基于格斯丁翻转教学模式的生物学实验深度学习

黄惠涛，丁奕然

深度学习作为调动学生全身心投入学习、理解知识内在联系与本质属性、指向学习过程自我评判以及促进所学内容迁移创新的学习过程或状态，理当成为生物学课堂教学改进的重要方向[1]。生物学实验中内隐着生命科学探究的学科方法、逻辑思维与应用案例，已然成为实际教学中回归理科属性和科学本质的重要途径。因此，如何采用更为多元的教学模式达成生物学实验的深度学习成为了需要探讨的话题。随着教育技术的进步与发展，线上与线下相结合的混合式教学（以翻转式教学为代表）成为了众多教师的选择。除塔尔伯特（Talbert）的翻转课堂教学模式外，国际上使用较多的还有马萨来姆（Musallam）与格斯丁（Gerstein）翻转教学模式。当下，采用塔尔伯特与马萨来姆翻转教学模式践行生物学深度学习的研究已有相应案例呈现[2]，但采用格斯丁翻转教学模式实现深度学习的研究尚无人涉及。那么，格斯丁翻转教学能否应用于生物学实验教学中达成深度学习呢？

一、格斯丁翻转教学模式简述及其特点

格斯丁认为翻转式教学中，教师难以操作“课上对学生少量且快速的测试，以及帮助学生内化知识”，因此其在长期的实践反思中构建了“体验式参与、概念探索、有意义建构与演示应用”这一翻转教学模式[3]。其中，体验式参与是教师以微课的课外实验、模拟探究或虚拟参观等体验式学习活动去激发学生的兴趣；概念探索即让学生在此环节中沿着体验式参与的相关内容，探索其中相关的事实概念、科学方法等；在有意义建构的环节中教师可采用相关试题测评，让学生建构并展示出他们所理解的内容与方法；演示与应用即让教师选择适合的课题或项目，引导学生将所学内容进行价值的深化延伸或实际的创新应用。该翻转教学模式提供了基于体验式学习周期和麦克卡锡的自然学习模式的学习活动[4]。

（一）深化翻转要义，促进学生主动学习

从上述格斯丁翻转教学模式的教学程序上来看，其达成了体验学习的具身体验、归纳反思与项目应用的全过程。这与其承袭了翻转课堂一以贯之的教学本义有关，即以先学后教、测评应用的方式让学生全身心主动投入学习。而格斯丁翻转教学模式与常见翻转课堂的差异在于，概念的学习与建构是在参与式体验前还是体验后。由教学结构序列的观点来看，教师讲授主导教学定义为高结构化教学，学生自主学习探究定义为低结构化教学，且实证研究表明教学结构序列为“低高”型教学效果更优[5]。这是因为学生在沉浸式体验的自主探究下进行主动学习，进而关联所学知识与生活经验，可习得更好的学习态度、获得更优的学习体验并取得更佳的学习效果。传统讲授教学与常规翻转课堂的教学结构序列均是由高到低，即从教师主导的讲授转向学生自主的探究。格斯丁翻转教学模式则深化了翻转要义，其先给学生提出一个现实情境问题，在自由讨论与自主学习中教师并不过多干预，而是通过概念的学习探索进一步解决该问题，最后在新情境任务的牵引下完成知识的实践应用与个性化展示。可见，此过程以连贯性的情境任务逐步点燃学生的学习热情，让其能够在学习任务的自主探索、图式建构与迁移应用中取得属于自身的成就感，继而维持他的学习热忱。

