基于深度学习的高中生物学实验教学设计

石高荣

摘要：基于深度学习理论，根据高中生物实验教学的特点，提出了在高中生物实验教学中通过创设情境引领学生积极参与、生成问题激发学生深度思维、实践操作培养学生知行合一等手段加强学生深度学习的方法。

关键词：深度学习 生物学实验教学设计

中图分类号：G633.91 文献标志码：B

在高中生物学验证性实验中，教材明确提出了实验操作步骤，学生只要机械地根据实验步骤、按部就班就能够完成实验操作。在这类实验操作过程中，学生往往缺少对实验过程的主动构建和反思，学生仅仅只是消极被动接受、简单重复和机械记忆知识，处于识记、领会层次的浅层学习。教师如何将这类验证性实验提升为能够让学生进行主动知识构建、能够批判性学习新知识，并促进学生将它们融入原有的认知结构中，能够灵活运用所学知识和能力解决实际问题的深度学习呢？笔者在高中生物实验设计中进行了如下的尝试。

1创设情境，引领学生的积极参与

深度学习要求学习者进行主动学习。深度学习下的主动学习是教学中的学生学习，而不是学生的自习，并不能自然发生，必须要有教师的引领和帮助。创设真实有意义的学习情境，有利于教师引领学生的深度学习活动，引导学生进行主动学习。真实有意义的学习情境能有效地激发学生的学习动机，使学生将学习动机由外在的压力转变为自身的需要，提升求知欲，促进学生在感觉、知觉、思维、情感、意志、价值观等方面全身心投入参与，引导学生的深度体验，促进深度学习的发生。学习情境的创设要求做到以下3点：①创设的情境要具有生活性，尽量联系生活实践，有利于激发学生的学习兴趣;②创设的情境要具有挑战性，能激励学生挑战自我，促进学生形成积极的内在学习动机;③创设的情境要具有探究性，才能激发学生的深层思维。

例如，“DNA的粗提取与鉴定”是高中生物学中的经典验证性实验，实验目标是为学生提供从生物体内直接提取DNA的机会，体验细胞中DNA的粗提取和鉴定。这样的实验目标属于浅层学习目标中的识记、领会层次，学生对实验操作的兴趣往往不高。笔者在实验前给学生提供了如下学习情境。

油桃是深受消费者青睐的一种水果，但在果实成熟期和采后贮藏期间，普遍存在果肉的褐变现象，降低了果实的品质和价值。经研究，果肉的褐变与多酚氧化酶（PPO）的活性和含量密切相关。为了解决果肉的褐变问题，科学家利用DNA提取和PCR技术分离PPO基因，然后用它构建反义基因，从而抑制PPO基因的表达，阻止果肉褐变的发生。

情境中提供了与学生生活熟悉的油桃案例，研究成果可以直接应用于实际生活。这种有意义的情境体验活动大大地激发了学生的学习兴趣，激活了学生的思维。学生迫切希望知道应如何去提取DNA，如何更进一步去研究DNA，为实验中如何提取DNA等实验操作提供了研究的背景，激发了学生的探究欲望。

2生成问题，激发学生的深度思维

深度学习要求学习者进行理解性的学习，从而获得学科核心概念和原理。理解性学习不是事实内容的记忆和积累，是一种超越了简单的记忆和信息检索，发生在较高认知水平层次上的心智活动或认知能力。教师可以根据提供的学习情境为背景，提供相应的学习材料，引导学生分析学习材料生成问题，促进学生围绕生成的问题主线进行探索，帮助学生获得高质量的知识，促进学生对知识的深层理解和深度建构，引导学生深度探究，实现深度学习。

问题是深度的思维起点。生成的问题要有启发性，有利于激发学生的思维;生成的问题要有系统性，能够将零散的、碎片化的知识整合，以利于知识的迁移;生成的问题要有批判性，将学习过程主动构建与反思，激发学生的求异能力，能够挑战人类已有的认识成果。问题能够让学生在激活先前知识的基础上，深度加工所获得的新知识，在新知识和原有知识之间建立联系。

如在上述实验中，教师提供了油桃DNA粗提取实验的具体操作过程，让学生围绕油桃DNA提取过程，分析其所利用的DNA理化特性。教师以此作为问题主线，引导学生进行深层思维活动。学生归纳总结，得出：①DNA在质量分数为0.14mol/L的NaCl溶液中溶解度最低;②DNA不溶于酒精，而细胞中的蛋白质则溶于酒精;③DNA在80°C以上才变性，而大多数蛋白质不能忍受60～80°C的高温;④蛋白酶不能催化DNA水解;⑤洗涤剂可以破坏细胞膜，使蛋白质变性，对DNA没有影响。教师以此为理论依据，为学生在其他材料中提取DNA提供科学导向。教师有机整合学习内容，促进学生进行知识迁移，实现更深层次的学习。

3实践操作，培养学生的知行合一

深度学习是知识迁移与运用的过程，学生将学习所获得的科学知识迁移到实践中进行运用，在新的问题情境下解决新情境中的实际问题，即实现知行合一的过程。如在上例中，学生根据油桃DNA提取的过程生成了问题，总结得出了DNA的理化特性，此为“知”，根据DNA的理化性质运用在新材料中的DNA提取，即为“行”。学生通过“行”完成实验操作，达到实验的目标。

学生进而根据DNA的性质，从洋葱细胞或其他材料（如鱼卵、菜花）中提取DNA。学生可以根据油桃DNA的提取步骤，运用类比方法总结出洋葱细胞等实验材料中DNA的提取实验步骤。①选用洋葱作为实验材料时，先将洋葱进行研磨，在研磨实验时加入1/10体积的洗涤剂瓦解细胞膜破碎细胞，获取含DNA的滤液;②在溶有DNA的物质量浓度为2mol/L的NaCl溶液中加入蒸馏水并向一个方向轻轻搅拌，目的是稀释滤液至0.14mol/L，减少DNA的溶解性，有利于DNA更多地析出;③溶有DNA的溶液中分别加入酒精去除滤液中的杂质等过程，提取出纯度较高的白色絮狀的DNA。根据上述实验步骤完成实验，通过迁移与运用的知行合一，实现深度学习。

深度学习不是学习内容的深度和难度，而是关注学生的学习过程和状态，促进学生深度理解和不断的自我反思。教师通过上述实验设计的改进，将原本枯燥乏味的实验转变为具有挑战性的学习主题，转变为能让学生一种体验成功、获得发展的有意义的学习过程，学生主动学习积极性高。这样有利于学生对知识整合和归纳，促进学生知识体系的完善，加强学生对知识的整体把握，有利于激发学生对知识的深入思考主动学习。学生在追求知识主动加工的过程中，积极参与，从而体验到成功，提高探究性能力，增强合作意识。教师关注学生应用、分析、评价和创造等的发展，有利于帮助在学生运用、分析、综合、评价层次上认知目标的达成，落实学生的生物学学科核心素养的培养。