深度學(xué)習(xí)導(dǎo)向下的生物探究實(shí)驗(yàn)U型教學(xué)模式
——以“探究植物吸水和失水”為例

陳艷萍 謝虎成

（1.廣州中學(xué) 廣東廣州 510640）

（2.廣州市荔灣區(qū)教育發(fā)展研究院 廣東廣州 510370）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》基本理念包含“核心素養(yǎng)為宗旨，教學(xué)過(guò)程重實(shí)踐”。教師運(yùn)用U型模式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，促進(jìn)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)從驗(yàn)證性走向探究性，學(xué)習(xí)過(guò)程從被動(dòng)接受走向主動(dòng)參與，學(xué)習(xí)方式從淺層學(xué)習(xí)走向深度學(xué)習(xí)，思維發(fā)展從基礎(chǔ)思維走向高階思維，與新課標(biāo)要旨高度契合。

U型模式是郭元祥、謝虎成教授基于深度學(xué)習(xí)理論提出來(lái)的。以實(shí)驗(yàn)探究為載體，將知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樗仞B(yǎng)，需經(jīng)過(guò)下沉與還原、潛行與探究、上浮與反思三個(gè)階段，形象地稱之為U型模式（圖1）。下面以“探究植物吸水和失水”為例，探討該模式在教學(xué)中的運(yùn)用。

1 下沉與還原

深度學(xué)習(xí)是一種“沉浸式學(xué)習(xí)”，必須全身心投入其中，這就是“下沉”。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)只能解決“怎么做”，不能解決“為什么”；可以培養(yǎng)操作技能，難以養(yǎng)成探究素養(yǎng)。探究性實(shí)驗(yàn)首先要啟發(fā)學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)方案的原初背景，增強(qiáng)學(xué)生的探索欲，這就是“還原”。創(chuàng)設(shè)真實(shí)性、交互性的實(shí)驗(yàn)情境，是探究的首要條件。

“探究植物細(xì)胞的吸水和失水”是人教版高中生物《必修1·分子與細(xì)胞》第四章的內(nèi)容。在以往教學(xué)時(shí)，教師一般直接給出實(shí)驗(yàn)思路，學(xué)生自行通過(guò)顯微鏡觀察細(xì)胞失水和吸水的現(xiàn)象從而驗(yàn)證知識(shí)，難以實(shí)現(xiàn)過(guò)程性評(píng)價(jià)；在解決問(wèn)題的過(guò)程中，無(wú)法創(chuàng)造學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的容錯(cuò)性和培養(yǎng)批判性思維。基于深度學(xué)習(xí)理論，本節(jié)將采用學(xué)生多元設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)路線，借助數(shù)碼顯微互動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行探究，分享并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，生成對(duì)話，培養(yǎng)學(xué)生探究的思維方式和對(duì)學(xué)科思想的反思和頓悟，促進(jìn)學(xué)生形成科學(xué)探究的核心素養(yǎng)。

1.1 還原已有知識(shí)

前置性學(xué)習(xí)是指構(gòu)建本節(jié)課知識(shí)體系，掃清探究的知識(shí)性障礙，包括成熟的植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)圖、原生質(zhì)層結(jié)構(gòu)（微課）；課前完成組內(nèi)分工。教師通過(guò)知識(shí)前置，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的好奇心，同時(shí)為課堂探究提供充足的時(shí)間和實(shí)效。

1.2 還原生活經(jīng)驗(yàn)

教師以學(xué)生生活中的現(xiàn)象，引起學(xué)生的注意，引導(dǎo)學(xué)生從植物形態(tài)學(xué)思考植物吸水和失水現(xiàn)象：菜農(nóng)在蔬菜萎蔫后為什么會(huì)澆清水？家里做涼拌黃瓜或白菜碗里會(huì)出現(xiàn)什么？

1.3 還原問(wèn)題情境

教師演示測(cè)量蘿卜塊在不同蔗糖濃度下失水量（吸水）的變化，引導(dǎo)學(xué)生從植物微觀思考植物細(xì)胞內(nèi)吸水和失水現(xiàn)象（表1）。并提出問(wèn)題：植物細(xì)胞是怎樣吸收和失去水分的？這個(gè)過(guò)程遵循什么規(guī)律？

設(shè)計(jì)意圖：教師聯(lián)系學(xué)生生活，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的學(xué)習(xí)情景，并提出挑戰(zhàn)性的問(wèn)題和任務(wù)，是驅(qū)動(dòng)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。設(shè)置情境與學(xué)生的生活感悟相聯(lián)系，更好地激發(fā)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的動(dòng)力。

