289）;中央高校基本科研業務費項目“蝙蝠食性生態位演化及其驅動因素”（2412023QD026）;吉林省教育科學規劃課題“生態學本科專業拔尖創新人才培養的實踐教學體系構建研究”（ZD21010）;東北師范大學環境學院教改項目“生態學本科專業創新人才培養的實踐教學體系研究”（HJ-JYKT20B07）

第一作者簡介：龔立新（1993-），男，漢族，云南玉溪人，博士，講師。研究方向為動物行為生態學與保護生物學。