指向生物学学科核心素养的深度学习实践与研究

吴志强

摘要以“基因在染色体上”一节课的教学为例，尝试将深度学习引入生物学教学中，直至学科核心素养的培育。在真实的生物学情境中提出问题进行情境设疑，在事实材料的相关性中综合分析进行推理论证，在辨别假说真假中求证求真进行推断预判，在学习行为证据中推理判断进行评价分析。

关键词 深度学习 核心素养 基因在染色体上 情景教学 过程性评价

中图分类号 G633.91

文献标志码 B

20世纪50年代马顿和萨乔提出的深度学习，对应认知水平重心在应用、分析、综合和评价上，重视对事物所包含的各种信息按照一定逻辑进行整合，有理有据的讨论、推理、迁移，将旧知识重新构建自己知识体系的一种学习理论。这种理论与《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《新课标》）中科学思维和科学探究生物学学科核心素养在能力层次提出的要求保持高度一致。学生通过深度学习习得学科内容后，能将知识迁移到现实情境中解决问题所需具备的学科核心素养及与人协作、实践创新等能力。因此，深度学习是转变育人方式，落实立德树人，指向生物学学科核心素养教学的重要途径。

“基因在染色体上”一节课的传统教学容易停留在浅层学习层面上，学生在学习萨顿假说的基础上阐述摩尔根的实验过程，接受知识的过程是一个死板的、缺乏生命力以及科学思维和探究能力的过程。学生被动地接受“满堂灌”，不能区分科学史实验中的事实和推理，无法建立逻辑关联，论证能力更是无从谈起。因此，学生很难在这种教学中收获核心素养应有的提升。建构主义理论强调学生的主动性，认为学习是学习者基于原有的知识经验生成、建构、理解的过程。学生经历了从提出多种假说到否定多数假说再肯定某种假说的过程，充分地提升了自己的科学研究能力。《新课标》提出的概念教学不是传统概念中的定义，概念应包括概念本身的表述形式、概念的内涵与外延、概念的模型建构、概念的获得方法等。基于深度学习理论，教师尝试将红眼、白眼果蝇带进课堂，创设真实情景，再现摩尔根的研究历程，引导学生积极探究、设计实验方案证明基因在染色体上，逐步加深学生对“基因在染色体上”的理解，促进学生自主建构该概念。

1情境设疑：在真实的生物学情境中提出问题在传统的“知识性传授”教学模式中，学习重点内容是对陈述性知识的讲解，忽视知识所处的情景载体，割裂了学科知识在现实生活中的具体体现。基于真实生物学问题的学习很好的避免的这些弊端，将知识蕴含在真实、具体的情景中。在学生对情景的讨论、思考和解释中，完成了对知识和技能的掌握，并发展了科学思维、生命观念等学科核心素养。真实的生物学问题可以来源于学生实验、科学论文文献、对生活中现象的观察等。

在开展“基因在染色体上”教学时，教师可以设置两个学生实验来创设问题情境，即将白眼雄果蝇与雌性红眼果蝇交配得到F（1实验一），F1代红眼雌果蝇与红眼雄果蝇相互交配得到F（2实验二）。实验一结果显示F1代全是红眼，实验二结果数据统计中各组数据不一。针对这两个试验情境，教师引导学生思考并发现问题：实验一中的红眼和白眼这对相对性状的显隐性如何？如何继续验证你的想法？实验二中的白眼性状为什么只出现于雄性果蝇中？红眼与白眼的比例是多少？是否符合孟德尔的遗传定律？哪个基因是隐性基因？白眼性状存在的性别有什么特点？教师引导学生发现红白眼基因的遗传与性状的相关性，联系学生已有的性别决定知识，使学生将基因与染色体建立联系。

分析自己动手实验得到的实验结果后发现的问题一定是学生脑海中时刻思考的问题，容易促进学生的思考、讨论、论证和推理。论证推理是深度学习的重要环节，要求学生运用实证去对某一论点或结论佐证的思维过程和语言组织表达形式，论证过程常常包含一个或多个推理。由于论证是用论据去论证结论，很多时候论据的真实性本身又需要论证，因此，教师在教学中选择真实情景就尤显重要。

