基于數(shù)字化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的生物學(xué)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

摘要：為培養(yǎng)學(xué)生的探究與創(chuàng)新能力，教師基于數(shù)字化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動，提高教學(xué)質(zhì)量和效率。教師利用自制的“探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式”數(shù)字一體化實(shí)驗(yàn)裝置，應(yīng)用認(rèn)知加工理論和項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式，引導(dǎo)學(xué)生自主合作、實(shí)驗(yàn)探究和優(yōu)化迭代，以促進(jìn)學(xué)生深度思考。教師細(xì)分項(xiàng)目，分解任務(wù)，設(shè)定驅(qū)動性問題，引導(dǎo)學(xué)生探究解決方案，協(xié)同開發(fā)集成多類傳感器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量采集和分析，激發(fā)了學(xué)生的認(rèn)知體驗(yàn)和參與熱情，促進(jìn)了高層次認(rèn)知發(fā)展。實(shí)踐證明，應(yīng)用新模式教學(xué)顯著提升了實(shí)驗(yàn)效率和精度，促進(jìn)了學(xué)生的探究、合作、創(chuàng)新和思維能力，有助于發(fā)展高階思維，跨學(xué)科整合知識。關(guān)鍵詞：認(rèn)知加工；項(xiàng)目式學(xué)習(xí)；酵母菌呼吸方式；自制一體化教具；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對于學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)至關(guān)重要?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標(biāo)”）明確要求開展“探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式”的教學(xué)活動。然而，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在不足，學(xué)生缺乏深度思考和學(xué)習(xí)加工。教材實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化空間為師生提供了發(fā)揮的機(jī)會。課標(biāo)鼓勵教師開發(fā)課程資源，深化教學(xué)改革[1]。認(rèn)知加工理論強(qiáng)調(diào)學(xué)生在感知、理解、思考和記憶等認(rèn)知過程中對知識進(jìn)行加工。教師開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生自主探究、合作交流和反思總結(jié)，有利于彌補(bǔ)上述不足并提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂茖W(xué)素養(yǎng)。筆者以自制“探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式”數(shù)字一體化實(shí)驗(yàn)裝置為例，探討基于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)開展項(xiàng)目式數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法與策略。一、項(xiàng)目教學(xué)的指導(dǎo)理論與流程設(shè)計(jì)（一）以認(rèn)知加工理論指導(dǎo)教學(xué)活動認(rèn)知加工理論認(rèn)為人類是信息加工的系統(tǒng)，認(rèn)知即信息處理，涵蓋感覺輸入的編碼、存儲和檢索。在這個框架下，認(rèn)知被劃分為多個階段，每個階段對應(yīng)特定信息操作的單元，而最終的反應(yīng)（輸出）是這些階段和操作的綜合結(jié)果。認(rèn)知心理學(xué)家關(guān)注那些形成人類行為基礎(chǔ)的心理機(jī)制，尤其是輸入與輸出之間的心理過程。雖然這些內(nèi)部過程不可見，但可以通過比較輸入和輸出的差異來推斷[2]。這種差異反映了信息加工效果。在課堂教學(xué)環(huán)境下，每個學(xué)生都構(gòu)成了一個信息加工的系統(tǒng)。教師評估學(xué)生在課堂或項(xiàng)目學(xué)習(xí)中的輸出與輸入之間的差異，可以判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。如果學(xué)生在課堂上注意力不集中或不參與活動，那么學(xué)習(xí)成效可能為零。相反，如果教師能夠調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生多維度處理信息，將產(chǎn)生豐富的輸出，從而積累更多的學(xué)習(xí)成果，促進(jìn)素養(yǎng)的提升和能力的發(fā)展。