深度學習理論在植物生理學教學改革中的應用與實踐

摘" 要：國家一流本科課程建設是國家一流專業建設的基礎，是新農科建設的重要組成部分，在新農科建設的大背景下，推動傳統農業人才培養模式的改革與創新勢在必得。一流課程建設推進植物生理學課程教學改革，深度學習理論提出學生高階思維能力的培養，引導學生有效學習，形成積極的內在學習動機，對知識的深層次理解、構建、反思和遷移，解決具體復雜問題。在植物生理學教學改革過程中應用深度學習理論，秉承以學生為中心的教育理念，構建以任務為導向的教學模式，致力培養學生高階思維品質，樹立為農業發展做貢獻的信心。讓學生通過具體的農業生產問題身臨其境運用知識解決具體農業問題，真正做到學以致用，最終實現學生深度學習。

關鍵詞：植物生理學；深度學習；高階思維能力；任務導向；主動學習

中圖分類號：G642 " "文獻標志碼：A 文章編號：2096-9902（2023）24-0012-04

Abstract： The construction of national first-class undergraduate courses is the foundation of national first-class professional construction and an important component of the construction of New Agricultural Sciences. In the context of the construction of New Agricultural Science， it is imperative to promote the reform and innovation of traditional agricultural talent training models. The construction of first-class courses promotes the teaching reform of Plant Physiology courses. The theory of deep learning proposes the cultivation of students' higher-level thinking ability， guides students to effectively learn， forms positive internal learning motivation， deep-level understanding， construction， reflection， and transfer of knowledge， and solves specific complex problems. In the process of teaching reform in Plant Physiology， the theory of deep learning has been applied， adhering to the student-centered educational philosophy， and constructing a task-oriented teaching model. We are committed to cultivating students' high-level thinking qualities， building confidence in contributing to agricultural development， enabling students to immerse themselves in specific problems concerning agricultural production and use knowledge to solve them， achieving the goal of applying what they have learned， and ultimately achieving deep learning for students.

Keywords： Plant Physiology; deep learning; high-level thinking ability; task-oriented; active learning

隨著國家高等教育改革的深入，陳寶生同志在寫好高等教育“奮進之筆”報告中明確指出高校必須立足當下、著眼未來，抓緊培養能夠適應和引領國家發展、擔當民族復興大任的一代新人，旨在培養拔尖創新人才和復合應用型人才[1]。隨著知識經濟的迅猛發展，碎片化、淺層化的學習已經不能滿足當下時代對人才培養的需求，未來人才培養方向將著重培養學習者具備對知識深層理解和創新、遷移和應用的能力，能夠主動思考并深層理解，為終身學習打下基礎[2]。本研究基于深度學習理論響應習近平總書記對高等教育高質量發展的推進和教育部的相關部署，探索在植物生理學原有知識體系的基礎上實現教學內容重構：將教材中11個章節，凝練成9個教學內容，由拓展任務導入，提高學生的主動學習能力。從農業生產的具體問題出發，構建拓展學習任務，牽引教學內容重點和難點。融入科學的價值觀、職業道德、思維方法，培養學生團隊合作意識和溝通能力；養成理論聯系實際的學風和實事求是的嚴謹科學的工作作風；樹立“知農愛農”情懷、“強農興農”社會責任感和使命感。