2推理论证：在事实材料的相关性中综合分析

深度学习强调活动与体验之后对学习内容本质的深度加工，需要学生对已有事实进行推理、论证得出相应的结论或假说。推理论证就是从已知信息得出新信息的思维过程，这是培育生物学学科核心素养的极佳途径。

在“基因在染色体上”的学习时，结合果蝇的染色体图解，教师指出果蝇的性别决定方式。由基因决定生物的性状，性染色体组成决定果蝇的性别。性状与性别相关联则侧意味着基因与染色体也具有一定的关联性（图1）。在学生建立起基因与染色体的联系后，教师可以继续引导学生发现基因和染色体的4种平行关系，通过思考和讨论，学生利用类比推理，做出“基因在染色体上”的假说。教师追问：果蠅的红白眼基因究竟在性染色体的什么部位上呢？根据图1中的展示，利用演绎推理，学生继续得出推论，即白眼基因只位于Y染色体上（假说①），白眼基因只位于X染色体上（假说②），白眼基因位于X和Y染色体的同源区段（假说③）。

科学思维强调识别、揭露和反驳错误的推理和论证。一个推理论证的结论或推论是否正确，主要是从推理形式本身是否有效、前提是否真实和能否正确预测出新的事实或证据进行验证。上述的3个假说不可能都正确，提出假说后，学生接下来的任务就是寻找证据去证实或证伪。假说①不能解释实验一、二中F1、F2代的实验现象，也就是前提是假命题，因此假说①被否定。再利用演绎推理，利用假说②、③的结论来解释实验一和实验二的现象。推理发现，这两种假说都能解释两个实验结果（图2、图3），这意味着假说②、③都没有被否定，即现有前提是真命题，逻辑推理形式有效，辨证真伪的就只剩下能否预测新的事实作为证据。

3推断预判：在辨别假说真假中求证求真

批判性思维是一种质疑、批判和拷问的思维，更关注的是评价各种推理和论证能力，要求给出一种判断或结论的理由，并通过分析、评价自己和他人的推理或论证，来设计更好的推理或论证。这需要学生能对隐含在真实情景中的学科知识和原理进行揭示和假定，并对这些假定的合理性进行科学批判后，做出合理的辩护。在深度学习中，为了更好地发展和培育学生的生物学学科核心素养，教师学生置身在真实情境中、开放的任务活动中，解决各种陌生而复杂的问题中，不断深度的思考和讨论、批判和质疑、总结和反思，最终在打破常规中重构新的知识体系。假说②、3究竟哪个是真命题？最关键的就是哪种假说能预测另一些实验结果。教师此时引导学生思考：设计哪种实验进行预测合适？检测的亲本果蝇如何选择？不同假说对实验预测的结果是否相同？......教师一步一步地引导学生进行遗传实验的设计、结果预测及其分析。

学生在理解、迁移和分析后，不难发现：测交有两种组合，即白眼雌性果蝇与F1红眼雄性果蝇或白眼雄性果蝇与F1红眼雌性果蝇。但是，在当前的实验基础上根本就没有白眼雌性果蝇，因此，只能选择白眼雄性果蝇与F1红眼雌性果蝇进行测交。很快，有学生发现，如果选择白眼雄性果蝇与F1红眼雌性果蝇进行测交，假说2和假说3出现的结果都是红眼♀∶红眼♂∶白眼♀∶白眼♂=1∶1∶1∶1。有学生质疑这个实验能否达到预期的检测效果。继续通过讨论，学生发现其中推理的逻辑，一旦出现预测的结果，不管假说2和假说3哪个正确，都不影响得出控制红、白眼性状的基因在染色体上的结论（图4）。

