例談基于深度學習的科學實踐教學

【摘

要】本文以細胞吸水和失水為例，闡述以各種科學實踐展開對滲透裝置、動植物細胞滲透作用的教學，使得學生通過自主參與活動來完成教學，達到深度學習的目的，以此驗證基于科學實踐達成深度學習的可行性?！娟P鍵詞】細胞吸水和失水；科學實踐；深度學習深度學習倡導學習應以學生為主，通過設計相應的活動，幫助學生對學習材料進行加工、分析、聯(lián)想、內化，進而完善自己的知識體系。深度學習的其他特征都圍繞“活動與體驗”展開。高中生物學是以實驗操作和現(xiàn)象觀察為主的一門學科，眾多抽象的生物學概念需要結合學生的動手實驗。科學實踐活動是生物學活動的主心骨，通過學生自主地參與活動并質疑、探究、反思、修正，真正達成知識的內化。一、科學實踐的基本特征科學實踐是深度學習的外在表現(xiàn)。應用科學實踐，要認識它是集合多方特性于一體的綜合實踐活動。（一）科學實踐的主體性實踐重視的是學生真正參與的主體性活動，學生必須成為學習的主角。它力求科學探究的設計不再是以教師教授為主，應該轉型為教師提供素材和資料，激發(fā)學生的積極態(tài)度，讓他們自發(fā)主動地思考，進行相應的實驗探究。被動機械的學習方式會禁錮學生的思維發(fā)展，枯燥的教師主講方式會極大降低學生學習的興趣。要有效發(fā)揮學生的主體性地位參與科學實踐，積極體驗，才能深入思考現(xiàn)象與原理間的聯(lián)系，完成對概念本質的把握。（二）科學實踐的開放性科學實踐的開放性強調的是進行科學實踐不強制完全按照教材提供的實驗設計方案，它有更多的選擇權。與傳統(tǒng)封閉式、結構式的科學探究不同，科學實踐關注學生特點，認同學生在熟悉實驗思路的基礎上，根據(jù)自身所處的不同情境進行遷移和創(chuàng)造，設計相應解決問題的實驗方案。它也不局限進行實踐的時間和空間，除了教師安排的課堂活動，更倡導學生利用課余的時間，在家或更開闊的場地進行相應的實踐。充分利用學生的課余延長實驗的時間線，能改變課堂時間的局促性，讓實驗過程呈現(xiàn)得更完整，也能提供充分的時間讓學生收集實驗資料，并調動以往的知識經驗加以聯(lián)想思考，把握實踐知識的本質，完成深度學習。（三）科學實踐的多維性科學實踐是多維度的活動，它不僅是理智的，還深受情感、文化、社會的影響。作為科學實踐，它是有邏輯理論依托的存在，是批判性思維的產物，是科學的存在。但由于新時代要求教師要立德樹人，在生物學科中不僅要傳授學生科學知識，還應該引導學生關注社會生活，學以致用，能用生物學知識解決生活實際問題。因此科學實踐要深度結合與學生息息相關的生活實際，基于服務本土文化生活的目標出發(fā)，進行實驗探究，獲得新的理論知識，為培養(yǎng)能解決一定生產、生活問題的素養(yǎng)奠定基礎。（四）科學實踐的過程性與直接獲取理論知識不同，科學實踐重視過程的呈現(xiàn)。其一，實踐過程不是單純按照教材提供的教學步驟動手操作，而是看重學生如何根據(jù)情境，利用不同的實驗材料，創(chuàng)造性地進行實驗探究。其二，科學實踐過程中各種師生互動、生生互動都是實踐成效的重要評價要點都應該引起關注。