深度學(xué)習(xí)視角下的高中生物實驗教學(xué)探究

“因?qū)W習(xí)目標不同，學(xué)習(xí)者往往會關(guān)注學(xué)習(xí)內(nèi)容的不同方面，進行兩種不同層次的思維學(xué)習(xí)。”這兩種層次的思維學(xué)習(xí)分別對應(yīng)低階思維（即淺層學(xué)習(xí)）和高階思維（即深度學(xué)習(xí)）。深度學(xué)習(xí)最早起源于布魯納的目標教學(xué)，布魯納等人把認知分為知道、領(lǐng)會、應(yīng)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(xué)習(xí)”一詞正式提出則是在1976年。近些年來國內(nèi)教育界又刮起“深度學(xué)習(xí)”熱潮，我國正進行全面深化課程改革落實核心素養(yǎng)，深度學(xué)習(xí)是其重要路徑，從育人角度而言，深度學(xué)習(xí)也為立德樹人根本任務(wù)所服務(wù)，在這個過程中，學(xué)生有望成為學(xué)識基礎(chǔ)扎實，獨立思考，善于交流合作，具備創(chuàng)新思維和實踐精神，有能力有擔(dān)當(dāng)?shù)娜恕?/p>

實驗教學(xué)是高中生物學(xué)課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，也是落實生物學(xué)核心素養(yǎng)的有力支撐。高中生物學(xué)課程標準提出教師要組織好觀察、實驗等探究性學(xué)習(xí)活動，幫助學(xué)生提升感性認識，使學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)研究的方法并習(xí)得相關(guān)操作技能[2]。然而在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)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(xué)生來進行重復(fù)，得到相應(yīng)的結(jié)果。這樣的流程已然成為常態(tài)，實驗教學(xué)的目的就好像是要培養(yǎng)能夠機械復(fù)制實驗的機器人，學(xué)生在淺層學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)主動性缺乏，知識的內(nèi)在聯(lián)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(xué)習(xí)是誰學(xué)？深度學(xué)習(xí)是學(xué)生的學(xué)習(xí)，強調(diào)學(xué)生的主體地位。實驗教學(xué)是否有效，一定要從學(xué)生的角度去判斷，首先要明確學(xué)生有沒有主動活動和內(nèi)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(xué)生的學(xué)習(xí)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(xué)生應(yīng)通過主動的有目的的活動，感受理解并掌握即將學(xué)習(xí)的知識，這就要求教師在設(shè)計實驗學(xué)習(xí)活動時應(yīng)充分考慮學(xué)生的情感需求和情緒價值，設(shè)計出能夠讓學(xué)生進發(fā)出活力和思維火花的沉浸式課堂[3]。回顧以往的實驗教學(xué)活動，一些生物學(xué)實驗雖然經(jīng)典，卻并未聯(lián)系學(xué)生的日常生活、興趣愛好及當(dāng)下熱點。開門見山的實驗原理和實驗操作讓整個實驗教學(xué)沉悶無趣，其教學(xué)成果可想而知。對此，應(yīng)提倡以情境化實驗教學(xué)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(xué)需要充分利用科技的力量。

例如，在選擇性必修三“果醋發(fā)酵”的實驗中，教師可以借助信息技術(shù)手段，如多媒體動畫、虛擬仿真等讓學(xué)生在真實情境中體驗傳統(tǒng)與工業(yè)釀制的全過程。在國家智慧教育平臺上，有關(guān)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(xué)。借助計算機和VR設(shè)備，學(xué)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(yè)生產(chǎn)中的運行狀態(tài)。學(xué)生在了解果醋發(fā)酵操作步驟的基礎(chǔ)上，還能夠進入虛擬實驗系統(tǒng)，全方位地觀察發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)和組成部件，并可以反復(fù)改變操作條件，如通氣量、pH、攪拌速度等來觀察產(chǎn)生的影響。這樣的好處是既可以模擬真實情境，啟發(fā)學(xué)生自主式、探究式學(xué)習(xí)，又能夠規(guī)避一些實際操作所帶來的潛在危險。學(xué)生可以從課堂走近“工業(yè)生產(chǎn)的一線”，學(xué)習(xí)可以從課本走向“實地考察”，如此生動的生物學(xué)實驗教學(xué)才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索欲望，由此深度學(xué)習(xí)也才能開始進行。