深度學習是與淺層學習相對應，是在教學中學生積極參與、全身心投入、獲得健康發展的有意義的學習過程[3]。具體來說，深度學習是在教師引領下，學生圍繞具有挑戰性的拓展任務，全身心積極參與并獲得發展的有意義的學習過程[4]。學生掌握學科的核心知識并把握學科的本質，形成積極的內在學習動機、正確的價值觀，成為未來社會的歷史實踐的主人[5]。同時深度學習也是一種主動的、探究式的、理解性的學習方式，要求學習者進行理解性的學習、深層次的信息加工、具有批判性的高階思維和有效的知識遷移并解決具體實際問題的能力[6]。深度學習理論基礎包含建構主義理論、情境認知理論和元認知理論。建構主義核心觀點強調知識是由認知主體主動建構而不是被動吸收，強調學習者在已有知識基礎上對概念進行主動建構，充分發揮學生主觀能動性，形成自己的認知結構體系。情境認知理論的核心觀點強調學習應當在一定的社會和自然條件下進行，學習是人與環境中的知識交互作用的過程。學習者需要在情景中建立并掌握所學的知識，并把所學的知識應用到實際問題中，強調對復雜問題的求解，學習者在原有的知識和經驗的基礎上，把新知識轉化到特定問題中并解決問題。元認知理論強調學習者要對學習進行反思，由元認知知識、元認知體驗和元認知監控3部分組成。元認知知識是指學習者對相關信息的理解，元認知體驗是指學習者在認知的過程中，不僅強調知識的理解還關注自身的情緒和體驗，元認知監控是指學習者對自己學習過程的有效監控和調節[7]。深度學習強調要達到對知識的深層次理解，對自我學習過程的反思和調整，是一種高階思維活動，強調學習者對知識的認知、構建、反思和遷移，建立在描述性知識和程序性知識的基礎上，對知識進行重構，并對復雜問題進行解決[8]。

植物生理學課程立足我國現代農業發展需求，服務新時代“三農”與“新農科”發展。堅持立德樹人，以學生為中心、以農業實踐任務為導向、解決農業生產問題為核心，理論與實踐并重，不斷完善協同育人和實踐教學機制，始終“圍繞學生、關照學生、服務學生、成就學生”，實現一流本科教育建設的基本目標，為培養既能“頂天”又能“立地”的農業人才和符合國家一流本科專業的人才培養體系提供重要支撐，該課程也是農學專業人才培養的專業基礎課和研究生入學考試的必考課，是培養學生科研素養和銜接專業課的重要課程。為進一步提高該課程的教學質量，很多高校對植物生理學教學方法、教學模式等方面進行很多改革，成效卓著[9-13]。但基本也局限于新的教學手段方法的應用，局限在部分章節的改革。而本研究基于深度學習理論在植物生理學教學中應用，構建了以任務為導向的教學新模式貫穿整個植物生理學課程改革，培養學生高階思維能力，引導學生有效學習，教學成果顯著。

1" 深度學習理論解決課程與教學改革的重點問題

1.1" 以學生為中心

原有的課程設計是學生被動地接受知識講授，在深度學習理論指導下，課程改革后在老師的帶領下，真正內化于已有的認知結構中，從而能夠靈活地提取、遷移、運用概念于實際的情境問題中，帶著具體的植物生理學任務解決具體問題而形成主動去探究知識的新學習模式，形成積極的內在學習動機。

1.2" 任務導向學習

在深度學習理論指導下，基于情境認知理論，學習者需要在情景中建立并掌握所學的知識，并把所學的知識應用到實際問題中，強調對復雜問題的求解，具體實踐過程中學生圍繞具有挑戰性的拓展任務，從植物生長發育過程中和農業生產實踐中的具體問題出發，構建拓展學習任務，深化學科的核心知識并把握學科的本質，培養學生成為獨立性、批判性、創造性又有合作精神、基礎扎實的優秀的學習者。

1.3" 科研素養訓練

深度學習理論引導學生主動用前沿創新知識設計綜合性實驗，探究并驗證植物生長狀態，應用所學理論知識到具體生產實際問題中，培養學生具有批判性高階思維能力、有效的知識遷移并解決具體實際問題的能力。

