通過(guò)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)走向深度教學(xué)

徐力

近些年，源于計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和人工智能的研究讓深度學(xué)習(xí)走進(jìn)人們的視野。來(lái)自該領(lǐng)域的新成就引起教育領(lǐng)域的深刻反思，計(jì)算機(jī)、人工智能尚且能夠模擬人腦的深層結(jié)構(gòu)和抽象認(rèn)知，人對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)能否借鑒？答案是肯定的。學(xué)生深度學(xué)習(xí)是一個(gè)逐步深化的過(guò)程，這一過(guò)程離不開(kāi)教師教學(xué)的引導(dǎo)。因此，深度教學(xué)會(huì)引起深度學(xué)習(xí)。深度教學(xué)涉及到課堂教學(xué)的組織、對(duì)知識(shí)的深度理解和深度處理，筆者結(jié)合一節(jié)具體的課堂教學(xué)闡述教師如何在教學(xué)中處理知識(shí)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的意義感，豐富學(xué)習(xí)經(jīng)歷，從而帶來(lái)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中認(rèn)知的高度投入。

人教版高中生物必修1實(shí)驗(yàn)“探究環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”是為了幫助學(xué)生理解合理調(diào)控環(huán)境因素可增加光合作用強(qiáng)度。教材給出的參考案例是

“探究光照強(qiáng)度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”，通過(guò)使用葉圓片來(lái)替代植物，很好地解決了各組光合作用面積相同的問(wèn)題，但存在著諸如葉圓片上浮所需時(shí)間太長(zhǎng)（一節(jié)課難以看到結(jié)果，且低溫季節(jié)耗時(shí)更長(zhǎng)）、臺(tái)燈使用太多、實(shí)驗(yàn)步驟不夠優(yōu)化等問(wèn)題。更關(guān)鍵的是，該案例對(duì)學(xué)生深度學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)不到位，更多地在培養(yǎng)學(xué)生的簡(jiǎn)單提取、淺層了解知識(shí)背景等低階思維。為培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)知水平較高的深層理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)所涉及到的理性思辨、創(chuàng)造性思維、問(wèn)題解決等高階思維活動(dòng)，筆者對(duì)原實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)與進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

1優(yōu)化步驟、實(shí)驗(yàn)演示，旨在培養(yǎng)學(xué)生分析、評(píng)價(jià)能力的批判性思維

課本實(shí)驗(yàn)有著不少合理部分，直接舍棄十分可惜。怎樣發(fā)揮它最大的價(jià)值，讓它成為課堂教學(xué)的一個(gè)有效組成部分？筆者改變了它的用途，將它轉(zhuǎn)變成一個(gè)真實(shí)的問(wèn)題情境，旨在培養(yǎng)學(xué)生分析、評(píng)價(jià)能力的批判性思維。具體操作：課前，教師要求學(xué)生閱讀教材，并找出可以省略的材料和可以優(yōu)化的步驟;課上展示有代表性的學(xué)生整理的步驟，再展示教師設(shè)置的步驟：

1準(zhǔn)備富含CO2的清水三份，編號(hào)A、B、C;

2打葉圓片若干（避開(kāi)大葉脈）;

3抽去氣體;

4葉圓片平分成三組，分別加入三燒杯，分別置于離臺(tái)燈（一盞）不同距離處;

5觀察、記錄各組葉圓片上浮所需的時(shí)間。

學(xué)生通過(guò)對(duì)比教師的實(shí)驗(yàn)步驟，發(fā)現(xiàn)自己的不足;通過(guò)比較優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)步驟與教材中內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)教材并非完美無(wú)缺，有很多可以改進(jìn)的地方，從而培養(yǎng)學(xué)生在認(rèn)知領(lǐng)域的分析能力。接著是有2個(gè)學(xué)生與教師共同按照整理后的步驟進(jìn)行演示操作，讓學(xué)生直觀感受教材實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程，同時(shí)展示教師課前1h做的實(shí)驗(yàn)結(jié)果——葉圓片仍未上浮。然后，教師引導(dǎo)學(xué)生分析教材實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)，為引出新的實(shí)驗(yàn)材料——金魚藻作鋪墊，也進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的批判性思維。

2材料革新、設(shè)計(jì)并操作實(shí)驗(yàn)，旨在培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用、分析、解決問(wèn)題能力的創(chuàng)造性思維

教師展示實(shí)驗(yàn)材料：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的NaHCO3溶液、100mL量筒3支、臺(tái)燈一盞、金魚藻若干。并提出實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄拷痿~藻最適光照強(qiáng)度。

教師提示：金魚藻在適宜光照條件下，約1min后，從莖基部冒出氣泡。可根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的氣泡數(shù)確定最適光照強(qiáng)度。

