在生物課堂中通過深度學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維——以“植物生長(zhǎng)素的探索史”為例

沈璐昳

（上海市控江中學(xué) 上海 200093）

1 理論基礎(chǔ)

深度學(xué)習(xí)概念是美國(guó)學(xué)者費(fèi)論斯·馬頓和羅右·薩爾喬于1976年首次提出，是對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行批判性理解、整合性建構(gòu)以及創(chuàng)新性遷移的一種學(xué)習(xí)方式。促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的教學(xué)并不是無限增加知識(shí)難度和知識(shí)量，而是基于知識(shí)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，通過對(duì)知識(shí)的完整處理，引導(dǎo)學(xué)生從低階思維能力的淺層學(xué)習(xí)到高階思維能力的深度學(xué)習(xí)。教師在生物課堂中通過深度學(xué)習(xí)落實(shí)學(xué)生科學(xué)思維培養(yǎng)，主要包括：①掌握基本的生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究原理和方法；②敢于質(zhì)疑的能力；③具備邏輯梳理能力；④具備實(shí)證意識(shí)；⑤具備語言表達(dá)能力；⑥具備論證能力；⑦具備歸納、建模能力。下面針對(duì)如何將深度學(xué)習(xí)貫徹落實(shí)于科學(xué)思維的培養(yǎng)進(jìn)行了探索。

2 教材分析

“植物生長(zhǎng)素的探索史”是滬科版高中生命科學(xué)第二冊(cè)第五章第五節(jié)“植物生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)節(jié)”中的內(nèi)容。教材以40多年間數(shù)位科學(xué)家完成的幾個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)為主線，層層深入地解釋了植物向光性現(xiàn)象的機(jī)理，揭示了當(dāng)植物受外界刺激后植物體維持穩(wěn)態(tài)的基本調(diào)節(jié)方式，促使學(xué)生逐步形成“穩(wěn)態(tài)”與“適應(yīng)”的生命觀念。同時(shí)，“生長(zhǎng)素探索史”中隱含的“假說-演繹”的理性思維，是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)很好的載體。

3 教學(xué)目標(biāo)

通過親歷達(dá)爾文、詹森、溫特等科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)，初步學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)探究的一般方法，養(yǎng)成“假說-演繹-歸納-建?！钡目茖W(xué)思維；通過從個(gè)體和細(xì)胞水平上闡釋植物向光性運(yùn)動(dòng)的機(jī)理，理解植物向光性運(yùn)動(dòng)是適應(yīng)環(huán)境的一種表現(xiàn)。

4 課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

4.1 以生命現(xiàn)象導(dǎo)入新課

學(xué)生通過觀察延遲攝影拍攝的向日葵幼苗動(dòng)圖，思考向日葵幼苗彎曲生長(zhǎng)的外因，并提出疑問：“向日葵幼苗的感光部位在哪里？”然后，分組討論、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究植物的感光部位。某小組選擇了三棵幼苗作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象：第一組為空白對(duì)照組不做處理；第二組用黑色袋子遮住幼苗上部；第三組用黑色袋子遮住幼苗下部，并給于單側(cè)光照射，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)意圖：有趣的生命現(xiàn)象可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，主動(dòng)地想去探索知識(shí)。同時(shí)，學(xué)生通過互動(dòng)碰撞出思想的火花，可以極大地豐富課堂的教學(xué)，促進(jìn)其深度學(xué)習(xí)，更有利于主動(dòng)地理解并掌握基本的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和原則，繼而培養(yǎng)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

4.2 重現(xiàn)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隱藏其中的“假說-演繹”的科學(xué)思維

4.2.1 引出達(dá)爾文假說

教師借學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，引出達(dá)爾文父子設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生對(duì)兩組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，與達(dá)爾文父子設(shè)計(jì)的一樣設(shè)置4個(gè)組，但每組增加至5個(gè)胚芽鞘，并給于單側(cè)光照射。教師根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，引出達(dá)爾文提出的“化學(xué)信號(hào)假說”，并引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證假說。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中增加胚芽鞘的數(shù)量，目的是減少實(shí)驗(yàn)誤差。要實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，教師需要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)自我評(píng)價(jià)，整合自己已有的知識(shí)，發(fā)現(xiàn)問題、反思不足之處并進(jìn)行調(diào)整。評(píng)價(jià)和反思是培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑能力的前提。