2" 課程教學內容及組織實施情況

2.1" 課程教學目標

基于深度學習理論，實現了學生主動積極學習，具備解決生產實踐中的具體問題能力，培養了學生學農的熱情和為農業服務的興趣。依據布魯姆教育目標分類，從知識、能力、情感3個維度完善教學目標。知識目標包括記憶植物生理學基本概念；闡明植物生長發育規律及代謝機制、植物對環境的響應機制；解釋植物發育過程的分子機制；歸納植物的生長發育與環境響應及內部生理機制變化，以及植物與環境間信號傳遞的方式。能力目標包括運用知識解決植物生理學不同現象；應用生理代謝變化剖析植物生長過程；通過各項生理指標評價植物生長狀態，具備調控植物生長發育的能力；具備用植物生理學知識解決現代農業復雜問題的能力。情感目標包括培養團隊合作意識和溝通能力；養成理論聯系實踐的學風和實事求是的學習態度；樹立“人與自然”和諧統一的自然科學辯證觀。通過學生對知識目標的自主學習，小組間合作完成任務實現能力目標，最終實現探究式情感目標。

2.2" 課程教學內容

在深度學習理論指導下，課程教學內容通過重構，以生產實踐中的真實問題為導向，以9個專題拓展學習任務牽引9部分理論教學內容，并通過綜合性實驗驗證探究植物生長發育與環境變化的關系。九大理論教學內容涵蓋植物生理學的四大模塊：植物代謝生理、生長發育生理、植物信號傳遞和植物逆境生理；綜合性實驗包括實驗室內綜合設計不同逆境對植物的影響，通過生理指標的測定來評價逆境對植物的傷害，在實踐中用科研實驗思維來設計方案解決實際問題。教學內容邏輯：整個教學過程中以宏觀認識植物生長“認識植物的一生”到微觀闡明植物的生理代謝過程及外界環境影響產生的生理代謝變化“解釋植物的一生”，最終通過實驗的驗證和探究實現“評價植物的一生”邏輯思維過程，貫穿于四大模塊知識（圖1）。

2.3" 組織實施情況

課前：在理論教學內容前布置小組拓展任務，小組通過查閱資料、視頻教學、形成匯報材料完成任務。

課上：小組以PPT形式進行拓展任務匯報；教師根據學生任務完成情況，組織討論、講解重點難點知識及涉及的前沿知識，促進學生對知識的理解和掌握。

實驗實踐：引入科研思維開設綜合實驗，小組通過方案設計、材料培養、不良環境處理、測定生理指標及撰寫實驗結果報告，到實踐基地觀察作物在不良環境下生長發育狀態并設計評價植物生長的實驗技術方案。形成以小組合作學習為中心，課前探究讓學生發現問題，課上學習讓學生學會用科研的思維設計實驗方案來解決問題，形成“拓展學習-匯報展示-分組討論-案例教學”的模式，培養“發現問題-研究方法-生理機制-實踐應用”的思維邏輯體系，學會總結提升并理解農業科研的復雜性，激發學生強農興農的使命感和責任感。

提供學生理論聯系實踐基地，一方面把教師科研解決問題實踐及科學前沿引入課堂，啟發學生農業科學研究既要“頂天”也要“立地”，真正把論文寫在大地上。同時讓學生開拓視野，增加對未來從事農業研究的信心，課程教學中通過合理施肥加強學生生態文明教育，引導學生樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念。通過優秀校友推進農業發展做出的貢獻激發學生的“大國三農”情懷，引導學生以強農興農為己任，“懂農業、愛農村、愛農民”，樹立把論文寫在祖國大地上的意識和信念，增強學生服務農業農村現代化、服務鄉村全面振興的使命感和責任感，培養知農愛農創新人才。

2.4" 課程成績評定方式

課程采用過程性評價考核的方式，整個學習過程中建立學生“成長檔案袋”，收集學生對每個過程的認知情況，以思維導圖形式呈現，培養學生邏輯思維能力，由討論日志（5%）、任務完成匯報（10%）、作業及平時測試（10%）、綜合性實驗（15%）和期未考試（60%）組成。

3" 課程評價及改革成效

3.1" 課程評價

以任務為導向教學設計培養學生解決復雜農林問題的能力，課程建設起點高。改革成效明顯，學生滿意度提升，自主學習能力增強，理論應用實踐能力增強，學生評教成績98.41分；教學模式得到同行認可，督導評價優秀。