通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)分析，學(xué)生已經(jīng)理解不同實(shí)驗(yàn)組之間要遵循單一變量原則。但是。學(xué)生在使用新的實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行設(shè)計(jì)與操作時(shí)能否考慮到光合面積是無(wú)關(guān)變量要相同？如果考慮到，又如何解決？這本身就是一個(gè)真實(shí)的學(xué)習(xí)情境。學(xué)生需要應(yīng)用知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并分析自己實(shí)驗(yàn)的有效性。筆者通過(guò)觀察，發(fā)現(xiàn)學(xué)生都對(duì)金魚藻進(jìn)行了處理，方法有如下幾種：

1盡量選取大小相同的植株;

2對(duì)一些金魚藻進(jìn)行剪切，使各組的長(zhǎng)度盡可能相等;

3將同一株金魚藻切成等長(zhǎng)的三段;

4用天平稱取質(zhì)量相等的金魚藻。

上述處理說(shuō)明各學(xué)生小組都有了要使光合面積相同的意識(shí)，但都沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題。因此，學(xué)生記錄到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)了與預(yù)期不同甚至是相反的結(jié)果，如距離最近的氣泡數(shù)反而最少，不同距離處的氣泡數(shù)相同等怪現(xiàn)象。這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯然沒(méi)有說(shuō)服性。怎樣解決這個(gè)問(wèn)題是課堂教學(xué)的一個(gè)重點(diǎn)，意在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性解決問(wèn)題的能力。學(xué)生在分組討論中沒(méi)有找到合適的解決方案，那么合作學(xué)習(xí)、思維碰撞就十分重要了。因此，教師組織各組學(xué)生進(jìn)行全班批判性互動(dòng)。

在交流展示環(huán)節(jié)，教師請(qǐng)學(xué)生說(shuō)出他所在組在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到了哪些問(wèn)題且如何解決的。有的組介紹他們是如何使三組的植株盡可能相同的，有的組介紹他們測(cè)得的數(shù)據(jù)有些“怪”是因?yàn)椴煌M的植株莖的粗細(xì)不同，所以氣泡大小不同，但如何克服還沒(méi)有辦法。最終，正是因?yàn)檫@些怪現(xiàn)象讓學(xué)生認(rèn)識(shí)因?yàn)闊o(wú)論如何也無(wú)法得到光合面積相同的三組金魚藻，所以實(shí)驗(yàn)的有效性大打折扣。

在多組交流之后，教師引導(dǎo)學(xué)生分析：大家的做法中有沒(méi)有共性？解決問(wèn)題的思路都圍繞什么方面展開(kāi)的？學(xué)生略加思考發(fā)現(xiàn)，他們都在一個(gè)不可能完成任務(wù)的怪圈中打轉(zhuǎn)——尋找相同的三組植株。此時(shí)教師再加以引導(dǎo)：能否換一個(gè)思路來(lái)解決問(wèn)題？學(xué)生慎重思考后產(chǎn)生新的想法：既然，平行的實(shí)驗(yàn)不行，那么用縱向分組呢？各組學(xué)生，激烈討論，找出新解決的方法：用同一株金魚藻，改變與光源之間的距離來(lái)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。

3數(shù)據(jù)收集、結(jié)果處理，旨在培養(yǎng)學(xué)生綜合、評(píng)價(jià)、復(fù)雜問(wèn)題的解決等高階思維

根據(jù)前面的討論結(jié)果，學(xué)生重新設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)步驟并進(jìn)行操作。學(xué)生再次進(jìn)入真實(shí)的情境中，由于解決了實(shí)驗(yàn)方案的有效性問(wèn)題，自然而然就面臨實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集、結(jié)果處理的一系列問(wèn)題。此時(shí)，學(xué)習(xí)已經(jīng)達(dá)到對(duì)知識(shí)的深層次理解和深度處理的程度，學(xué)生在這樣真實(shí)的情境中，情感態(tài)度投入、意志投入、個(gè)性品質(zhì)投入等都達(dá)到了普通課堂教學(xué)無(wú)法到達(dá)的程度。他們?cè)噲D像科學(xué)家一樣研究問(wèn)題，獲得有效結(jié)論。本節(jié)課的這個(gè)階段具體包括數(shù)據(jù)收集、結(jié)果處理、獲得結(jié)論。

3.1數(shù)據(jù)收集

學(xué)生將收集到的數(shù)據(jù)（30s內(nèi)產(chǎn)生的氣泡數(shù)）填入學(xué)案的相應(yīng)表格中。他們分別測(cè)量距離光源5、10、15cm的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性關(guān)乎實(shí)驗(yàn)結(jié)論的有效性，控制誤差十分重要。因此在交流展示環(huán)節(jié)，教師引導(dǎo)學(xué)生交流減少誤差的方法。學(xué)生提出的方式基本有兩種：多測(cè)量幾次取其平均值的;統(tǒng)計(jì)更長(zhǎng)的時(shí)間，再算出30s產(chǎn)生氣泡數(shù)。師生一起分析哪種數(shù)據(jù)收集方法更準(zhǔn)確，以此來(lái)引導(dǎo)學(xué)生正確對(duì)待定量實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)的獲取方法，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?duì)待實(shí)驗(yàn)的態(tài)度。