學生如何通過實驗驗證教師的提問或假說，對于實驗結果的創(chuàng)造性表達方式，學生間的合作探究活動開展情況，對于實驗結果的分析、推理、綜合、概括程度等都在一定程度上判斷學生是否真正內化知識。這些深度學習所提倡的親身經歷和體驗，能引導學生主動地去感知知識內容，對實踐過程全身心地投入是助力學生掌握知識的重要活動環(huán)節(jié)。二、基于深度學習的科學實踐案例筆者在研究科學實踐的特征后，以被動運輸中細胞的吸水和失水內容為例，設計科學實踐活動，促進學生深度學習。（一）滲透裝置科學實踐1.情境遷移，任務布置在課前準備任務中，教師帶領學生用紅墨水滴在清水中完成擴散實驗。在此基礎上，要求學生根據(jù)現(xiàn)象，提出問題：紅墨水在水中擴散，說明溶質分子能夠從濃度高的地方向濃度低的地方擴散。那么水也能夠擴散嗎？做出假設：水分子也能從“水多”的地方向“水少”的地方擴散。帶領學生設計實驗，并形成兩個重要思路：（1）利用不同濃度的溶液創(chuàng)造“水多”與“水少”的差異；（2）半透膜可以允許水分子通過，而溶質分子不能通過，以此維持膜兩側的濃度差。在完成實驗設計引導后，教師布置任務：要求學生利用微課做指導，自學滲透作用的原理，在家利用周圍的材料，制作滲透裝置的模型。2.科學實踐，進行深度學習在任務完成過程中，與學生交流互動后，得出幾點材料用具選擇上的要點。在溶液選擇中，學生普遍用易獲得的清水、蔗糖溶液。半透膜的選擇上比較多樣，有網購玻璃紙、糖果包裝紙代替，都能取得想要的液面變化效果。較多學生選擇圓柱形管代替長頸漏斗，如牙刷的包裝殼，效果比較良好的是0.5cm簽字筆外殼。經過對比發(fā)現(xiàn)，直徑越小的圓柱形管，后期液面上升所需要的時間越短。燒杯的替代物除了日常杯子，個別同學用帶蓋口香糖罐代替，不僅可以直接切口圓柱形管，實驗達成的時間也越短。經過普及后，眾多學生采用這個新方案。本實驗完成后，再要求學生模擬漏斗內外都是等濃度的蔗糖溶液和用紗布代替半透膜實驗組別。所有實驗現(xiàn)象都要求拍照記錄，并將結果以表格形式記錄。通過本次科學實踐，學生將復雜的滲透裝置搬到家里進行，利用生活中常見的一些材料重新改進實驗裝置，不僅提升了學習生物學的興趣，而且學生通過不斷地質疑、反思材料選擇是否合適，是否符合滲透作用發(fā)生的要求，從而有深度地達成對滲透作用條件的認識。在對比、分析實驗結果的過程中，能夠連接所有注意點，總結滲透作用的概念和發(fā)生的條件，主動地完成學習目標。（二）動物細胞吸水和失水科學實踐1.情境導入，由興趣過渡實驗驗證教師給出關于生理鹽水的資料，提出問題：為什么臨床上輸液要用生理鹽水？在引發(fā)學生興趣的同時，要求學生通過實驗驗證。2.實驗探究實踐，以探促學教師提供新鮮的豬血細胞、蒸餾水、生理鹽水、15%NaCl濃液等材料，要求學生利用顯微鏡觀察豬血細胞在不同溶液中狀態(tài)。教師指導學生先將豬血細胞滴入盛有生理鹽水的燒杯中，稀釋豬血細胞。再吸取少量的豬血細胞稀釋液，制作至少兩個臨時裝片并觀察細胞形態(tài)。記錄結果后，分別在不同的臨時裝片一側滴加蒸餾水和15%NaCl溶液，另一側用吸水紙慢慢吸引，關注細胞的形態(tài)變化并記錄。學生通過觀察后發(fā)現(xiàn)，在生理鹽水中豬血細胞形態(tài)基本正常，邊緣完整。