4.2.2 挖掘“假說-演繹”中隱藏的科學(xué)思維

學(xué)生根據(jù)達(dá)爾文“假說”自行演繹，在環(huán)境適宜生長(zhǎng)的情況下，選取2個(gè)生長(zhǎng)狀態(tài)相近的胚芽鞘，對(duì)照組胚芽鞘不做處理，實(shí)驗(yàn)組胚芽鞘去除尖端0.5 cm，在均勻光照5 h后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為對(duì)照組直立生長(zhǎng)0.2 cm，實(shí)驗(yàn)組生長(zhǎng)不明顯。其他學(xué)生根據(jù)該學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)方案可以得出：胚芽鞘尖端可以控制下部的生長(zhǎng)，但無法直接驗(yàn)證一定是某種化學(xué)物物質(zhì)引起胚芽鞘生長(zhǎng)。教師借此引出詹森的實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生發(fā)現(xiàn)詹森利用化學(xué)物質(zhì)可透過瓊脂而無法透過云母片的特點(diǎn)，從而確定是尖端產(chǎn)生的某種化學(xué)物質(zhì)引起彎曲現(xiàn)象。但有邏輯嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)生提出質(zhì)疑：詹森并沒有排除胚芽鞘尖端本身對(duì)下部生長(zhǎng)的影響。此時(shí)，教師介紹溫特的實(shí)驗(yàn)方案：溫特巧妙地用積累了尖端某種化學(xué)物質(zhì)的瓊脂塊代替胚芽鞘尖端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而排除胚芽鞘尖端本身對(duì)下部的影響。

設(shè)計(jì)意圖：達(dá)爾文假說的演繹過程實(shí)則是科學(xué)家如何巧妙設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證假說的科學(xué)思維過程，并非是三個(gè)實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)單呈現(xiàn)，包含了層層遞進(jìn)的邏輯關(guān)系。深度學(xué)習(xí)的落實(shí)不僅需要學(xué)生親歷實(shí)驗(yàn)的過程，還要求學(xué)生能夠形成更高階的理性思維，即批判性的理解和分析。學(xué)生對(duì)已有知識(shí)進(jìn)行反思和質(zhì)疑，有意識(shí)地通過實(shí)驗(yàn)探求真知，主動(dòng)梳理知識(shí)之間的內(nèi)在邏輯聯(lián)系。其中，敢于質(zhì)疑和邏輯梳理亦是生物科學(xué)素養(yǎng)的范疇。

4.2.3 演繹假說的曲折

學(xué)生自行選擇較常見的單子葉植物玉米和小麥，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：小麥發(fā)芽快但胚芽鞘較細(xì)小，不易操作；玉米雖然發(fā)芽等待時(shí)間較小麥長(zhǎng)，但玉米胚芽鞘較粗易操作；故最終選擇了玉米胚芽鞘為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。學(xué)生在重現(xiàn)達(dá)爾文父子的實(shí)驗(yàn)時(shí)，因地制宜地選擇了不透明的和透明的筆蓋作為實(shí)驗(yàn)材料來完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在重現(xiàn)詹森實(shí)驗(yàn)過程中，因云母片較厚操作較難，改用較輕易上手且能阻斷化學(xué)物質(zhì)透過的錫紙；有小組嘗試用食品用的明膠片代替瓊脂塊，但在后續(xù)實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)其吸水性強(qiáng)，導(dǎo)致胚芽鞘脫水而無法生長(zhǎng)，隨即放棄使用。在重現(xiàn)溫特的實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生覺得等待胚芽鞘尖端生長(zhǎng)素積累到瓊脂塊的時(shí)間過長(zhǎng)，查閱書本后，詢問教師是否有生長(zhǎng)素人工類似物溶液來代替該步驟。該學(xué)生用該溶液浸泡瓊脂塊，大大提高了實(shí)驗(yàn)的成功率。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生演繹假說的過程中，不乏迸發(fā)出一些創(chuàng)新性的想法并予以實(shí)踐，有時(shí)成功，有時(shí)失敗。這種創(chuàng)新實(shí)踐的學(xué)習(xí)方式也就是深度學(xué)習(xí)。深度學(xué)習(xí)有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維?？茖W(xué)思維實(shí)質(zhì)是利用科學(xué)的思維方式來解決問題的過程，這個(gè)過程必須由學(xué)生親身實(shí)踐、創(chuàng)新、體驗(yàn)、探索，讓學(xué)生深刻感悟科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的不易，這也是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)證意識(shí)的基礎(chǔ)。

4.3 從個(gè)體水平引入細(xì)胞水平的探究

教師補(bǔ)充小實(shí)驗(yàn)：用黑色水筆在胚芽鞘的一側(cè)畫一條細(xì)線，2 d后，觀察黑色印記的變化。并提出問題：胚芽鞘伸長(zhǎng)部位在哪里？胚芽鞘怎么伸長(zhǎng)的？胚芽鞘如何彎曲的？……教師引導(dǎo)學(xué)生從個(gè)體水平探究深入到細(xì)胞水平的探究，學(xué)生主動(dòng)提出需要借助光學(xué)顯微鏡觀察細(xì)胞。教師展示利用“ScopeImage 9.0”軟件拍攝顯微鏡下胚芽鞘縱切后的細(xì)胞結(jié)構(gòu)（圖1），引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析。

