以科学读写践行深度学习的生物学教学研究

董 清，丁奕然

伴随着时代的发展与进步，人类精力有限性与知识爆炸无限性的对立矛盾已然成为了未来教育治理必须解决的主要矛盾。由美国学者马顿（Marton）等提出并演变至今的深度学习强调了学生在真实情境下突破浅层学习，达成对学科本质、思维方式与实践应用的纵深发展。该学习过程旨在让学生于有限精力中，以学科核心概念的学习达成必备品格与关键能力的深度覆盖。［1］与此同时，阅读与写作作为学习者与文本间互动的最基本形态，更是科学工作者学习成长、交流分享与成果推广的重要方式。［2］顾名思义，科学读写指科学领域文本的阅读与写作。科学阅读作为获取科学信息最便捷的途径，培养了学生提取、判断并运用科学资讯的能力；科学写作作为现代社会书面表达分享成果的方式，锻炼了学生思考整合、逻辑推理与正确陈述科学概念的能力。根据数十年间国外科学教育界对科学读写的教学研究来看，其能够较好地让学生建构概念体系、运用解决实际问题并生成科学素养。［3］［4］目前，在生物学教学中采用主线教学、社会性科学议题、情境教学等方式践行深度学习的尝试不在少数。然而，当下一直缺乏以科学读写方式促进生物学深度学习有效发生的相关研究。因此，本研究旨在从理论上探讨科学读写对深度学习达成的契合，并根据实践研究整理出生物学课堂教学的可行案例，进而为生物学深度学习的实现提供更多的选择。

一、以科学读写践行深度学习的可为理据

（一）科学读写让学生进行概念体系的深度建构

既然是学生本体对所学内容的深度学习，则必然要求学生构建起自身的认知经验图式。正如深度学习理论读本中所述——“发生深度学习的学生能够全面把握知识的内在联系，并衍生出各类变式。”［5］56学生构建的经验图式既不应停留于知识零散记忆的表层，更不应侧重于所学内容的外围皮毛与纷繁表象，学生应当是在学习的过程中，以对关键信息的主动捕捉与审辨熔炼，达成触及知识本质与触通实践应用的深度学习。换而言之，深度学习更强调学生从生物学事实或现象深入其背后本质，进而在真正意义上掌握科学概念。一方面，科学读写中的阅读大多需要让学生阅读不同科学资料进行分析推理得出答案，这使得学生沉浸于不同的现实情境，在表象纷繁复杂的变式中提取有效信息、建构概念体系与探寻学科思想；另一方面，科学读写中的写作任务大多是让学生进行科普说明、科学研发与科技应用的论文写作，这既使得学生用笔去思考，连接了个人理解与科学概念，也展示了学生对科学体系的表述、理解与熔炼。由此可见，科学读写的方式恰恰让学生于科学知识丰富的情境变式中探寻到概念的理解、思想的内核与自我的图式。总体而言，科学读写让学生进行了概念体系的深度建构，达成了深度学习所要求的知识内在联系与投入学习的内化。［6］

（二）科学读写让学生体验经验知识的深度关联

诚如有关学者介绍深度学习时所述，“个体经验与人类知识在深度学习中并不是对立的，而是相互转化的。”［5］48之所以将深度学习作为课程改革深化的教学实施目标，是因为该理念凸显了生活经验与知识符号的相互转化，让学生在联想与转化中进一步提升实践力，从而更好地适应并改造未来社会。课堂教学应牢固树立为学生经验与符号相互转化的深度学习观念，学生进入课堂中带入了或多或少的生活经验，这些经验认知或显性、或隐性，有了经验为根基才会让学生对学习更具兴趣，也让知识的学习变得更有意义。实则，知识真正理解的目的是为了考量其在社会实践中的转化应用、完善调适乃至创新再生产。而科学读写恰恰通过对科学材料的阅读、关键信息的提取、问题回答的思考以及文章写作的表述等方式，分别实现了对生产生活经验的认知、情境背后要点的发现、用知识解决问题的学习以及自我关联能力的提升。详细说来，科学读写以科学知识为基础，以生活情境为媒介，采用阅读理解与写作表述的方式勾连了知识符号与经验表征。在此方式的训练下，学生对科学概念的理解与应用通常更深远、更广泛，并有助于让学生克服科学概念高度抽象，难以运用至社会生活实践的并线割裂样态。综上所述，从理据分析上来看科学读写实现了学生活动与体验间的深度关联。