2 潛行與探究

潛行與探究是通過(guò)探究生命運(yùn)動(dòng)規(guī)律，解釋生命現(xiàn)象的過(guò)程，也是理解科學(xué)探究方法和原理的過(guò)程。水分子進(jìn)出植物細(xì)胞的過(guò)程看不見(jiàn)、摸不著，學(xué)生理解起來(lái)相當(dāng)困難，必須依據(jù)實(shí)驗(yàn)一步一步探究真相。

表1 探究蘿卜塊在不同蔗糖濃度下的試管液面高度

2.1 多元路線設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

多元路線設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是在深度學(xué)習(xí)視域下探索實(shí)驗(yàn)路線存在的合理性和可能性，并通過(guò)不斷“試誤”和不斷改進(jìn)獲得解決問(wèn)題的能力。以下將從三個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)來(lái)講述如何通過(guò)“問(wèn)題—互動(dòng)”來(lái)驅(qū)動(dòng)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。

教學(xué)環(huán)節(jié)一：植物吸水和失水的條件。教師提供洋蔥、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%和30%的蔗糖溶液、清水等實(shí)驗(yàn)材料與試劑，要求學(xué)生設(shè)計(jì)探究植物細(xì)胞吸水和失水的外界條件的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過(guò)討論得出幾個(gè)可行的實(shí)驗(yàn)方案（表2）。

表2 探究“植物吸水和失水的條件”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生多元設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的重要途徑。實(shí)驗(yàn)路線多元化是探究實(shí)驗(yàn)的內(nèi)在追求，更容易遷移或創(chuàng)造性地解決問(wèn)題。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，教師應(yīng)更注重容錯(cuò)性設(shè)計(jì)，把錯(cuò)誤轉(zhuǎn)化為資源，促進(jìn)學(xué)生對(duì)探究過(guò)程的反思和對(duì)知識(shí)的深度理解，也是培養(yǎng)批判性思維的重要手段。

2.2 多種方法觀察實(shí)驗(yàn)

教學(xué)環(huán)節(jié)二：判斷細(xì)胞的吸水和失水。學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)路線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，并嘗試解釋現(xiàn)象。

每個(gè)學(xué)習(xí)小組選擇一個(gè)方案，利用數(shù)碼顯微互動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)展小組合作探究。數(shù)碼顯微系統(tǒng)在黑板屏幕上動(dòng)態(tài)展示每組細(xì)胞中紫色液泡等結(jié)構(gòu)的大小和深淺變化，實(shí)現(xiàn)過(guò)程性評(píng)價(jià)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師應(yīng)加強(qiáng)與學(xué)生的互動(dòng)，幫助學(xué)生觀察和比較不同路線的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并思考內(nèi)在的原因。

設(shè)計(jì)意圖：開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究是深度學(xué)習(xí)的重要手段，也是耗時(shí)最長(zhǎng)，但只有經(jīng)過(guò)自主探究才能將知識(shí)進(jìn)行加工和增值。數(shù)碼顯微互動(dòng)系統(tǒng)促進(jìn)了學(xué)生自主探究，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)知能力、創(chuàng)新能力，并實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)由“個(gè)人體驗(yàn)”向“公共感知”的轉(zhuǎn)變。

2.3 多個(gè)角度分析實(shí)驗(yàn)

教學(xué)環(huán)節(jié)三：分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，深度理解實(shí)驗(yàn)背后的生物知識(shí)。經(jīng)過(guò)自主探究，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程充滿興趣，描述現(xiàn)象也很真實(shí)，如留白、膨脹、萎縮等。學(xué)生經(jīng)過(guò)互動(dòng)討論和質(zhì)疑，發(fā)現(xiàn)在上述4種方案中：植物細(xì)胞在清水、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的蔗糖溶液中原生質(zhì)層并沒(méi)有明顯變化。第一組：加清水后沒(méi)有變化，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的蔗糖溶液后出現(xiàn)“留白”；第二組：先加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的蔗糖溶液，再加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的蔗糖溶液后“留白”，沒(méi)有明顯的變化；第三組：加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的蔗糖溶液沒(méi)有發(fā)生“留白”；第四組：出現(xiàn)了“留白”，滴加清水后“留白”縮小?；趯W(xué)生學(xué)習(xí)的真實(shí)情景，教師進(jìn)一步提出問(wèn)題，請(qǐng)從細(xì)胞液濃度和原生質(zhì)層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)思考，為什么細(xì)胞在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的蔗糖溶液中沒(méi)有現(xiàn)象，而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的蔗糖溶液中“留白”明顯？教師引導(dǎo)學(xué)生分析，得出結(jié)論：原生質(zhì)層是一層半透膜，蔗糖分子不能透過(guò)，并且質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的蔗糖溶液濃度<洋蔥細(xì)胞液濃度<質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的蔗糖溶液濃度，由此反思多元設(shè)計(jì)路線中，第1、4組方案較合理。

