通過開發實驗走向深度教學

徐力

近些年，源于計算機科學、人工神經網絡和人工智能的研究讓深度學習走進人們的視野。來自該領域的新成就引起教育領域的深刻反思，計算機、人工智能尚且能夠模擬人腦的深層結構和抽象認知，人對知識的學習能否借鑒？答案是肯定的。學生深度學習是一個逐步深化的過程，這一過程離不開教師教學的引導。因此，深度教學會引起深度學習。深度教學涉及到課堂教學的組織、對知識的深度理解和深度處理，筆者結合一節具體的課堂教學闡述教師如何在教學中處理知識，增強學習的意義感，豐富學習經歷，從而帶來學生學習過程中認知的高度投入。

人教版高中生物必修1實驗“探究環境因素對光合作用強度的影響”是為了幫助學生理解合理調控環境因素可增加光合作用強度。教材給出的參考案例是

“探究光照強度對光合作用強度的影響”，通過使用葉圓片來替代植物，很好地解決了各組光合作用面積相同的問題，但存在著諸如葉圓片上浮所需時間太長（一節課難以看到結果，且低溫季節耗時更長）、臺燈使用太多、實驗步驟不夠優化等問題。更關鍵的是，該案例對學生深度學習能力的培養不到位，更多地在培養學生的簡單提取、淺層了解知識背景等低階思維。為培養學生認知水平較高的深層理解、應用、分析、評價所涉及到的理性思辨、創造性思維、問題解決等高階思維活動，筆者對原實驗進行改進與進一步開發。

1優化步驟、實驗演示，旨在培養學生分析、評價能力的批判性思維

課本實驗有著不少合理部分，直接舍棄十分可惜。怎樣發揮它最大的價值，讓它成為課堂教學的一個有效組成部分？筆者改變了它的用途，將它轉變成一個真實的問題情境，旨在培養學生分析、評價能力的批判性思維。具體操作：課前，教師要求學生閱讀教材，并找出可以省略的材料和可以優化的步驟;課上展示有代表性的學生整理的步驟，再展示教師設置的步驟：

1準備富含CO2的清水三份，編號A、B、C;

2打葉圓片若干（避開大葉脈）;

3抽去氣體;

4葉圓片平分成三組，分別加入三燒杯，分別置于離臺燈（一盞）不同距離處;

5觀察、記錄各組葉圓片上浮所需的時間。

學生通過對比教師的實驗步驟，發現自己的不足;通過比較優化后的實驗步驟與教材中內容，發現教材并非完美無缺，有很多可以改進的地方，從而培養學生在認知領域的分析能力。接著是有2個學生與教師共同按照整理后的步驟進行演示操作，讓學生直觀感受教材實驗的操作過程，同時展示教師課前1h做的實驗結果——葉圓片仍未上浮。然后，教師引導學生分析教材實驗的優缺點，并進行合理的評價，為引出新的實驗材料——金魚藻作鋪墊，也進一步強化學生的批判性思維。

2材料革新、設計并操作實驗，旨在培養學生應用、分析、解決問題能力的創造性思維

教師展示實驗材料：質量分數為0.5%的NaHCO3溶液、100mL量筒3支、臺燈一盞、金魚藻若干。并提出實驗目的：探究金魚藻最適光照強度。

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。可根據單位時間內產生的氣泡數確定最適光照強度。

通過演示實驗的優缺點分析，學生已經理解不同實驗組之間要遵循單一變量原則。但是。學生在使用新的實驗材料進行設計與操作時能否考慮到光合面積是無關變量要相同？如果考慮到，又如何解決？這本身就是一個真實的學習情境。學生需要應用知識設計實驗，并分析自己實驗的有效性。筆者通過觀察，發現學生都對金魚藻進行了處理，方法有如下幾種：

1盡量選取大小相同的植株;

2對一些金魚藻進行剪切，使各組的長度盡可能相等;

3將同一株金魚藻切成等長的三段;

4用天平稱取質量相等的金魚藻。

上述處理說明各學生小組都有了要使光合面積相同的意識，但都沒有從根本上解決問題。因此，學生記錄到的實驗結果出現了與預期不同甚至是相反的結果，如距離最近的氣泡數反而最少，不同距離處的氣泡數相同等怪現象。這樣的實驗結果顯然沒有說服性。怎樣解決這個問題是課堂教學的一個重點，意在培養學生創造性解決問題的能力。學生在分組討論中沒有找到合適的解決方案，那么合作學習、思維碰撞就十分重要了。因此，教師組織各組學生進行全班批判性互動。