（三）科学读写让学生经历科学家般的深度思考

科学教育的深度学习如果无法促进学生具身性、能动性与真实性的探究性学习，则不能够促进学生科学实践的变革。［7］既然深度学习强调“少量领域的深度覆盖”，指向高阶思维与解决问题的能力，可见让学生围绕核心概念进行科学实践的探究性学习就显得十分重要。在实际的生物学教学乃至科学教学中，教师们往往误以为实践性的探究性学习应当是基于学生自我探究的一手发现。美国教授帕林克萨（Palincsar）等曾说“探究必须完全依赖于实际活动才能实施的观念是有误的”，“我们相当多关于科学推理的认识是透过二手经验得来的”。［8］详细说来，生物学家在探究生命科学现象及其规律时，也需要通过阅读整理相关文献了解该领域的研究进展，从而更好地汇总分析，进行实证审辨的研究。而科学读写正是让学生经历了像科学家一样的思考过程，不同的文献材料与经验证据的阅读、写作使他们经历了整理汇总、审辨整合与自我提炼科学观点的过程。阅读作为了解科学研究范式、进入科学研究共同体的最初阶段而存在，而写作则是科学研究成果提炼、观点证伪与普及推广的终端。科学读写教学方式将促进二者的相辅相成，让学生能够历经像科学家一样的深度思考，真正获得科学本质的感悟与科学素养的提升。可见，科学读写的方式为深度学习强调的促进人的生命成长与评判的核心要义提供了可能。

二、以科学读写践行深度学习的可行课例

在教学的多变环境中，教师采用的教学方法时刻影响着学生的知识理解、思维深化与拓展应用，而学生在教学场域中的反馈也影响着教师对教法的改进。［9］可见，上文虽然给出了科学读写实现深度学习的基本理据，但将科学读写作为一种新的思维观念或教学方法融入实际课堂中，不仅需要查找、组织与铺陈相关的科学信息或资讯，还需要根据学生的学习情况以及教师的教学情况予以反馈改进。正因如此，笔者以“生态系统及其稳定性”的复习课为例，自主创生并设计了科学读写中真实化情境活动、系列化阅读活动、显性化写作活动与工程化应用活动，用于实现深度学习的发生。

（一）以真实化情境活动促进主动投入的持续学习

教学流程：课堂教学伊始，教师用小视频介绍鱼肥水美、碧波荡漾的滆湖，说明其是常州最大的淡水湖，不仅滋养了鱼米之乡，也包孕了吴越数千年的文化积淀。紧接着教师播放炎炎夏日滆湖渔民打捞蓝藻的视频报道，并让学生仔细寻找有关蓝藻爆发的时间信息，探寻水华产生的时间规律。学生通过对视频信息的捕捉，可以得出滆湖水华每年大约从5 月份开始至10 月份结束，即光照、温度条件良好时，蓝藻开始大量繁殖并上浮至水面形成水华。之后，教师给出研究人员调查并统计的1986-2006 年水体中总N 和总P 的平均值变化。让学生阅读该图表资料，总结分析藻类大量繁殖的原因有哪些，学生经过思考可以总结出导致藻类大量繁殖的因素有：光照、温度、湖泊中的N和P元素含量。此时，教师引出本节课要解决的任务，即采用生态系统的知识分析滆湖水华的具体成因、现实危害与解决方案。