滴加蒸餾水后，豬血細胞明顯鼓脹，體積增大，視野邊緣的豬血細胞漲破，細胞內容物流出。滴加15%NaCl溶液后，處于邊緣處的豬血細胞體積減小，發(fā)生了皺縮。（三）植物細胞吸水和失水科學實踐1.回顧成熟植物細胞結構，構建物理模型生活中植物出水的例子比比皆是，教師節(jié)選貼近生活的實例，如腌蘿卜出水，引發(fā)學生思考植物細胞是否也能發(fā)生滲透作用。如果發(fā)生，它的原理是否與動物細胞一致。教師要求學生根據(jù)第三單元對細胞結構的認識，分析動植物在結構上的區(qū)別，并嘗試用可見的素材構建動植物細胞物理模型，在制作上可以忽略細胞器，但是要突出細胞壁、細胞膜在結構上的一些重要性質。經過學生的建模反饋，教師選出最突出的作品是用氣球模擬動植物細胞膜，用帶孔的方形水果采摘籃模擬細胞壁。2.修正模型，利用模型幫助思維延伸教師提供的資料：一個成熟的植物細胞中液泡的體積占90%以上，成熟植物細胞中的液體環(huán)境主要與細胞液有關。學生根據(jù)資料對植物細胞的物理模型做修正，用小氣球模擬大液泡。教師要求學生觀察模型，并根據(jù)自己在制作模型過程中對成熟植物細胞結構的再深入認識，思考回答：（1）液泡中的水到達細胞外主要依次穿過什么結構？（2）你認為成熟植物細胞的什么結構充當半透膜？如何驗證你的猜想？學生分析、討論，得出液泡中的水到達細胞外依次經歷液泡膜—細胞質—細胞膜—細胞壁，由此猜測植物細胞的水分進出也是滲透作用。對水分子來說，細胞壁是全透性的，而細胞膜和液泡膜都屬于生物膜，都具有選擇透過性特點，因此它們相當于半透膜。在學生的分析基礎上，教師引出原生質層的定義，并提出任務：進行實驗驗證，成熟植物細胞的原生質層相當于一層半透膜。3.利用教材的提示，進行科學探究實踐教師要求學生根據(jù)科學探究的一般過程，完成探究實驗。學生提出問題：水進出植物細胞是滲透作用嗎？原生質層相當于一層半透膜嗎？隨即作出假設，通過小組合作設計實驗并進行實驗，記錄結果并分享。4.小組合作分析討論，深度化知識引導學生分析實驗結果，借用物理模型輔助理解實驗現(xiàn)象，確定實驗結論。結合前面所學，學生可以很容易地自主概括質壁分離的概念和發(fā)生的條件，解決了本節(jié)的一個重難點。5.開放性實驗，進行質壁分離探究教師提醒學生關注進行質壁分離實驗用到的材料和溶液類型的特殊性，從細胞角度和溶液角度指導學生判斷細胞能否發(fā)生質壁分離。要求學生選擇感興趣的角度，利用教師提供的材料，按照“我選擇的是材料是_________，我準備驗證假說是_________，經過實驗，得出的實驗結果是_________實驗結果_________（支持或不支持）假說”模式驗證感興趣的觀點。從細胞角度上，學生選擇豬血細胞驗證質壁分離需要細胞壁；選擇黑藻驗證質壁分離需要中央大液泡。從溶液的角度，學生選擇0.5g/ml的葡萄糖溶液驗證溶質可穿膜的溶液，發(fā)生質壁分離，后自動復原；選擇0.5g/ml的蔗糖溶液驗證溶液溶度過高時，細胞質壁分離后由失水過多而死亡，不能復原；選擇95%酒精驗證能殺死細胞的溶液中不發(fā)生質壁分離。學生間相互合作，分享自己的實踐結果，并進行自評和互評，達成對延伸難點的深度學習的目的。三、結束語深度學習能夠幫助學生將學習內容不斷內化，提煉整合，真正掌握知識