在交流展示環節，教師請學生說出他所在組在實驗過程中遇到了哪些問題且如何解決的。有的組介紹他們是如何使三組的植株盡可能相同的，有的組介紹他們測得的數據有些“怪”是因為不同組的植株莖的粗細不同，所以氣泡大小不同，但如何克服還沒有辦法。最終，正是因為這些怪現象讓學生認識因為無論如何也無法得到光合面積相同的三組金魚藻，所以實驗的有效性大打折扣。

在多組交流之后，教師引導學生分析：大家的做法中有沒有共性？解決問題的思路都圍繞什么方面展開的？學生略加思考發現，他們都在一個不可能完成任務的怪圈中打轉——尋找相同的三組植株。此時教師再加以引導：能否換一個思路來解決問題？學生慎重思考后產生新的想法：既然，平行的實驗不行，那么用縱向分組呢？各組學生，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進行多次實驗。

3數據收集、結果處理，旨在培養學生綜合、評價、復雜問題的解決等高階思維

根據前面的討論結果，學生重新設計了實驗步驟并進行操作。學生再次進入真實的情境中，由于解決了實驗方案的有效性問題，自然而然就面臨實驗數據收集、結果處理的一系列問題。此時，學習已經達到對知識的深層次理解和深度處理的程度，學生在這樣真實的情境中，情感態度投入、意志投入、個性品質投入等都達到了普通課堂教學無法到達的程度。他們試圖像科學家一樣研究問題，獲得有效結論。本節課的這個階段具體包括數據收集、結果處理、獲得結論。

3.1數據收集

學生將收集到的數據（30s內產生的氣泡數）填入學案的相應表格中。他們分別測量距離光源5、10、15cm的實驗數據。實驗數據的有效性關乎實驗結論的有效性，控制誤差十分重要。因此在交流展示環節，教師引導學生交流減少誤差的方法。學生提出的方式基本有兩種：多測量幾次取其平均值的;統計更長的時間，再算出30s產生氣泡數。師生一起分析哪種數據收集方法更準確，以此來引導學生正確對待定量實驗中數據的獲取方法，養成嚴謹的對待實驗的態度。

3.2結果處理該實驗的最終目的是探索出金魚藻光合作用的

最適光照強度，僅僅依靠孤零零的幾組數據顯然不能獲得結論。那么如何處理收集到的數據？教師提示學生：可以在坐標系中標出記錄數據并連成曲線，觀察曲線呈現的特點，再得到結論。學生所繪曲線基本上都如圖1A所示。

顯然，根據圖1A無法找到最適光照強度，卻提示了進一步實驗的方向，即縮短與光源的距離。學生在oa之間再進行實驗，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度，怎樣解決呢？

教師引導學生討論，發現可能存在兩種可能：

1最適光照強度在oa之間，通過進一步縮小燈泡與金魚藻之間距離來測定。

2燈泡功率不是足夠大，通過增大燈泡功率（或增加燈泡數量）后繼續實驗。于是，針對這兩種情況學生再一次進行了探究，分別得到了圖1C和圖1D。

最終，學生據實驗分析出，金魚藻的最適光照強度并非一個點，而是一個很大的范圍。在這一次探究實驗中，找到了這個范圍中的最低光照強度。至于再增加光照強度，金魚藻的光合作用強度是不是會下降，可以下次再作進一步的探究。

學生在課堂中經歷了多次的挫折，通過不斷改進方案，不斷解決實際問題，突破了對知識的簡單占有和機械訓練。該環節的設置正符合美國著名教育家杜威的教育理念：書本知識具有不可教性，不能直接進行傳授，而需要讓學習者經歷一個復雜的過程，即知識的學習需要經過還原與下沉、經驗與探究、反思與上浮的過程。

4教學反思

在教學過程中，教與學是一種相融性的一體化關系，學生真正意義上的深度學習需要建立在教師深度指導的基礎上。從本質上來看，學生在教師引導下，對知識進行內在結構的逐層深化學習，并在學習過程中深刻參與和學習投入，才能實現深度學習。本節課的實驗過程是一個真實的學習情境，學生會碰到許多真實的問題，在解決問題的過程中其科學探究能力、批判性思維和解決復雜問題的能力都會得到提高。且因為問題是學生在實驗過程中碰到的實實在在的問題，會大大提高學生的積極性。另外，學生在解決這些問題的過程中，需要組內甚至組間討論、分工合作等手段，也培養了學生人際領域的團隊協作能力和有效溝通表達的能力。本節課設計的出發點就是先將書本知識進行現場的還原，還原成“經驗”，進行了知識的“下沉”處理。學生經歷對全新材料為背景實驗設計和操作、結果處理的不斷摸索，不斷改進，對知識進行了“自我加工”。這個環節看似很浪費時間，卻是決不能缺少，否則會減損整體目標的達成。最后，通過實驗過程的反思，即書本知識進行個人意義的升華和表達，書本知識最終變成學生自己理解的知識。