（二）以項(xiàng)目教學(xué)推進(jìn)實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目式學(xué)習(xí)注重培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，即讓學(xué)生在問題情境中探究學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)知識的跨情境遷移[3]。筆者將“探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式”作為主題，分解任務(wù)，提出驅(qū)動性問題，讓學(xué)生分組探究，尋找解決方案，提交項(xiàng)目成果，促進(jìn)學(xué)生在積極的情感體驗(yàn)中有效學(xué)習(xí)。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)的具體特點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了如下的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動教學(xué)流程（如圖1）。二、基于自制實(shí)驗(yàn)裝置的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)踐（一）實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新項(xiàng)目背景介紹“探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式”是高中生物學(xué)“細(xì)胞呼吸的原理和應(yīng)用”中的一個探究實(shí)踐。課前，興趣小組的學(xué)生經(jīng)過預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)、交流、討論，深入分析教材實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)存在以下提升空間（可優(yōu)化點(diǎn)）：①實(shí)驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間較長（8—10小時(shí)），不適宜課堂教學(xué)；②有氧呼吸裝置通入空氣后可為酵母菌供氧，但空氣中的CO可能未被完全去除，影響對反應(yīng)產(chǎn)生的CO的檢測；③教材實(shí)驗(yàn)為定性實(shí)驗(yàn)，無法對呼吸產(chǎn)物進(jìn)行定量分析，限制了對呼吸速率變化、呼吸作用影響因素等問題的深入探究；④按照教材指導(dǎo)操作實(shí)驗(yàn)，僅能簡單模擬過程，對實(shí)驗(yàn)變量的控制和挖掘不足，存在改進(jìn)空間。教師將實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)他們深度學(xué)習(xí)。（二）確定實(shí)驗(yàn)探究項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)針對教材實(shí)驗(yàn)的可優(yōu)化情況，筆者給興趣小組的學(xué)生布置了一項(xiàng)任務(wù)——自制實(shí)驗(yàn)裝置，以優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過程。為了采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，起初考慮采用集成傳感器等電子設(shè)備。鑒于該實(shí)驗(yàn)需要觀察多種物質(zhì)變化，師生面臨的挑戰(zhàn)是如何在一個裝置中集成多種傳感器。最終，確定項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動的目標(biāo)是自制用于探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式的數(shù)字一體化教學(xué)工具。（三）科學(xué)分組，分解項(xiàng)目任務(wù)將大型項(xiàng)目細(xì)分為小型子項(xiàng)目并分配給不同組別的學(xué)生，不僅能有效加快項(xiàng)目進(jìn)度，而且能讓更多學(xué)生參與進(jìn)來，提高他們的學(xué)習(xí)積極性和主動性，這與認(rèn)知加工理論中的主動學(xué)習(xí)理念相契合。每個小組都有不同的改進(jìn)方向和目標(biāo)，因此，他們選擇的傳感器和設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)也會有所區(qū)別。學(xué)生分3個小組行動，分別負(fù)責(zé)相關(guān)可優(yōu)化點(diǎn)的方案設(shè)計(jì)和實(shí)施。制訂計(jì)劃：按照先分散后集中的原則，3個實(shí)驗(yàn)小組將同時(shí)開展活動，其間可以交流和討論，相互學(xué)習(xí)。最后，集中分析討論，選擇最優(yōu)方案。第一組：針對可優(yōu)化點(diǎn)①，改裝注射器，制作“酵母菌反應(yīng)及產(chǎn)物檢測一體化反應(yīng)器”，并采用高活性酵母菌作為實(shí)驗(yàn)材料。同時(shí)，自制小型磁力攪拌器，以便氧氣與酵母菌溶液充分接觸，從而加快反應(yīng)速度。第二組：在第一組改進(jìn)的基礎(chǔ)上，增加一個由注射器改裝的O發(fā)生裝置，通過HO與FeCl的反應(yīng)來制備O，為酵母菌細(xì)胞呼吸提供O，增加有氧呼吸速率，并避免空氣中的CO對呼吸產(chǎn)物檢測結(jié)果的干擾。