在深度学习的影响下，学生仅仅得出“基因在染色体上”的结论，并不能满足学习需求，他们更渴望去解决之前提出的假说究竟谁是真命题谁是假命题，自发地继续设计新的实验去寻找证据。在上述演绎推理之后，进行实践检验。将白眼雄性果蝇与F1红眼雌性果蝇进行测交（实验三），并在实验三中获得的白眼雌性果蝇与野生型红眼雄性果蝇进行杂交（实验四）。小组实验结果数据最终表明假说2正确，假说3错误。这种研究将白眼基因与X染色体联系起来，从而证明了基因在染色体上。

当学生得到“基因在染色体上”结论后，教师可以带领学生回顾科学史，重新梳理科学史的关键节点。从1903年萨顿提出“基因在染色体上”的假说，1904年摩尔根开始用果蝇做胚胎学研究，1908年斯蒂文斯发现果蝇的性染色体为XY型，1910年摩尔根利用偶然发现的一只白眼雄果蝇进行实验，一直到1916年摩尔根的学生布里奇斯进行果蝇杂交实验和细胞学观察，无可辩驳地证明了基因在染色体上。梳理这段科学史时，教师引导学生比较自己在寻找的解决办法与科学史中的异同之处，评价各自采取措施的效果，指出在百年的探索中每位科学家所做工作的价值。

通过这样的深度学习之后，学生惊讶发现他们短时间内的探索，与100多年前美国的遗传学家萨顿和美国的生物学家摩尔根所做的研究如出一辙。教师带领学生在科学史中找到学习内容的联系，塑造尊重历史、善于省察、理性思辨的学习文化。

4评价分析：在学习行为证据中推理判断

任何教学的设计都需要考虑学生的学习效果，即评价分析，它是促进学生指向核心素养学习的具体体现，是学生在深度学习某一内容后进行理性探索、融会贯通，能够根据一定的标准对某一新事件的真伪好坏、事件背后价值等进行推理和判断。

在深度学习中，教师的评价应该更多地关注学生的学科核心素養有没有得到提升，提升幅度有多大，有哪些具体的依据等。因此，教师做好过程性评价就是一个理想的选择，关注学生在真实情景下所表现出具体技能和素养，包括呈现具有生物学原理的真实情景，设计、实施并解决问题的能力，与同学和谐相处、顺利沟通、协同合作完成既定任务等。因此，深度学习的课堂上，教师要确保学生在习得专长、解决问题和高阶思维等构成上深层次理解和构建知识体系，在评价目标、评价任务、评价标准和评价方式上做好评价设计。评价目标的设计应该对标生物学学科核心素养的4个维度进行质量的描述，评价任务尽量在真实情景中给定学生具体问题去解决，并根据可能出现的答案，拟定相应的评价标准。评价的方式应该多元化，既要有体现学科教学知识性的学案设计，也可以有课堂观察等过程性评价，还可以有实验方案的设计、调查报告的撰写、师生访谈的开展、课后问卷的设计与实施等。

例如，在上述的教学案例中，学生学习完成之后，有没有达到预期目标，即在基因和染色体的相关事实基础上，能不能利用科学思维、科学探究等素养来阐明基因在染色体上;能否从基因和染色体两者关系对孟德尔遗传规律作出科学的解释;结合学生自己的实验探究活动与科学史的学习，有没有产生对科学的热爱，对科学研究过程中需要的既要做到尊重事实，又要具有敢于质疑的批判性科学精神有认同和内化等（过程性评价设计详见表1）。

评价需要教师对各项各类信息进行收集、整理、分析、判断，然后再根据这些证据对应评价表，给每位学生核定评价结果。这种评价结果可以作为学生的学业质量水平的评价依据之一，也可以用于指导学生学习习惯、学习思维品质以及教师教学方式的改进等。

新一轮课程改革强调立德树人根本任务，更具体细化的表现在核心素养的发展上。深度学习优势将高阶思维作为培养目标，以培养学生的核心素养为不懈追求。因此，指向核心素养的生物学深度学习符合学生学习的认知规律，切合国家在转变育人方式下的课堂教学。

参考文献：

孙怀宽.在生物学概念教学中促进学生深度学习的探索[J].中学生物教学，2021，（4）：4-7.