設(shè)計(jì)意圖：實(shí)驗(yàn)全程采用過(guò)程性評(píng)價(jià)，最終形成整體評(píng)價(jià)?；?dòng)交流是深度學(xué)習(xí)落腳的重要環(huán)節(jié)。教師引導(dǎo)學(xué)生建立知識(shí)的重組和融合，并對(duì)探究過(guò)程重審視、再反思，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的提升和學(xué)科素養(yǎng)的形成。

3 上浮

上浮與反思是對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行反思，形成概念和原理的過(guò)程，并在生活實(shí)踐中檢驗(yàn)。交流、對(duì)話和遷移運(yùn)用是上浮與反思的基本形式，也是深度學(xué)習(xí)的必要階段。

教學(xué)環(huán)節(jié)四：植物細(xì)胞吸水和失水的過(guò)程。經(jīng)歷復(fù)雜的“潛行”過(guò)程，將“留白”“脹起來(lái)”科學(xué)地歸納植物細(xì)胞為什么發(fā)生吸水和失水就不難了，教師指導(dǎo)學(xué)生將“留白”“萎縮”的生活語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為科學(xué)語(yǔ)言?！傲舭住笔侵溉敉饨缛芤簼舛却笥诩?xì)胞液濃度會(huì)發(fā)生“失水”形成質(zhì)壁分離現(xiàn)象，反之“脹起來(lái)”則是指外界溶液濃度小于細(xì)胞液濃度會(huì)發(fā)生“吸水”——質(zhì)壁分離復(fù)原現(xiàn)象。最后，教師引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：水分出入細(xì)胞的動(dòng)力源于細(xì)胞內(nèi)外溶液濃度差（即滲透勢(shì)）。

課后，教師布置學(xué)生開(kāi)展“施肥過(guò)多的危害、從環(huán)境保護(hù)的角度思考鹽堿地對(duì)植物生長(zhǎng)的危害”的宣傳，從“社會(huì)責(zé)任”維度培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

設(shè)計(jì)意圖：“上浮”是“潛行”的升華，內(nèi)在知識(shí)終于“浮出水面”。在“上浮”過(guò)程中，教師幫助學(xué)生用學(xué)科概念精準(zhǔn)地解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，將學(xué)生的“經(jīng)歷”內(nèi)化為“知識(shí)”，知識(shí)轉(zhuǎn)變成素養(yǎng)。

4 教學(xué)反思

運(yùn)用U型模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改造與升級(jí)。實(shí)踐證明，U型模式帶來(lái)了實(shí)踐教學(xué)的3個(gè)變化：①通過(guò)探究性實(shí)驗(yàn)開(kāi)啟深度學(xué)習(xí)的大門。教師要注意在前置性學(xué)習(xí)，突顯學(xué)生學(xué)習(xí)的主體地位；促進(jìn)學(xué)生通過(guò)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，充分理解植物細(xì)胞吸水和失水的原理并靈活運(yùn)用；以“小組合作學(xué)習(xí)”為抓手，使“個(gè)體獨(dú)立學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤凹w合作學(xué)習(xí)”方式，增加學(xué)生的交流與合作。②以新技術(shù)為支撐實(shí)現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)的路徑。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)充分利用現(xiàn)代教育技術(shù)手段（數(shù)碼顯微互動(dòng)系統(tǒng)、平板電腦），將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)性的采集，摒棄了以往實(shí)驗(yàn)中學(xué)生只能“個(gè)人體驗(yàn)”、不能互動(dòng)和資源共享的方式，利用現(xiàn)代教育手段加強(qiáng)過(guò)程性評(píng)價(jià)，使學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)因信息素養(yǎng)的介入形成質(zhì)的飛躍。③通過(guò)深化探究過(guò)程的體驗(yàn)達(dá)到深度學(xué)習(xí)的目的。多元設(shè)計(jì)路線、容錯(cuò)性設(shè)計(jì)、問(wèn)題設(shè)計(jì)等方法都是加強(qiáng)探究過(guò)程的體驗(yàn)，更好地促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的深度理解和內(nèi)化，使學(xué)生的批判性思維、創(chuàng)造性思維等高階思維得到長(zhǎng)足發(fā)展。