圖1 顯微鏡下胚芽鞘縱切面結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)意圖：教師借助數(shù)字化工具與資源，用顯微鏡下觀察的照片代替常規(guī)教學(xué)使用的模式圖，使學(xué)生直觀感受胚芽鞘彎曲部位的向光側(cè)和背光側(cè)細(xì)胞的差異，從而加速深度學(xué)習(xí)的進(jìn)程。學(xué)生經(jīng)過實(shí)證再解釋了胚芽鞘彎曲生長(zhǎng)的本質(zhì)，尊重事實(shí)和證據(jù)，培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那笾獞B(tài)度，更好地培養(yǎng)了實(shí)證意識(shí)。

4.4 總結(jié)歸納，建構(gòu)模型，知識(shí)遷移

4.4.1 結(jié)合實(shí)證，得出結(jié)論

學(xué)生根據(jù)顯微鏡下拍攝的照片和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出胚芽鞘向光彎曲伸長(zhǎng)的內(nèi)因是背光側(cè)生長(zhǎng)素積累的較多。教師鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)結(jié)論提出新的假設(shè)。學(xué)生提出假設(shè)：光照可能會(huì)影響生長(zhǎng)素的合成；光照可能會(huì)破壞生長(zhǎng)素；單側(cè)光照可能導(dǎo)致生長(zhǎng)素從向光側(cè)往背光側(cè)運(yùn)輸?shù)?。教師展示單?cè)光照對(duì)胚芽鞘尖端生長(zhǎng)素分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖2），學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，評(píng)價(jià)自己的假設(shè)，修正觀點(diǎn)，總結(jié)胚芽鞘向光彎曲的內(nèi)因。

圖2 單側(cè)光對(duì)胚芽鞘尖端生長(zhǎng)素分布的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

設(shè)計(jì)意圖：深度學(xué)習(xí)需要學(xué)生自己主動(dòng)走近知識(shí)。教師引導(dǎo)學(xué)生提出假設(shè)，鍛煉學(xué)生語言表達(dá)能力。語言的表達(dá)有利于學(xué)生進(jìn)行邏輯推理和論證。學(xué)生運(yùn)用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來支持或反思自己的觀點(diǎn)，論述主張，為假設(shè)的成立構(gòu)建合理的解釋。這種論證的過程實(shí)則是在培養(yǎng)學(xué)生的理性思維。具備語言表達(dá)能力和論證能力是生物科學(xué)素養(yǎng)的重要體現(xiàn)所在。

4.4.2 建構(gòu)模型、遷移拓展

通過課堂實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論，學(xué)生初步構(gòu)建胚芽鞘彎曲生長(zhǎng)的機(jī)理模型。隨后，教師引出植物向性運(yùn)動(dòng)的概念，并引導(dǎo)學(xué)生用該模型來推理植物向性運(yùn)動(dòng)的機(jī)理。最后，教師引出生長(zhǎng)素的化學(xué)本質(zhì)，并拓展介紹植物生長(zhǎng)素“酸生長(zhǎng)”學(xué)說。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生將新知融入原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，整合性建構(gòu)胚芽鞘彎曲生長(zhǎng)的機(jī)理模型，靈活運(yùn)用并解釋植物其他向性運(yùn)動(dòng)的機(jī)理。深度學(xué)習(xí)重視學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)，也就是學(xué)生能靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)和已有能力，解決實(shí)際問題。學(xué)生這種歸納、建模的能力是生物科學(xué)素養(yǎng)中的重中之重。

5 教學(xué)反思

本節(jié)課以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維為宗旨設(shè)計(jì)和組織教學(xué)，鼓勵(lì)學(xué)生養(yǎng)成對(duì)所學(xué)知識(shí)能夠有批判性理解、整合性構(gòu)建以及創(chuàng)新性遷移的學(xué)習(xí)方式。對(duì)于生命科學(xué)植物激素探索史的教學(xué)，探究的不僅僅是實(shí)驗(yàn)，更多的是科學(xué)思維的滲透。教師重視實(shí)證，讓學(xué)生“力行”，親自體驗(yàn)實(shí)際生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)操作過程中諸多的困難，感悟到科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的嚴(yán)謹(jǐn)性和曲折性。層次化的實(shí)驗(yàn)情境的設(shè)計(jì)重在培養(yǎng)學(xué)生的邏輯梳理能力，環(huán)環(huán)相扣的實(shí)驗(yàn)中不乏出現(xiàn)學(xué)生敢于批判和質(zhì)疑的聲音，語言是學(xué)生理性思維的載體，語言的表達(dá)是學(xué)生深度思考的一種形式。教師巧妙運(yùn)用學(xué)生課堂生成性問題，引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)、建構(gòu)出胚芽鞘向光彎曲生長(zhǎng)機(jī)理的模型，發(fā)展學(xué)生的論證技能，以達(dá)成在生物課堂中通過深度學(xué)習(xí)的方式培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。