第三組：將CO、O、乙醇和溫度傳感器集成到改裝的注射器上，并利用第一組和第二組的裝置，開展酵母菌細(xì)胞呼吸作用產(chǎn)物及其變化的定量檢測實(shí)驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。在解決問題的過程中，學(xué)生遇到了許多新的細(xì)節(jié)問題，經(jīng)過不斷嘗試和優(yōu)化，最終找到了有效的解決方案，并獲得理想的效果（見表1）。學(xué)生分工協(xié)同實(shí)驗(yàn)，可能遇到一些棘手問題。在解決這些問題的過程中，學(xué)生的信息技術(shù)處理能力和跨學(xué)科知識融合能力會真正得到提升，從而提高綜合素養(yǎng)。3個小組努力協(xié)作，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的反應(yīng)裝置。在設(shè)計(jì)過程中，筆者要求學(xué)生始終堅(jiān)持節(jié)約和集約的原則，大膽創(chuàng)新。在筆者指導(dǎo)下，學(xué)生將所有傳感器集成到一個裝置中，制作了“探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式的數(shù)字一體化檢測裝置”（如圖2）。（四）開展實(shí)驗(yàn)，分享成果為確保實(shí)驗(yàn)教具的使用效果，在正式使用前需檢查裝置的氣密性，并嘗試進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。根據(jù)之前討論的驅(qū)動性問題及其解決方案，師生將一體化實(shí)驗(yàn)檢測裝置與以下組件連接：氧氣發(fā)生器、HO（雙氧水）溶液容器、酒精檢測裝置、二氧化碳檢測裝置、微型磁力攪拌器、微型氣泵、輸液器三通閥、單向通氣閥、輸液器二通閥及氣泵出氣口，從而構(gòu)成完整的一體化實(shí)驗(yàn)裝置。1.氣密性檢查使用普通注射器活塞，開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)活動（如圖3）。第一步，開啟A注射器的a閥門，吸取適量空氣，確保超過e閥門的刻度線；第二步，關(guān)閉A注射器的a閥門，接著打開d和e閥門，使D、E注射器與A注射器形成連通；第三步，推動A注射器，觀察D、E注射器活塞的變化，若活塞上升，則表明氣密性良好；第四步，采用同樣的方法，檢查裝置其他部分的氣密性。說明：一體化實(shí)驗(yàn)裝置分區(qū)結(jié)構(gòu)組成如下。Ⅰ區(qū)：Q手機(jī)或平板電腦；R手機(jī)或平板支架。字母為部件代號，下同。Ⅱ區(qū)：A酵母菌細(xì)胞呼吸反應(yīng)器（由550mL注射器改裝）；B氧氣發(fā)生器（由550mL注射器改裝）；C雙氧水溶液容器（由300mL注射器改裝）；D酒精檢測裝置（由10mL注射器改裝）；E二氧化碳檢測裝置（由10mL注射器改裝）；F自制小型磁力攪拌器；G微型氣泵；a～e輸液器三通閥；f單向通氣閥；g輸液器開關(guān)；h輸液器二通閥；i輸液管改裝連通器；j恒溫加熱器電熱毯加熱裝置。Ⅲ區(qū)：H磁力攪拌器調(diào)速器；I氣泵調(diào)速器；J簡易恒溫加熱器控制開關(guān)。Ⅳ區(qū)：K帶刻度細(xì)管（由1mL注射器和輸液管改裝）；L小液滴細(xì)管出氣口三通閥。Ⅴ區(qū)：數(shù)字反應(yīng)器（M）。Ⅵ區(qū)和Ⅶ區(qū)：N實(shí)驗(yàn)報(bào)告夾；O小零件盒；P注射器盒。2.定量測定首先，簡易定量測定酵母菌細(xì)胞無氧呼吸速率。在不使用數(shù)字傳感器的情況下，興趣小組的學(xué)生在教具中巧妙地設(shè)計(jì)并安裝了帶有刻度和有色小液滴的細(xì)管。該細(xì)管與反應(yīng)器的出氣口連接。學(xué)生觀察液滴的移動情況，可以了解反應(yīng)器內(nèi)氣體的變化情況，從而實(shí)現(xiàn)對酵母菌細(xì)胞呼吸過程中氣體變化的簡易間接定量測定。實(shí)驗(yàn)原理：基于“定性探究無氧呼吸實(shí)驗(yàn)”，將小液滴管的左側(cè)進(jìn)氣口與A注射器的右側(cè)出氣口相連。A注射器內(nèi)的氣體變化會推動液滴在刻度細(xì)管K中移動。由于小液滴移動的細(xì)管是由1mL注射器改裝而成，液滴在刻度上的移動距離即可代表A注射器內(nèi)氣體體積的變化。這樣，就可以對酵母菌細(xì)胞無氧呼吸過程中釋放的CO量進(jìn)行簡單的定量測定。液滴向左移動表示A注射器內(nèi)氣體減少；液滴向右移動表示A注射器內(nèi)氣體增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：20s內(nèi)小液滴移動了119個最小刻度單位。每個最小刻度單位代表0.02mL的氣體體積變化。因此，實(shí)驗(yàn)中所用酵母菌細(xì)胞在無氧呼吸過程中產(chǎn)生CO119×0.02mL，即2.38mL。以CO釋放速率表示的酵母菌無氧呼吸速率計(jì)算為2.38mL/20s=0.119mL/s。然后，精準(zhǔn)定量測定。利用數(shù)字傳感器技術(shù)，將A注射器升級為M數(shù)字一體化檢測裝置，接入各類數(shù)據(jù)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測反應(yīng)體系中二氧化碳、氧氣和溫度及乙醇的變化情況。操作流程如下：啟動手機(jī)或平板中安裝的傳感器數(shù)據(jù)記錄軟件；激活各傳感器；使用軟件通過藍(lán)牙將傳感器與手機(jī)或平板相連；按照與探究酵母菌細(xì)胞無氧呼吸或有氧呼吸方式相同的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作；利用軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測并記錄反應(yīng)體系內(nèi)的二氧化碳、氧氣、溫度和乙醇的變化情況，以實(shí)現(xiàn)對這些參數(shù)的定量分析。