二、聯(lián)想與結(jié)構(gòu)

深度學(xué)習(xí)怎么學(xué)？深度學(xué)習(xí)作為一種學(xué)習(xí)活動，處理的是學(xué)科知識和學(xué)生經(jīng)驗之間的相互轉(zhuǎn)化。

學(xué)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(diào)動學(xué)生的以往經(jīng)驗來參與當(dāng)下學(xué)習(xí)，另一方面可以將新知識與以往經(jīng)驗間建立一定的結(jié)構(gòu)聯(lián)系，將新知識轉(zhuǎn)化為學(xué)生自己的經(jīng)驗，那么學(xué)生的狀態(tài)會更加自信飽滿，學(xué)習(xí)的過程會更加輕松愉快，學(xué)習(xí)的成效也必將事半功倍。需要注意的是這種聯(lián)想與結(jié)構(gòu)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(yīng)該順從學(xué)生的理解、記憶、思維而進行，因此作為師者，在傳道授業(yè)解惑前要及時準確掌握學(xué)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(shè)置一上來就直接提問學(xué)生，學(xué)生當(dāng)然摸不著頭緒，那如果是由教師一一講解如何設(shè)置及理由，學(xué)生又尚未思考，當(dāng)然也不會有知識的聯(lián)想與架構(gòu)，教師應(yīng)該充分調(diào)動學(xué)生已有知識，包括跨學(xué)科的知識。有氧呼吸的裝置中錐形瓶上的導(dǎo)管為什么是長進短出？這和氣體的溶解度有關(guān)；為了排除空氣中二氧化碳對實驗結(jié)果的影響，實驗裝置如何改進？可以在裝有酵母菌培養(yǎng)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(chǎn)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(chǎn)生？教師可以給出重鉻酸鉀變?yōu)榱蛩徙t的化學(xué)方程式，標出鉻的化合價，讓學(xué)生說出這是氧化還原反應(yīng)，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(fā)學(xué)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(xué)生不能馬上想到，教師可以提示前面所學(xué)過的還原糖，學(xué)生應(yīng)該能想到可能是酵母菌培養(yǎng)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(huán)接一環(huán)的問題設(shè)置，既進行了實驗裝置的教學(xué)，又將新知識與學(xué)生已有經(jīng)驗聯(lián)系起來，建立結(jié)構(gòu)，將深度學(xué)習(xí)進行下去。

三、本質(zhì)與變式

深度學(xué)習(xí)學(xué)什么？深度學(xué)習(xí)學(xué)的是知識內(nèi)容，更重要的背后學(xué)科思維和規(guī)律，是在淺層學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上的拓展和延伸，強調(diào)教師應(yīng)著眼于學(xué)科的基本思想和基本方法，要對學(xué)習(xí)內(nèi)容進行轉(zhuǎn)化，提供更有典型意義的學(xué)習(xí)材料[4]。在具體的實驗教學(xué)中，教師應(yīng)該提供給學(xué)生不同的實驗材料、不同的實驗方案、不同的探究角度，讓學(xué)生全方位、多元化地進行選擇、思考、研究，讓學(xué)生在這個過程中對紛繁復(fù)雜的知識表象進行刪繁就簡、審視推理、概括建構(gòu)，透過變式看到本質(zhì)內(nèi)核。生物學(xué)的實驗教學(xué)通常是循規(guī)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(jié)果，看似符合當(dāng)下所倡導(dǎo)的實驗教學(xué)中“要讓學(xué)生動起來”的教學(xué)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(xué)習(xí)真實的發(fā)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(xué)生來觀察實驗現(xiàn)象，學(xué)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(xué)生解釋為什么會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，對于學(xué)生的解釋教師不要急著評價對錯。引導(dǎo)學(xué)生從微觀角度根據(jù)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(nèi)表皮，黑藻細胞，根尖分生區(qū)細胞，蔗糖溶液和清水。選材不同，當(dāng)然觀察到的實驗現(xiàn)象也不一樣，在學(xué)生實驗結(jié)束后分組進行展示。從三個角度進行匯報，實驗現(xiàn)象，結(jié)論，反思與改進。在這個過程中，學(xué)生不難發(fā)現(xiàn)，想要觀察到“質(zhì)壁分離及復(fù)原”現(xiàn)象，外在因素細胞內(nèi)外要具有濃度差，內(nèi)在因素需要選擇成熟植物細胞（帶有大液泡），帶有顏色，現(xiàn)象更明顯。教師可以適時提問：色素一定要在細胞液內(nèi)嗎？沒有顏色如何調(diào)整使得現(xiàn)象明顯？選擇黑藻細胞的實驗組也能觀察到實驗現(xiàn)象，由該組學(xué)生來說明色素所在位置；選擇洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮的組別教師可以適當(dāng)提醒，如人為染色，調(diào)節(jié)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(xué)生從宏觀和微觀兩個角度均觀察到植物細胞發(fā)生了失水和吸水。通過不同的實驗材料，學(xué)生也能夠總結(jié)植物細胞發(fā)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(nèi)涵，學(xué)科的規(guī)律并沒有改變。這就是透過現(xiàn)象看本質(zhì)，這就是深度學(xué)習(xí)。