3.2" 改革成效

課程建設與時俱進，立足中國特色現代農業發展需求，服務新時代“三農”與“新農科”發展，建立完善的線上教學資源，通過線下和線上教學模式相結合，完善了過程性考核評價系統，實踐了三全育人的教學效果，達到立德樹人培養要求。學生綜合能力顯著提升，自主學習能力增強，學生綜合能力顯著提升，就業、升學率顯著提高。近年參加國家級創新創業訓練項目6項，省級創新創業項目10項，學生獲全國農科學子創新創業大賽全國一等獎1項，“互聯網+”大賽省級金獎1項，“創青春”中國青年創新創業大賽等獎項4項。教師參加國家級省級講課大賽獲獎和申報省級各種教課課題多項，發表教改論文10余篇。于2020年評為首批國家一流本科課程，于2021年，被評為吉林省本科高校精品在線開放課程。

4" 結束語

本研究應用深度學習理論構建了任務為導向的教學新模式，完成具有挑戰性的學習任務、以解決問題為核心的教學新模式。通過一系列體驗參與式和互動式教學活動，從拓展任務到課堂教學再到實驗實踐均以學生主動學習為導向，改變傳統填鴨式教學被動學習的局面，形成理解并具有批判性思維的學習過程。通過課程綜合性實驗實踐，完善了學生科研素養訓練體系。將學生能力與情感訓練有機融入教學，培養學生綜合素質。小組合作學習培養團隊合作精神，共同完成拓展任務培養解決問題的方法和能力，課堂的高階科研內容討論培養學生的學習能力和創新能力，能夠運用知識和方法創造性地解決問題，形成積極的內在學習動機，真正實現了深度學習理論在植物生理學教學應用，完成了植物生理學理論知識和實踐的結合，實現了學生高階思維方式的培養，培養學生社會責任感和正確的價值觀，推進農學專業創新型人才培養模式的改革與探索，為鄉村振興和農業現代化建設提供強有力的人才支撐和科技保障。

參考文獻：

[1] 李永安．我國大學課堂教學的改革策略[J].中國高等教育，2013（5）：33-35.

[2] JENSEN E. 深度學習的7種有力策略[M].溫暖，譯.上海：華東師范大學出版社，2010：1-22.

[3] 段金菊，佘勝泉.學習科學視域下的e-Leaning深度學習研究[J].遠程教育雜志，2013，31（4）：43-51.

[4] 郭華.深度學習及其意義[J].課程·教材·教法，2016，36（11）：25-32.

[5] 何玲，黎加厚.促進學生深度學習[J].現代教學，2005（5）：29-30.

[6] 吳秀娟，張浩，倪廠清.基于反思的深度學習：內涵與過程[J].電化教育研究，2014，35（12）：23-28，33.

[7] 楊寧.元認知研究的理論意義[J].心理學報，1995（3）：322-328.

[8] 李松林，賀慧，張燕.深度學習宄竟是什么樣的學習[J].教育科學研究，2018（10）：54-58.

[9] 王歡，陳展宇.高等農林院校植物生理學教學改革探討[J]. 長春師范大學學報，2016，35（10）：132-134.

[10] 武志海，張君，耿艷秋，等.復合應用型人才培養教學理念、教學模式及應用思考[J].高等農業教育， 2017（1）：61-64.

[11] 鄭敏網，顧延生，李繼紅．植物生理學教學改革的探索與實踐[J].高校生物學教學研究（電子版），2017，7（1）：37-40.

[12] 王鳳茹，路文靜，韓建民．植物生理學教學改革與實踐[J]．河北農業大學學報（農林教育版），2017，19（4）：74-78.

[13] 熊飛，余徐潤，潘志明，等.植物生理學全程研究性實踐教學探索[J].實驗技術與管理，2019，36（2）：21-25.