3.2結(jié)果處理該實(shí)驗(yàn)的最終目的是探索出金魚藻光合作用的

最適光照強(qiáng)度，僅僅依靠孤零零的幾組數(shù)據(jù)顯然不能獲得結(jié)論。那么如何處理收集到的數(shù)據(jù)？教師提示學(xué)生：可以在坐標(biāo)系中標(biāo)出記錄數(shù)據(jù)并連成曲線，觀察曲線呈現(xiàn)的特點(diǎn)，再得到結(jié)論。學(xué)生所繪曲線基本上都如圖1A所示。

顯然，根據(jù)圖1A無(wú)法找到最適光照強(qiáng)度，卻提示了進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的方向，即縮短與光源的距離。學(xué)生在oa之間再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，繪出了如圖1B所示的曲線。但從圖1B曲線中仍然找不到最適光照強(qiáng)度，怎樣解決呢？

教師引導(dǎo)學(xué)生討論，發(fā)現(xiàn)可能存在兩種可能：

1最適光照強(qiáng)度在oa之間，通過(guò)進(jìn)一步縮小燈泡與金魚藻之間距離來(lái)測(cè)定。

2燈泡功率不是足夠大，通過(guò)增大燈泡功率（或增加燈泡數(shù)量）后繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。于是，針對(duì)這兩種情況學(xué)生再一次進(jìn)行了探究，分別得到了圖1C和圖1D。

最終，學(xué)生據(jù)實(shí)驗(yàn)分析出，金魚藻的最適光照強(qiáng)度并非一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)很大的范圍。在這一次探究實(shí)驗(yàn)中，找到了這個(gè)范圍中的最低光照強(qiáng)度。至于再增加光照強(qiáng)度，金魚藻的光合作用強(qiáng)度是不是會(huì)下降，可以下次再作進(jìn)一步的探究。

學(xué)生在課堂中經(jīng)歷了多次的挫折，通過(guò)不斷改進(jìn)方案，不斷解決實(shí)際問(wèn)題，突破了對(duì)知識(shí)的簡(jiǎn)單占有和機(jī)械訓(xùn)練。該環(huán)節(jié)的設(shè)置正符合美國(guó)著名教育家杜威的教育理念：書本知識(shí)具有不可教性，不能直接進(jìn)行傳授，而需要讓學(xué)習(xí)者經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，即知識(shí)的學(xué)習(xí)需要經(jīng)過(guò)還原與下沉、經(jīng)驗(yàn)與探究、反思與上浮的過(guò)程。

4教學(xué)反思

在教學(xué)過(guò)程中，教與學(xué)是一種相融性的一體化關(guān)系，學(xué)生真正意義上的深度學(xué)習(xí)需要建立在教師深度指導(dǎo)的基礎(chǔ)上。從本質(zhì)上來(lái)看，學(xué)生在教師引導(dǎo)下，對(duì)知識(shí)進(jìn)行內(nèi)在結(jié)構(gòu)的逐層深化學(xué)習(xí)，并在學(xué)習(xí)過(guò)程中深刻參與和學(xué)習(xí)投入，才能實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)過(guò)程是一個(gè)真實(shí)的學(xué)習(xí)情境，學(xué)生會(huì)碰到許多真實(shí)的問(wèn)題，在解決問(wèn)題的過(guò)程中其科學(xué)探究能力、批判性思維和解決復(fù)雜問(wèn)題的能力都會(huì)得到提高。且因?yàn)閱?wèn)題是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中碰到的實(shí)實(shí)在在的問(wèn)題，會(huì)大大提高學(xué)生的積極性。另外，學(xué)生在解決這些問(wèn)題的過(guò)程中，需要組內(nèi)甚至組間討論、分工合作等手段，也培養(yǎng)了學(xué)生人際領(lǐng)域的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和有效溝通表達(dá)的能力。本節(jié)課設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)就是先將書本知識(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的還原，還原成“經(jīng)驗(yàn)”，進(jìn)行了知識(shí)的“下沉”處理。學(xué)生經(jīng)歷對(duì)全新材料為背景實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作、結(jié)果處理的不斷摸索，不斷改進(jìn)，對(duì)知識(shí)進(jìn)行了“自我加工”。這個(gè)環(huán)節(jié)看似很浪費(fèi)時(shí)間，卻是決不能缺少，否則會(huì)減損整體目標(biāo)的達(dá)成。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的反思，即書本知識(shí)進(jìn)行個(gè)人意義的升華和表達(dá)，書本知識(shí)最終變成學(xué)生自己理解的知識(shí)。