四、遷移與創(chuàng)造

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

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

五、價值與評判

深度學(xué)習(xí)學(xué)的怎么樣？不是教師對學(xué)生的評價，是學(xué)生自己在完成一段學(xué)習(xí)后對學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)內(nèi)容的反思和評判，價值與評判其實也是教學(xué)的終極任務(wù)和意義，教學(xué)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(yǎng)有自己正確價值觀的人，體現(xiàn)在學(xué)生身上是能夠?qū)χ車娜恕⒒顒踊蚴挛镞M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(xué)，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(xué)氛圍，這里允許有質(zhì)疑的聲音，這里允許有不同于常規(guī)的思維方式，這里允許有師生平等交流討論的環(huán)境。當(dāng)在學(xué)生那里聽到不一樣的聲音時，教師應(yīng)該聆聽、思考、表達、鼓勵，久而久之學(xué)生的批判式思維和創(chuàng)造性更強。在生物學(xué)實驗教學(xué)中，教師應(yīng)多聚焦于“與眾不同”的瞬間，抓住這些教育契機，如出現(xiàn)的不同實驗結(jié)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(yīng)該表現(xiàn)在上面兩條帶比較窄，下面兩條帶比較粗，但學(xué)生通過動手實驗發(fā)現(xiàn)最終的結(jié)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(dāng)學(xué)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(xué)習(xí)就無法進行下去了。教師應(yīng)該客觀對待理性分析，和學(xué)生一起梳理一遍實驗步驟，重復(fù)實驗，如果出現(xiàn)同樣的結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生進一步思考，做出假設(shè)并開展探究性學(xué)習(xí)，比如有學(xué)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(dǎo)致的。通過選擇多種材料進行探究，最終學(xué)生發(fā)現(xiàn)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(xiàn)的實驗現(xiàn)象。每一個生物學(xué)知識的背后總有一段科學(xué)探索史，科學(xué)家正是在不斷質(zhì)疑、思索、實踐、批判下發(fā)現(xiàn)了真理，這是最高層次的深度學(xué)習(xí)。教師和學(xué)生說要學(xué)習(xí)科學(xué)家“解放思想、客觀唯實，追求真理”的精神，不斷挑戰(zhàn)權(quán)威，這種精神其實就是價值與評判，也是生物學(xué)實驗教學(xué)的核心內(nèi)涵。

結(jié)束語

綜上所述，深度學(xué)習(xí)在高中生物實驗學(xué)習(xí)中的應(yīng)用，既提升了學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)，又促進了學(xué)生能力、思維和情感態(tài)度的全面發(fā)展。教師通過創(chuàng)設(shè)真實情境，調(diào)動學(xué)生已有經(jīng)驗，引導(dǎo)學(xué)生多元化設(shè)計實驗方案，深入分析實驗現(xiàn)象等，完成創(chuàng)造性思維，科學(xué)探究能力，和運用所學(xué)知識解決實際問題能力的培養(yǎng)。

參考文獻

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