探究酵母菌細(xì)胞的無氧呼吸：第一步，準(zhǔn)備酵母菌溶液，并將其注入F注射器中（方法1：先取下注射器，打開a閥門、關(guān)閉d和e閥門，吸取酵母菌溶液。方法2：打開a閥門，關(guān)閉d和e閥門，用另一注射器吸取酵母菌溶液，通過a閥門注入M注射器中），確保溶液液面位于e閥門刻度線以下。第二步，啟動簡易恒溫加熱器J至適宜溫度。關(guān)閉a、d和e三個閥門，使M注射器密封，酵母菌開始進(jìn)行無氧呼吸，此時(shí)可觀察到氣泡產(chǎn)生，推動M注射器活塞上升。第三步，反應(yīng)一段時(shí)間后，調(diào)整e三通閥，使M注射器與裝有溴麝香草酚藍(lán)溶液的E注射器連通，用E注射器吸取M注射器中的氣體，檢測二氧化碳的產(chǎn)生。如果溴麝香草酚藍(lán)溶液由藍(lán)變綠再變黃，這表明酵母菌在無氧條件下呼吸，產(chǎn)生了二氧化碳。第四步，采用類似方法，可以使用D注射器檢測酵母菌無氧呼吸反應(yīng)溶液中是否產(chǎn)生酒精。探究酵母菌細(xì)胞的有氧呼吸：第一步，制備酵母菌溶液并注入M注射器，確保液面位于e閥門刻度線以下；啟動簡易恒溫加熱器J，調(diào)至大約35℃。第二步，在B、C注射器中分別加入適量的FeCl溶液和HO溶液。第三步，打開三通閥c，使C注射器與B注射器連通；打開三通閥a，使M注射器與氣泵G的出氣口相連，同時(shí)打開三通閥e，確保M注射器與外界空氣流通，以便排氣。第四步，通過三通閥b向B注射器中注入適量HO溶液，然后關(guān)閉三通閥b，開始生成氧氣，直至B注射器的活塞上升到兩個開孔之上。第五步，使用氣泵調(diào)速器I啟動氣泵G，并調(diào)整至適當(dāng)速度，氣泵從B注射器中吸取氧氣，由于B注射器內(nèi)壓強(qiáng)降低，C注射器中的HO溶液被吸入B注射器并與其中的FeCl溶液反應(yīng)，持續(xù)產(chǎn)生氧氣，氣泵將氧氣不斷輸送到M注射器中的酵母菌反應(yīng)溶液中，實(shí)現(xiàn)自動持續(xù)供氧。第六步，利用磁力攪拌器調(diào)速器H啟動磁力攪拌器M，并調(diào)整至適宜轉(zhuǎn)速，使氧氣與酵母菌溶液充分混合。第七步，隨著M注射器內(nèi)氣體的增多，活塞被推動上移至e閥門對應(yīng)的刻度線之上，氣體通過e閥門、單向通氣閥f排出至外部環(huán)境。第八步，經(jīng)過一段時(shí)間后，調(diào)整e閥門使E、M注射器相連，E注射器中引入部分M等于注射器內(nèi)的反應(yīng)氣體，以此檢測有氧呼吸產(chǎn)物中是否存在二氧化碳；同樣地，也可以使用D注射器來檢測有氧呼吸過程中是否產(chǎn)生酒精。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)：制作簡便，耗材經(jīng)濟(jì)，反應(yīng)迅速，便于課堂完成，利于推廣，此外還支持簡易定量分析，有助于學(xué)生深刻理解呼吸作用的機(jī)制。三、認(rèn)知理論引領(lǐng)下項(xiàng)目式學(xué)習(xí)與探索的成效（一）認(rèn)知理論融合項(xiàng)目式學(xué)習(xí)促進(jìn)學(xué)生自主探究在認(rèn)知理論的指導(dǎo)下，自制用于“探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式”的數(shù)字一體化實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的高效獲取、分析和處理。筆者以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的模式開展教學(xué)，設(shè)置提出問題、解決問題、方案形成、實(shí)踐操作、交流討論和反思總結(jié)等環(huán)節(jié)，以興趣和任務(wù)驅(qū)動創(chuàng)新，這與認(rèn)知加工理論中的自主學(xué)習(xí)理念相契合。學(xué)生在這一過程中不僅體驗(yàn)到科學(xué)實(shí)驗(yàn)的樂趣，而且通過數(shù)據(jù)分析和處理，增強(qiáng)了處理數(shù)據(jù)和解決問題的能力，促進(jìn)了深度學(xué)習(xí)和自主探索，發(fā)展了高階思維。（二）學(xué)生參與認(rèn)知加工過程提升思維能力項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生分工合作，從分析教材實(shí)驗(yàn)、提出優(yōu)化方案、制作教具、優(yōu)化教具、實(shí)驗(yàn)探究，到分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，全過程全方位參與了信息加工活動。這不僅契合認(rèn)知加工理論（強(qiáng)調(diào)主動學(xué)習(xí)），而且提高了學(xué)生的自我反思和批判性思維能力，加深了對知識的理解和掌握。學(xué)生在興趣的驅(qū)動下，對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相關(guān)的生物學(xué)知識進(jìn)行深入思考和學(xué)習(xí)，這對生物學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)非常有益。（三）有效構(gòu)建跨