设计意图：教学中采用的“滆湖水华爆发”的真实情境既是学生所熟悉的乡土资源，又是实际发生的生产生活问题。此情境的使用一方面可以激发学生的学习兴趣，提升他们的探究欲望；另一方面将其作为探究任务引出，为整节课该真实情境任务的贯穿始终做铺垫，从而完成深度学习所要求的持续性地让学生投入学习。［5］51该教学过程中采用真实化情境活动,再辅之以科学阅读的任务，以直观形象的视频阅读逐步深入为科学图表阅读，帮助学生复习回顾了蓝藻与水华的相关知识，为接下来复习回顾生态系统的成分组成等内容预留伏笔。此外，引问而探的科学阅读任务带领学生从中提取信息到归纳梳理，进而为后期教学过程中更复杂的科学阅读与写作活动奠定基础。

（二）以系列化阅读活动培育推理论证的科学思维

教学过程1：为了解答N、P 含量增加的外因，教师给出科学阅读材料，即滆湖养殖区内鱼粪和残留饵料的堆积导致湖底淤泥变厚，养殖区底泥向湖泊释放的N、P量是非养殖区的3.5倍左右，而2004年滆湖人工养殖面积较1994 年增加了0.16 万公顷；且由于滆湖上游及周围地区城镇化、工业化进程加快，导致排入滆湖的生活污水和工业废水量逐年增加。当学生通过阅读推理，分析出围网养殖、底泥释放、工厂排放等造成了N、P含量增加后，教师便引导学生从生态系统的成分角度，分析饲料或粪便中有机N、P 是如何转化为无机N、P的。之后，教师给出另一则科学阅读材料——滆湖中1994-2004 年间浮游植物与沉水植物的生物量变化折线图，即浮游植物增长10 倍，而沉水植物却在大量减少，并询问学生浮游植物与沉水植物是生态系统中的什么成分，并说明出现此变化的原因。

设计意图：此教学过程中教师旨在帮助学生分析N、P 元素含量增加的非生物因素与生物因素。非生物因素的科学阅读较为简单，是为了从人类活动影响生命世界与自然环境的角度唤醒学生的社会责任意识。而生物学因素则需要学生结合分解者的定义与类型去进行分析，旨在让学生自身将阅读提取的事实证据结合所学知识进行推理，得出自己的主张。该教学过程既是训练提升学生的逻辑推理与科学论证能力，又期望让学生达成上文所述的自我经验图式建构。紧接着提供的材料给出了生产者的成分，让学生在科学阅读中明确沉水植物与浮游植物之间的竞争关系：浮游植物的快速繁殖掠夺了光照，进而引发了沉水植物生物量的减少。此过程意在回顾种间关系的基础上，进一步训练学生分析推理的科学思维。

教学过程2：滆湖生态系统中了除了非生物物质营养、分解者与生产者外，作为代表性消费者的鱼类同样需要研究。教师教学时展示出滆湖中常见鱼类消化道的食物样本采集分析情况，发现浮游藻类在鲢、鳙鱼食物中的体积比例约为90%以上，浮游动物体积比不足10%；鲚鱼的消化道中，浮游动物占比100%；鲤鱼消化道的食物组成中，以沉水植物为主，还有少量的底栖动物以及有机碎屑；鲌鱼作为湖中主要肉食性鱼类，其消化道食物组成中以鲚鱼为主，还有少量鲤鱼以及底栖动物（底栖动物主要以各种浮游生物为食）。［10］让学生阅读该科学材料，绘制出滆湖中大体涉及的食物网，并选择三个具有代表性的学生绘图予以投影展示评价。接着便让学生分析标准的食物网中有几条食物链，且鲌鱼处于第几营养级。

设计意图：教学过程中采用“一境到底”的连续性科学阅读任务，一方面让学生理解了科学家研究生态系统的食物网采用的食性分析法，另一方面采用投影展示两位学生写出的食物网，和学生一起探讨评价，解决食物链（网）绘制中存在的错误概念，如食物链起点应当是生产者等。而在回答鲌鱼的营养级时，不同学生给出的表述各不相同。此时，教师应帮助学生明确同一物种可能在生态系统中处于不同的营养级。以上的过程采用科学阅读任务的绘图与师生课堂对话的方式，充分转变了学生的迷思概念，深度构建了完整的生态系统组成成分的概念体系，并进一步让学生以动手动脑的具身化任务，增进了其对知识内在联系与实际意义的深度感知。