（二）构建渐进支架，提升教师的可操作性

与常见翻转课堂不同的是，格斯丁翻转教学模式为教师的教学过程搭建了深入知识内核的脚手架，便于提升教师真实、有效实现翻转的可操作性。众所周知，常见的翻转教学仅规定了课前视频学习、课上测评反馈的大体框架，并未给予教师明确、细致的操作指引。在此影响下，教师仅重视微课制作、借翻转之名增加学生的学业负担、教学流程零散未成体系等虚假翻转的现象时常发生。因此，翻转教学中教师不应当停留于翻转的表象，而是应该构建弹性的学习氛围，以扶放有度的引导提升学生的审辩力、建构力与社会情感能力。正如吴元丰所述翻转教学中“教师存在的意义与目的在于价值的厘清与引导，是师生能共同向往更为客观真实的价值”[5]。可见，教师如何引导学生有意义地思考，又推导至何种结论，是真正影响翻转式教学能否深化学科育人价值的关键所在。而格斯丁翻转教学模式中呈现了清晰且环环相扣的步骤，其既以学生探究体验全过程的展示，帮助教师明确了指向深度学习发生的整个教学活动设计脉络，又通过情境的沉浸体验、概念的关联探索、实践的迁移转化等过程，便于教师带领学生层层深入，逐步明晰结构化与实践性的大概念（或大观念），从而打破翻转教学中学生难以归类、整合与建构结构化知识的弊端。

（三）凸显本质与转化，达成知识深度理解

通常意义上的翻转课堂以微课直接教学与线下练习测试为主，如若没有深入的探究活动、项目任务作驱动，情境渗透的浅层现实关照则难以促进深度学习的有效发生。因此，并不是所有翻转课堂都能够创建以学习者为中心的学习环境，都能够最大化地利用面对面的课堂教学时间，达成深度学习[6]4。在格斯丁翻转教学模式中，有意义建构环节强调学生需要依据测评类的试题或情境任务，让学生在实践应用中有机会去反思所学知识的内在联系与现实意义；而演示应用环节则需要学生将所学知识转化为社会实践，即通过新情境下的项目化学习进行现状调研、产品制作或报告撰写，进而内化知识意义的社会性。由此可见，该教学模式的后两个环节均是在学科概念已经习得的表象基础上，进行的协同思考与实践应用的深度学习。实则，生物学深度学习课堂的特质就是回归学科思想的原点、深化科学实践的要点、孕育审辨内生的抓点[7]。格斯丁翻转教学模式中的各环节恰恰为学生提供了联系不同观点、进行实践应用与意义审辨的机会，可见该翻转教学模式凸显了学科概念本质与实践转化，有助于促进学生达成深度学习的实然样态。鉴于此，研究者以“酶的特性”实验课为例，将知识内容铺陈融合于该模式中，旨在帮助学生实现激发学习热情、阐发知识本质、引发过程评判与触发创新实践的深度学习。

二、应用格斯丁翻转教学模式的实验教学课例

（一）微课模拟的体验参与——激发学习热情

体验参与在格斯丁翻转教学模式中表现为以视频微课或网络交互等技术手段，将学生带入模拟化的情境任务中，从而便于达成深度学习要求的全身心主动投入学习。具体的教学过程为在整节课教学的课前，教师先让学生观看某品牌超效加酶洗衣粉的广告，并询问其觉得该广告的内容是否真实。此时，教师则在视频中引问而探，让学生利用家中的材料自主设计实验并操作验证加酶洗衣粉的高效性。紧接着，当学生实验完成后，再学习第二个视频“比较过氧化氢在不同条件下的分解实验”，根据教科书去对照实验的阐释分析该视频中各组实验的对照组、实验组、自变量、因变量与无关变量。此处留下一个问题让学生在课上进行思考，即能否提炼出实验设计的基本原则。最后，教师引导学生参照过氧化氢的分解实验，修正之前验证加酶洗衣粉高效性的实验设计。

设计意图：教学过程以现实生活中真实问题的模拟探究作为微课的起点，既实现了体验式参与的格斯丁翻转教学模式首要步骤，也达成了朱正威先生所述的教学要注重学生“好奇心的唤醒与探究欲望的点燃”[8]。而接下来向学生展示的“过氧化氢在不同条件下的分解实验”，一方面让学生能够以此为依据理解“酶的高效性”的知识表象，并感性认知实验设计的自变量与因变量等基本术语；另一方面，该视频也便于学生结合之前加酶洗衣粉高效性的探究情境，通过宏观化的实例示证，帮助学生理解酶具有高效性这一知识符号的实际生活意义，并为后面学生的模仿改进奠定了基础。总体而言，该教学过程以现实生活的真实问题为源头，让学生沉浸于学习任务中进行循序渐进、模仿参照的探究，激发了他们全身心主动投入学习的深度学习状态。

