深度學習視角下的高中生物實驗教學探究

“因學習目標不同，學習者往往會關注學習內容的不同方面，進行兩種不同層次的思維學習。”這兩種層次的思維學習分別對應低階思維（即淺層學習）和高階思維（即深度學習）。深度學習最早起源于布魯納的目標教學，布魯納等人把認知分為知道、領會、應用、分析、綜合、評價六個層次，并認為前三個層次屬于低階思維，后三個層次為高階思維[1。而“深度學習”一詞正式提出則是在1976年。近些年來國內教育界又刮起“深度學習”熱潮，我國正進行全面深化課程改革落實核心素養，深度學習是其重要路徑，從育人角度而言，深度學習也為立德樹人根本任務所服務，在這個過程中，學生有望成為學識基礎扎實，獨立思考，善于交流合作，具備創新思維和實踐精神，有能力有擔當的人。

實驗教學是高中生物學課程教學的重要環節，也是落實生物學核心素養的有力支撐。高中生物學課程標準提出教師要組織好觀察、實驗等探究性學習活動，幫助學生提升感性認識，使學生領悟科學研究的方法并習得相關操作技能[2]。然而在傳統的實驗教學中，先由教師講解實驗原理和實驗步驟，再進行演示實驗操作，最后學生來進行重復，得到相應的結果。這樣的流程已然成為常態，實驗教學的目的就好像是要培養能夠機械復制實驗的機器人，學生在淺層學習的基礎上，學習主動性缺乏，知識的內在聯系和遷移能力并未把握，知識體系尚未搭建，整個過程中鮮有理解和反思。

一、活動與體驗

深度學習是誰學？深度學習是學生的學習，強調學生的主體地位。實驗教學是否有效，一定要從學生的角度去判斷，首先要明確學生有沒有主動活動和內在體驗，即有思想、有情緒的活動和全身心投入的體驗。這里不是讓教師從“滿堂教\"變成“滿堂問”或是“滿堂做”，學生的學習不能是被動地接納知識，也不能是支配式的思考和盲目實踐。主張學生應通過主動的有目的的活動，感受理解并掌握即將學習的知識，這就要求教師在設計實驗學習活動時應充分考慮學生的情感需求和情緒價值，設計出能夠讓學生進發出活力和思維火花的沉浸式課堂[3]。回顧以往的實驗教學活動，一些生物學實驗雖然經典，卻并未聯系學生的日常生活、興趣愛好及當下熱點。開門見山的實驗原理和實驗操作讓整個實驗教學沉悶無趣，其教學成果可想而知。對此，應提倡以情境化實驗教學來搭建思維認知和情感活動的橋梁。21世紀迎來的是科技時代，教學需要充分利用科技的力量。

例如，在選擇性必修三“果醋發酵”的實驗中，教師可以借助信息技術手段，如多媒體動畫、虛擬仿真等讓學生在真實情境中體驗傳統與工業釀制的全過程。在國家智慧教育平臺上，有關于山西老陳醋釀制的虛擬實驗資源，教師可以利用該資源在計算機上開展虛擬仿真教學。借助計算機和VR設備，學生可以沉浸式體驗蒸、酵、重、淋、陳五大工藝的詳細工序，并能直觀地看到工業生產中的運行狀態。學生在了解果醋發酵操作步驟的基礎上，還能夠進入虛擬實驗系統，全方位地觀察發酵罐的結構和組成部件，并可以反復改變操作條件，如通氣量、pH、攪拌速度等來觀察產生的影響。這樣的好處是既可以模擬真實情境，啟發學生自主式、探究式學習，又能夠規避一些實際操作所帶來的潛在危險。學生可以從課堂走近“工業生產的一線”，學習可以從課本走向“實地考察”，如此生動的生物學實驗教學才能激發學生的學習興趣和探索欲望，由此深度學習也才能開始進行。

二、聯想與結構

深度學習怎么學？深度學習作為一種學習活動，處理的是學科知識和學生經驗之間的相互轉化。

學生在面對陌生的新知識時會茫然無措或是團圖吞棗，如果教師這時一方面能夠調動學生的以往經驗來參與當下學習，另一方面可以將新知識與以往經驗間建立一定的結構聯系，將新知識轉化為學生自己的經驗，那么學生的狀態會更加自信飽滿，學習的過程會更加輕松愉快，學習的成效也必將事半功倍。需要注意的是這種聯想與結構不是來自教參、教輔，也不是來自論文及一些研究性材料，而是應該順從學生的理解、記憶、思維而進行，因此作為師者，在傳道授業解惑前要及時準確掌握學情。

