深度學(xué)習(xí)導(dǎo)向下的生物探究實驗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)課程標準（2017年版）》基本理念包含“核心素養(yǎng)為宗旨，教學(xué)過程重實踐”。教師運用U型模式開展實驗教學(xué)，促進生物學(xué)實驗教學(xué)從驗證性走向探究性，學(xué)習(xí)過程從被動接受走向主動參與，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)理論提出來的。以實驗探究為載體，將知識轉(zhuǎn)變?yōu)樗仞B(yǎng)，需經(jīng)過下沉與還原、潛行與探究、上浮與反思三個階段，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”。驗證性實驗只能解決“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)。探究性實驗首先要啟發(fā)學(xué)生理解實驗方案的原初背景，增強學(xué)生的探索欲，這就是“還原”。創(chuàng)設(shè)真實性、交互性的實驗情境，是探究的首要條件。

“探究植物細胞的吸水和失水”是人教版高中生物《必修1·分子與細胞》第四章的內(nèi)容。在以往教學(xué)時，教師一般直接給出實驗思路，學(xué)生自行通過顯微鏡觀察細胞失水和吸水的現(xiàn)象從而驗證知識，難以實現(xiàn)過程性評價；在解決問題的過程中，無法創(chuàng)造學(xué)生實驗設(shè)計方案的容錯性和培養(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)計實驗路線，借助數(shù)碼顯微互動系統(tǒng)進行探究，分享并改進實驗方案，生成對話，培養(yǎng)學(xué)生探究的思維方式和對學(xué)科思想的反思和頓悟，促進學(xué)生形成科學(xué)探究的核心素養(yǎng)。

1.1 還原已有知識

前置性學(xué)習(xí)是指構(gòu)建本節(jié)課知識體系，掃清探究的知識性障礙，包括成熟的植物細胞的結(jié)構(gòu)圖、原生質(zhì)層結(jié)構(gòu)（微課）；課前完成組內(nèi)分工。教師通過知識前置，增強學(xué)生對實驗的好奇心，同時為課堂探究提供充足的時間和實效。

1.2 還原生活經(jīng)驗

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澆清水？家里做涼拌黃瓜或白菜碗里會出現(xiàn)什么？

1.3 還原問題情境

教師演示測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胞內(nèi)吸水和失水現(xiàn)象（表1）。并提出問題：植物細胞是怎樣吸收和失去水分的？這個過程遵循什么規(guī)律？

設(shè)計意圖：教師聯(lián)系學(xué)生生活，創(chuàng)設(shè)真實的學(xué)習(xí)情景，并提出挑戰(zhàn)性的問題和任務(wù)，是驅(qū)動學(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)的動力。

2 潛行與探究

潛行與探究是通過探究生命運動規(guī)律，解釋生命現(xiàn)象的過程，也是理解科學(xué)探究方法和原理的過程。水分子進出植物細胞的過程看不見、摸不著，學(xué)生理解起來相當困難，必須依據(jù)實驗一步一步探究真相。

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)計實驗

多元路線設(shè)計實驗是在深度學(xué)習(xí)視域下探索實驗路線存在的合理性和可能性，并通過不斷“試誤”和不斷改進獲得解決問題的能力。以下將從三個教學(xué)環(huán)節(jié)來講述如何通過“問題—互動”來驅(qū)動學(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)量分數(shù)為5%和30%的蔗糖溶液、清水等實驗材料與試劑，要求學(xué)生設(shè)計探究植物細胞吸水和失水的外界條件的實驗。學(xué)生通過討論得出幾個可行的實驗方案（表2）。

表2 探究“植物吸水和失水的條件”實驗設(shè)計方案

設(shè)計意圖：學(xué)生多元設(shè)計實驗方案是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的重要途徑。實驗路線多元化是探究實驗的內(nèi)在追求，更容易遷移或創(chuàng)造性地解決問題。在設(shè)計過程中，教師應(yīng)更注重容錯性設(shè)計，把錯誤轉(zhuǎn)化為資源，促進學(xué)生對探究過程的反思和對知識的深度理解，也是培養(yǎng)批判性思維的重要手段。

2.2 多種方法觀察實驗

教學(xué)環(huán)節(jié)二：判斷細胞的吸水和失水。學(xué)生根據(jù)設(shè)計路線進行實驗探究和實驗現(xiàn)象的觀察，并嘗試解釋現(xiàn)象。

每個學(xué)習(xí)小組選擇一個方案，利用數(shù)碼顯微互動系統(tǒng)開展小組合作探究。數(shù)碼顯微系統(tǒng)在黑板屏幕上動態(tài)展示每組細胞中紫色液泡等結(jié)構(gòu)的大小和深淺變化，實現(xiàn)過程性評價。在實驗過程中，教師應(yīng)加強與學(xué)生的互動，幫助學(xué)生觀察和比較不同路線的實驗現(xiàn)象，并思考內(nèi)在的原因。