（二）试题介导的概念探索——阐发知识本质

概念探索是让学生在体验参与的情境回顾或纵深中，以多种形式的活动帮助学生抽离、凝炼出学科内容的内在联系，进而力求知识及其本质特征的深度体悟。教学时延伸体验参与环节中的加酶洗衣粉情境，教师先给出先行组织者材料，即加酶洗衣粉的化学成分表，其中添加了蛋白酶、脂肪酶与淀粉酶等多种酶制剂。之后，教师便询问学生为何洗衣粉中的酶种类如此多样，有学生便从酶的名称上猜测不同种类酶的催化底物不同，具有专一性。紧接着，教师依据学生的科学假设，引出2009 年高考全国Ⅱ卷的第32 题，即根据所给的实验材料与仪器，完善“验证蔗糖酶和淀粉酶的催化具有专一性”实验设计，让学生回顾微课中学习的实验设计方式，分小组进行实验的完善设计。学生完善设计后，教师便针对学生的作答引导其探索建构出实验设计的一般原则——控制变量原则与对照原则。

设计意图：此教学过程先是延续加酶洗衣粉的情境，以化学成分表的解读让学生感觉到所学知识与现实生活的紧密联系。之后的高考试题介入与小组合作学习相结合的方式，则给予了学生任务驱动式的生生讨论交流机会[8]，既让他们通过试题的解决学习了“酶的专一性”这一知识内容，又让他们于科学共同体的合作交流体验中，建构凝炼了实验设计的对照原则与控制变量原则。总体而言，该过程用情境的纵深与试题的介导将学生所学习的内容牵引至酶的专一性上，并最终阐释清楚了实验设计的基本原则。此外，无论是之前微课情境中高效性的实验原则体会，还是此处专一性的实验原则凝练，均让学生体会到实验设计背后的“一本万殊”，真正帮助学生实现了品悟科学探究方法与原则等学科本质内核的深度学习。

（三）变式训练的意义建构——引发过程评判

有意义建构旨在用少量经典的测试题一方面帮助教师判断学生对知识及其背后逻辑思维或探究方法等的理解程度，另一方面让学生能达成对学习过程的自主评判[9]。正因如此，教学过程中研究者对之前高考试题进行了变式，给学生展示出六组淀粉酶对淀粉或蔗糖催化的实验方案及其结果（如下表1 所示），让学生独立思考、反向递推选择出哪两组的结合可用于验证“酶的专一性”。之后，教师给学生展示日常使用加酶洗衣粉中，因采用沸水与洗衣粉共同浸泡衣物而导致去污无效的视频，让学生明确温度为微课中验证加酶洗衣粉高效性的无关变量。此时，教师便让学生仔细观察表1 中的六组实验及其结果，判断根据其中哪几组实验可以得出淀粉酶作用的最适温度，且最适温度大致为多少。

表1 探究淀粉酶对淀粉或蔗糖催化作用的实验方案

设计意图：变式训练是以知识呈现形式、逻辑顺序等方面的变化改变探究任务，让学生能够通过其更好地掌握知识本质，并评判自身的学习过程。该教学过程承接之前教学活动中验证酶的专一性实验的实验组（淀粉溶液+淀粉酶溶液）与对照组（蔗糖溶液+淀粉酶溶液），学生应用对照与控制变量的原则就可以排除干扰项，判断出依据①和④、②和⑤或③和⑥均可验证淀粉酶的专一性。该环节则是以变式训练测试学生对实验设计原则的反向迁移与应用能力，也可让学生自主评判之前的学习过程是否实现了自我的真正内化。接下来，适宜温度范围的以问导学，不仅将教学的进程延伸至“酶作用于温和条件下”的特性，而且再次让学生运用之前所学的控制变量原则，比较①、②、③组实验可得出淀粉酶的最适温度是在60 ℃左右，实现了对学生之前学习过程自我评判的深度学习。