例如，在探究“細胞呼吸的方式”實驗中，有氧呼吸和無氧呼吸的實驗裝置設置一上來就直接提問學生，學生當然摸不著頭緒，那如果是由教師一一講解如何設置及理由，學生又尚未思考，當然也不會有知識的聯想與架構，教師應該充分調動學生已有知識，包括跨學科的知識。有氧呼吸的裝置中錐形瓶上的導管為什么是長進短出？這和氣體的溶解度有關；為了排除空氣中二氧化碳對實驗結果的影響，實驗裝置如何改進？可以在裝有酵母菌培養液的錐形瓶的前面增加一個裝有氯化鈣的錐形瓶；無氧呼吸裝置中最后對于產物酒精的檢測，是不是只要酸性重鉻酸鉀變色就說明有酒精產生？教師可以給出重鉻酸鉀變為硫酸鉻的化學方程式，標出鉻的化合價，讓學生說出這是氧化還原反應，分析出之所以可以用重鉻酸鉀檢測酒精那是因為酒精具有還原性。引發學生進一步思考，整個實驗過程中具有還原性的除酒精外還有什么？如果這里學生不能馬上想到，教師可以提示前面所學過的還原糖，學生應該能想到可能是酵母菌培養液中的葡萄糖未耗盡所引起的。教師可以緊接著再問如何證明這個猜想？一環接一環的問題設置，既進行了實驗裝置的教學，又將新知識與學生已有經驗聯系起來，建立結構，將深度學習進行下去。

三、本質與變式

深度學習學什么？深度學習學的是知識內容，更重要的背后學科思維和規律，是在淺層學習基礎上的拓展和延伸，強調教師應著眼于學科的基本思想和基本方法，要對學習內容進行轉化，提供更有典型意義的學習材料[4]。在具體的實驗教學中，教師應該提供給學生不同的實驗材料、不同的實驗方案、不同的探究角度，讓學生全方位、多元化地進行選擇、思考、研究，讓學生在這個過程中對紛繁復雜的知識表象進行刪繁就簡、審視推理、概括建構，透過變式看到本質內核。生物學的實驗教學通常是循規蹈矩按部就班的過程，單一的實驗材料，教科書般的實驗步驟，顯而易見的實驗結果，看似符合當下所倡導的實驗教學中“要讓學生動起來”的教學理念，但只動手不動腦，這樣流水的實驗流程難以促進深度學習真實的發生。

例如，在“探究植物細胞吸水失水”實驗中，教師可以先演示兩個生活中的小實驗：一是將萎蔫的葉片浸泡在清水中；二是將白菜剪碎后放一些鹽，組織學生來觀察實驗現象，學生可以直觀地看到葉片硬挺和白菜中有水分滲出。對此讓學生解釋為什么會出現這樣的現象，對于學生的解釋教師不要急著評價對錯。引導學生從微觀角度根據提供的實驗材料分組實驗來進行驗證。實驗用具除了顯微鏡和制作裝片所需的材料外，還有洋蔥鱗片葉外表皮、內表皮，黑藻細胞，根尖分生區細胞，蔗糖溶液和清水。選材不同，當然觀察到的實驗現象也不一樣，在學生實驗結束后分組進行展示。從三個角度進行匯報，實驗現象，結論，反思與改進。在這個過程中，學生不難發現，想要觀察到“質壁分離及復原”現象，外在因素細胞內外要具有濃度差，內在因素需要選擇成熟植物細胞（帶有大液泡），帶有顏色，現象更明顯。教師可以適時提問：色素一定要在細胞液內嗎？沒有顏色如何調整使得現象明顯？選擇黑藻細胞的實驗組也能觀察到實驗現象，由該組學生來說明色素所在位置；選擇洋蔥鱗片葉內表皮的組別教師可以適當提醒，如人為染色，調節視野來增加對比度等。最后回到一開始做的生活中的兩個小實驗上，這樣學生從宏觀和微觀兩個角度均觀察到植物細胞發生了失水和吸水。通過不同的實驗材料，學生也能夠總結植物細胞發生失水和吸水所需的條件。變化的是材料、是角度、是形式，但是知識的內涵，學科的規律并沒有改變。這就是透過現象看本質，這就是深度學習。

四、遷移與創造

為什么要深度學習？深度學習作為順應新時代教育教學改革的重要方式，其指向的是培養能夠適應并改造未來社會的創新型人才。因此，學生需在第三點把握本質的基礎上，舉一反三，完成遷移，這樣即使換一個新的情境，學生依然能夠解決問題。同時，因為問題的復雜性，學生需調動自身的綜合能力，這樣創造性就體現出來了。遷移與創造是學生在學科學習中深度學習的直接目的，是學生理解、內化知識之后的外化表現形式及創新性表達。如上文所述，課本中現有的生物學實驗雖經典但抽象，與實際生活相去甚遠，因此學生在這樣的背景下往往就算掌握了本質內核，也毫無用武之地。筆者認為遷移與創造不是學生自己的事情，教師需要提供相應的情境一提出具象化的問題、布置情境化任務。