教学过程3：教师展示出研究人员对滆湖相关渔获量（生态学中作为研究湖泊鱼类种群数量变化的重要数据来源）的统计图，让学生阅读该图像分析鲚鱼和鲌鱼的渔获量的变化，即鲚鱼的渔获量上升，鲌鱼的渔获量下降。此时，教师可以结合食物网让学生小组讨论分析鲚鱼和鲌鱼的数量变化对滆湖中物种多样性、藻类繁殖产生什么影响。紧接着教师展示出研究人员取得的鲚鱼渔获的年龄结构图（鲚鱼渔获的幼鱼比重逐步增加，且近几年均为100%），以及同年捕捞机动船的功率统计表（捕捞功率逐年指数型递增）。让学生将图表结合分析鲚鱼年龄结构出现上述现象的原因，以及鱼捞程度或水域鱼捞量的合理性。

设计意图：学生通过材料阅读分析可得滆湖总渔获量上升的原因是鲚鱼渔获量上升，而其它鱼类的渔获量占比在下降，即物种多样性下降。正是鲚鱼数量的快速增长消耗了大量浮游动物，浮游动物对浮游植物的摄食减少，导致藻类大量繁殖。此教学过程中不仅将情境拉回至水华产生的原因，而且让学生通过生态系统的结构改变理解其抵抗力稳定性的功能，渗透了结构与功能观的生命观念核心素养。紧接着的教师追问：什么原因造成了鱼类多样性被破坏？更是进一步深化了科学阅读的能力要求。之前的科学阅读大多是分析一个图表，此处的科学阅读需要学生将图表进行结合分析，进一步锻炼了学生有效捕捉科学信息、综合推理科学规律的能力。层层深入的系列化阅读活动，在训练学生科学思维的同时，也让他们于科学情境的变式中感悟生物学的基本思想——平衡观，达成了深度学习对知识本质内核的触及。［11］

（三）以显性化写作活动凝练明晰统整的学科体系

教学过程：由于课堂时间有限，教师将写作活动作为课后作业布置下去，让学生根据之前的教学过程写作滆湖水华成因的调研报告，并要求其附上自主绘制的成因图。由于参与写作调研报告的学生并未经历过严格的科学写作训练，教师可以展示出论证式写作提纲来辅助学生进行写作。此提纲参考麦克尼尔教授（McNeill）等人“证据—推理—主张”的论证式模型，并稍作调整。［12］具体提纲为：什么是水华，你认为有哪些原因造成了滆湖水华，请将原因作为你的主张单独列出；针对每个主张寻找课堂内已有的证据进行关联（也可课后补充查找更多证据）；请推理说明证据与主张之间的关系，并对写作语言进行科学地调整修改。最后，教师再根据主张的多少、理由的准确性、论证的合理性、语言表述的科学性进行评价修正。

设计意图：科学写作分为依循示范、指导式、独立练习三种训练方式。［13］本研究充分考量了学生的认知水平，选择了以提纲为要求的指导式写作。实则，从二手数据、资料的阅读汇总与再分析到调研成果的写作提炼，该教学过程让学生经历了像科学家一样思考的过程，进一步满足了深度学习中深化学科育人价值、追寻生命成长的取向。该教学过程通过“证据—推理—主张”的论证写作，让学生内隐的概念结构暴露出来，一方面锻炼了学生语言的科学表述能力，另一方面也能够面向全体学生，使教师能够充分认知每个学生的思维过程，为教师后来的批注修改、帮助其凝练出明晰统整的学科概念体系奠定了基础。此外，写作中的科学表述用词、写作时参考的如脚手架一般的提纲，以及评价体系的四位一体也向学生渗透了科学研究需要表述严谨、逻辑严密和反复推敲的科学态度与思维，从而为正确鼓励学生获得成功作铺垫。