（四）定量转化的演示应用——触发创新实践

演示与应用于格斯丁翻转教学模式中，强调学生在教师的引导下将所学知识进行创新性演示或创造性转化的过程，从而在一定程度上达成知识迁移与应用的深度学习特质。在教学过程中，教师接着上文“淀粉酶最适温度大致为60℃”的推理结果，询问学生采用肉眼观察颜色深浅的方式是否准确，又可否创新改进实验，用准确的数据呈现去探究淀粉酶的最适温度。当学生束手无策时，教师展示分光光度计的照片，并简要介绍该设备的工作原理与实际应用，即分光光度计采用光线通过溶液后透过光的强度数值化、精确化表示溶液颜色的深浅，且已经被广泛应用于各类生化物质的定量检测。紧接着，教师便让学生分小组围绕该设备，以及淀粉、碘液等材料设计实验，考虑结合数学建模的方式绘制图像并探究得出淀粉酶准确的最适温度。最后，让各小组将最终方案呈现出文字稿用于反馈评价。

设计意图：定性的研究方法给科学研究者明确了一个大致范围或基本特征，而定量的研究方法则将科学研究具体到科学数值上，方便人们运用数学的方式予以抽象研究与准确描述。正因如此，将定性实验进行定量化改进的高中科学实验的创新设计屡见不鲜。此教学过程中引入分光光度计对加碘后的溶液进行吸光值的测量，利用具体数值的绘图建模就可以绘制出温度对酶活性的影响曲线，从而既让学生深化理解了“酶作用于温和条件下”这一基本特性，又认识到了科学的严谨性与规范性。然而，此处的实验设计并非教师直接给予，而是在教师的提示与辅助下，触发学生的迁移与应用能力，让他们在创新实践的自主改进后进行最终方案的文字演示，并最终交予教师反馈评价。可见，该过程既实现了格斯丁翻转教学模式中的演示与应用，也达成了深度学习中所要求的迁移与创新[10]。

翻转式教学自十年前引进我国，对其应用经历了译介兴起、广泛应用与冷静沉思等主要阶段。翻转式教学的兴起源于专家、教师等多元主体对学生学习兴趣的丧失、学习效率的低下，乃至学习力的瓦解等中小学教育现实的焦虑，其期望通过该教学方式的变化翻转学生的学习过程与心态。然而，翻转式教学在现实实践中的试题强化、指引薄弱与教师惯习存在逐步导致价值本义的疏远背离。因此，为突出学生学习的现象探究、体验迁移与过程指引，格斯丁、马萨来姆等翻转教学模式层出不穷。此类翻转教学模式的基本价值取向即复归翻转教学的本义，把以教师为中心的教学调整为以学生为中心的教学。可见，格斯丁翻转教学模式作为凸显了学生体验与探究、强化了操作指引的新型翻转教学模式，为指向深度学习发生的课堂教学变革提供了可能。

诚然，任何西方舶来的教学模式还应当进行本土化的调适转化，才能达成为教师所用、契合学科育人目标、符合我国教育实践的理想状态。对待格斯丁翻转教学模式在生物学实验教学的应用同样如此。在上述实践案例中，研究者结合所授课例予以设计打磨。如，将教科书的经典实验操作、实验涉及的基本术语学习、设计实验的基本原则体会等全部置于课前的体验式参与环节中，而后三个环节中均采用高考试题、变式训练与改进任务等测验，帮助学生真正内化知识，达成深度学习。此外，格斯丁翻转教学模式中的概念探索环节需要进行视频的播放教学，但研究者在此处考虑到实验的特性，即实验的知识概念一般为其背后的基本原则与方法，便采用了纵深体验式参与中的情境，辅之以试题的做中学，帮助学生生成概念。由此可见，格斯丁翻转教学模式的实践转化仍有待结合更多的课例进行深入研究。