例如，在“設計制作生態缸”的實驗中，本實驗來自選擇性必修二第三章《生態系統及其穩定性》最后的部分，此時學生已經學習了生態系統的組成部分及三個功能，這個實驗可以用來檢測學生對于新知識的掌握情況以及是否能夠活學活用。生態缸是一個微型人造生態系統，學生需要在有限的空間內，將生態系統的基本成分進行組織，使這樣的微型生態系統正常運轉，在設計時，學生還要考慮系統內組分及營養級之間的合適比例，在這個實驗中學生的知識遷移和實踐創造能力將被表現得淋漓盡致。實驗中，首先組織學生分組合作設計生態缸；其次進行小組展示匯報，由小組成員來介紹生態缸的組成并講解設計時考慮的因素及設計依據。學生在自己動手設計，傾聽別組匯報過程中完成對《生態系統》這一章知識的遷移與綜合。此外，不同組別之間的學生在展現生態學學科思想的同時設計必然也不會完全相同，整個實驗極具開放性和創造性。最后，由教師以提問形式進行總結，如生態缸中物質與能量的轉換情況是怎樣的？生態缸為什么能保持穩定性？讓學生深度認識到能量的流動，物質的循環都是維持生態平衡的物質基礎。

五、價值與評判

深度學習學的怎么樣？不是教師對學生的評價，是學生自己在完成一段學習后對學習過程和學習內容的反思和評判，價值與評判其實也是教學的終極任務和意義，教學的對象是人，人是會思考的高級動物，教育首先也是最重要的是培養有自己正確價值觀的人，體現在學生身上是能夠對周圍的人、活動或事物進行思考與評價[5。這就要求教師不要站在教育的高點去進行教學，不要認為自己所講所教全部都是正確的，教師需營造一個開放式的教學氛圍，這里允許有質疑的聲音，這里允許有不同于常規的思維方式，這里允許有師生平等交流討論的環境。當在學生那里聽到不一樣的聲音時，教師應該聆聽、思考、表達、鼓勵，久而久之學生的批判式思維和創造性更強。在生物學實驗教學中，教師應多聚焦于“與眾不同”的瞬間，抓住這些教育契機，如出現的不同實驗結果，對同一問題的不同分析等。

例如，在必修一“色素的提取和分離”實驗中，色素帶的寬窄能否用來表示色素的含量？教材中提到在葉綠體中主要含四種色素，葉綠素（葉綠素a和b）占3/4，類胡蘿卜素（胡蘿卜素和葉黃素）占 1/4 ，在分離的色素帶中應該表現在上面兩條帶比較窄，下面兩條帶比較粗，但學生通過動手實驗發現最終的結果是從上往下一三兩條帶（即胡蘿卜素和葉綠素a）比較明顯，二四兩條帶（即葉黃素和葉綠素b）不太看得出。當學生在這里提出疑問時，一旦教師直接以實驗操作有誤為由，那么深度學習就無法進行下去了。教師應該客觀對待理性分析，和學生一起梳理一遍實驗步驟，重復實驗，如果出現同樣的結果，引導學生進一步思考，做出假設并開展探究性學習，比如有學生提出可能是選取的實驗材料中色素含量和教材不一致導致的。通過選擇多種材料進行探究，最終學生發現在這些實驗材料中色素含量并不完全相同，葉綠素：類胡蘿卜素 =3：1 ，教材中這樣的比例不是絕對的。在不同種的葉片中或是同種葉片所處的不同階段色素含量都有可能存在差異。這就可以很好地解釋一開始出現的實驗現象。每一個生物學知識的背后總有一段科學探索史，科學家正是在不斷質疑、思索、實踐、批判下發現了真理，這是最高層次的深度學習。教師和學生說要學習科學家“解放思想、客觀唯實，追求真理”的精神，不斷挑戰權威，這種精神其實就是價值與評判，也是生物學實驗教學的核心內涵。

結束語

綜上所述，深度學習在高中生物實驗學習中的應用，既提升了學生的生物學核心素養，又促進了學生能力、思維和情感態度的全面發展。教師通過創設真實情境，調動學生已有經驗，引導學生多元化設計實驗方案，深入分析實驗現象等，完成創造性思維，科學探究能力，和運用所學知識解決實際問題能力的培養。

參考文獻

[1]賀晨旭，何鳳梅，陸祖軍.布魯納認知一發現理論及其對中學生物學教學指導的意義Ⅲ].教育觀察，2019，8（14）：44-46.

[2]沃玉峰.基于學科核心素養的高中生物進階實驗教學中培養拓展性思維的策略Ⅲ.天津教育，2024（18）：84-86.

[3]黃智越.重視思維啟發，促進深度探究：核心素養下高中生物實驗教學實踐探索Ⅲ高考，2024（21）：115-117.

[4]趙建新.高中生物實驗教學培養學生科學探究素養的研究[].甘肅教育研究，2024（11）：56-58.

[5]周文報，牛波.指向高階思維能力培養的高中生物深度學習策略研究[Ⅲ].試題與研究，2024（4）：28-30.