（四）以工程化应用活动落地实践价值的知识评判

教学过程：生命科学的知识应用往往会对经济生产、社会发展与生态保护等多方面造成影响。教学的尾声让学生模拟生态工程修复师的工程设计，即如果你是负责对滆湖进行生态修复的工程师，你认为有哪些策略可以治理水华。学生提出拆除围网养殖、减少工厂排放、清除湖底淤泥，设置禁捕期，引入沉水植物和动物，增加滆湖生态系统多样性等方式。教师则追问：能否通过关闭滆湖周边所有工厂、完全禁止捕捞、引入外来物种增加多样性来修复滆湖生态系统？学生关联了选修三的内容很自然地回答不可以，并说明进行生态工程修复要遵循整体性原理、协调与平衡原理等。此时，教师点明生命观念中的生态学观点，我们学习和探索生命规律是为了更好地、适度地开发自然，为人的生存和发展服务，但也需要与自然和谐共生。［11］

设计意图：科学读写的后续思考是让学生模拟工程师的活动，该模拟活动不仅完善了学生思维，也更让学生体会到了科学本质观的重要层面，即科学技术的工程学生产应用均会对经济、政治、文化与生态等多方面造成影响。诚如上文所述，深度学习的核心要义强调指向学生生命的成长。评判是否达成生命的成长要看学生对于科学事件能否给出自己的态度与判断，能否既要认识到知识的力量，也能感知到知识存在的不足或局限。［5］61而该教学过程则是将贯穿的情境再一次引入了实际应用与价值提炼，让学生充分感知知识的力量，并唤醒其作为万物灵长在适应与改造未来社会生活中注重学习积累与应用知识的意识，进而达成生命自发能动、对外界环境自适应的状态。

三、以科学读写践行深度学习的可得反思

以科学读写践行深度学习时，需要注重科学读写中内含情境任务的现实性、适切性与延展性。在深度学习发生与否的特征中，无论是主动性投入学习，还是知识符号与生活经验的协同思考，乃至知识本质的深度理解与习得评判，都说明了学生的学习应当是基于其感兴趣的真实情境进行着现实问题的有效解决。与此同时，科学阅读与写作中蕴含着不同的情境任务。对于学生而言，情境任务能否激发兴趣、持续诱发疑问、驱动迁移应用体现得至关重要。正如上文的教学案例，其采用源自于当地学生生活的乡土情境——滆湖，有助于调动学生的学习兴趣，促进他们的学习热忱。此外，案例中多篇科学文献构成的先行组织者材料均围绕“滆湖水华成因及其治理”这一主题，既便于教学进程的有效铺展，也能够促进学生对现实科学问题的深度思考与社会责任的涵养。

以科学读写践行深度学习时，应当依据本土教学文化与学生能力水平合理调整教学任务。深度学习的有效达成包含了多个方面特征，不可能在短时间内一蹴而就，其应当是基于学生所处文化背景与能力水平上的逐层进阶、悄然生成。比如，国外研究者在践行科学读写时，通常直接将整篇文献交于学生阅读学习，让学生在一定时间内提取出关键的科学信息，并作出推理判断。而面对着我国大班额教学、课时量有限的现状，该案例采取了提供给学生关键性科学文本段落的折中方案，利用科学文献的解构与重构帮助学生拾阶而上，促进深度学习的有效发生。除此之外，由于中学生接触科学写作尚属首次，将其转化为自身表达图式的书面化语言能力仍旧欠缺。在研究者前期的多次实践中，科学写作都需要学生花费较长时间。因此，该案例中一方面给予了结构化的写作框架，另一方面也将其作为形成性评价的课后作业。由此可见，科学读写作为促进深度学习有效发生的新兴方式，在本土转化时仍需要更广泛的实践改进与更深入的理论思考。