設(shè)計意圖：開展實驗探究是深度學(xué)習(xí)的重要手段，也是耗時最長，但只有經(jīng)過自主探究才能將知識進行加工和增值。數(shù)碼顯微互動系統(tǒng)促進了學(xué)生自主探究，培養(yǎng)學(xué)生認知能力、創(chuàng)新能力，并實現(xiàn)實驗由“個人體驗”向“公共感知”的轉(zhuǎn)變。

2.3 多個角度分析實驗

教學(xué)環(huán)節(jié)三：分析實驗現(xiàn)象，深度理解實驗背后的生物知識。經(jīng)過自主探究，學(xué)生對實驗過程充滿興趣，描述現(xiàn)象也很真實，如留白、膨脹、萎縮等。學(xué)生經(jīng)過互動討論和質(zhì)疑，發(fā)現(xiàn)在上述4種方案中：植物細胞在清水、質(zhì)量分數(shù)為5%的蔗糖溶液中原生質(zhì)層并沒有明顯變化。第一組：加清水后沒有變化，加入質(zhì)量分數(shù)為30%的蔗糖溶液后出現(xiàn)“留白”；第二組：先加質(zhì)量分數(shù)為30%的蔗糖溶液，再加質(zhì)量分數(shù)為5%的蔗糖溶液后“留白”，沒有明顯的變化；第三組：加了質(zhì)量分數(shù)為5%的蔗糖溶液沒有發(fā)生“留白”；第四組：出現(xiàn)了“留白”，滴加清水后“留白”縮小。基于學(xué)生學(xué)習(xí)的真實情景，教師進一步提出問題，請從細胞液濃度和原生質(zhì)層結(jié)構(gòu)特點思考，為什么細胞在質(zhì)量分數(shù)為5%的蔗糖溶液中沒有現(xiàn)象，而質(zhì)量分數(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，并且質(zhì)量分數(shù)為5%的蔗糖溶液濃度<洋蔥細胞液濃度<質(zhì)量分數(shù)為30%的蔗糖溶液濃度，由此反思多元設(shè)計路線中，第1、4組方案較合理。

設(shè)計意圖：實驗全程采用過程性評價，最終形成整體評價。互動交流是深度學(xué)習(xí)落腳的重要環(huán)節(jié)。教師引導(dǎo)學(xué)生建立知識的重組和融合，并對探究過程重審視、再反思，促進學(xué)生學(xué)習(xí)能力的提升和學(xué)科素養(yǎng)的形成。

3 上浮

上浮與反思是對學(xué)習(xí)過程和結(jié)果進行反思，形成概念和原理的過程，并在生活實踐中檢驗。交流、對話和遷移運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：植物細胞吸水和失水的過程。經(jīng)歷復(fù)雜的“潛行”過程，將“留白”“脹起來”科學(xué)地歸納植物細胞為什么發(fā)生吸水和失水就不難了，教師指導(dǎo)學(xué)生將“留白”“萎縮”的生活語言轉(zhuǎn)化為科學(xué)語言。“留白”是指若外界溶液濃度大于細胞液濃度會發(fā)生“失水”形成質(zhì)壁分離現(xiàn)象，反之“脹起來”則是指外界溶液濃度小于細胞液濃度會發(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：水分出入細胞的動力源于細胞內(nèi)外溶液濃度差（即滲透勢）。

課后，教師布置學(xué)生開展“施肥過多的危害、從環(huán)境保護的角度思考鹽堿地對植物生長的危害”的宣傳，從“社會責(zé)任”維度培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

設(shè)計意圖：“上浮”是“潛行”的升華，內(nèi)在知識終于“浮出水面”。在“上浮”過程中，教師幫助學(xué)生用學(xué)科概念精準地解釋實驗現(xiàn)象，將學(xué)生的“經(jīng)歷”內(nèi)化為“知識”，知識轉(zhuǎn)變成素養(yǎng)。

4 教學(xué)反思

運用U型模式進行實驗教學(xué)是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)的改造與升級。實踐證明，U型模式帶來了實踐教學(xué)的3個變化：①通過探究性實驗開啟深度學(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；促進學(xué)生通過自主設(shè)計實驗，充分理解植物細胞吸水和失水的原理并靈活運用；以“小組合作學(xué)習(xí)”為抓手，使“個體獨立學(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)為支撐實現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)的路徑。本實驗教學(xué)充分利用現(xiàn)代教育技術(shù)手段（數(shù)碼顯微互動系統(tǒng)、平板電腦），將實驗數(shù)據(jù)進行科學(xué)性的采集，摒棄了以往實驗中學(xué)生只能“個人體驗”、不能互動和資源共享的方式，利用現(xiàn)代教育手段加強過程性評價，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通過深化探究過程的體驗達到深度學(xué)習(xí)的目的。多元設(shè)計路線、容錯性設(shè)計、問題設(shè)計等方法都是加強探究過程的體驗，更好地促進學(xué)生對知識的深度理解和內(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足發(fā)展。