基于深度学习理念的生物学实验教学生活化研究

摘要

生活化的生物学实验有利于激发学生学习的主观能动性，而深度学习则强调深入探索学科知识内涵，是发展高阶思维的有效途径。以“探究植物细胞的吸水和失水”为例，探讨通过深度整合与加工实验资源、创设有深度的实验情境、设计多角度任务来改进和完善高中生物学实验教学，从而有效培养学生的学科核心素养。

关键词

实验教学 / 深度学习 / 生活化 / 植物细胞 / 吸水 / 失水

当前教育着力造就拔尖创新人才，科教融汇、联系生活、自主创新和实验探究有助于提升学生的创新实践能力。中学生物学实验教学的有效开展能激发学生对生物学学科的学习兴趣，培养学生的科学探究能力与合作精神。但现今的高中生物学实验教学，大多是依据教材开展验证性实验，学生多是参照课本实验步骤进行机械性实验操作，在被动学习中缺少反思，这对于培养学生的科学思维和科学探究能力是不利的。

1976年美国学者马顿和萨尔约提出了深度学习理论，该理论认为学习应是学习者主动参与，关注知识之间的有机联系，最终能够进行迁移并解决实际生活问题的有意义学习的生成过程，是发展高阶思维的有效途径^［1］。相对于被动式的浅层学习，深度学习更有利于学生知识的理解和能力的培养。在高中生物学实验教学中，可以对课本实验资源进行深度的整合与加工，发掘更多生活化的材料与器具，提升学生的实验学习兴趣，变被动学习为主动学习，增强深度学习内驱力；通过创设能够引发学生深度思考的问题情境，构建深度学习问题链，学生深度参与，自主设计并完成探究性实验，培养科学探究能力；引导学生进行知识迁移，应用课堂所学知识分析实际生活问题，完成对知识的深度理解。在探究实验中，学生掌握科学探究的原则、步骤和方法，锻炼创新思维、评判性思维及实验动手能力等。笔者以“探究植物细胞的吸水和失水”为例，探讨深度学习理念在高中生物学实验教学中的生活化教学实践。

1 选题背景

“探究植物细胞的吸水和失水”是高中生物学第一个真正意义上的探究性实验，但教材参考案例中的实验材料和试剂比较单一，解决的问题也较为浅显，不够实用化。在传统的生物学教学中，探究往往被“程序化”“实验化”，导致科学探究能力的培养被忽视和弱化。如果学生仅仅机械化地记住科学探究的步骤，那么他们就无法完全领会科学探究的真谛^［2］。

笔者在该实验教学中创设真实的生活化情境，深度整合与加工课本实验案例，提供更为丰富的实验材料和试剂，引导学生自主设计并探究。通过这种方式，学生不仅加深了对知识的深度理解，还能结合实验结果进行迁移应用，探讨治理盐碱地的可行性方法。真实的生活情境能够激发学生的好奇心，增强求知欲，使他们深度参与实验探究。学生能够在思维和知识层面得到一定的提升，理解细胞失水的本质原因，从而提高科学探究能力。

2 教学目标

基于深度学习理论，结合学生已有的知识储备（了解细胞的基本结构、植物细胞的渗透作用）和基本实验技能（熟悉数码显微镜的基本操作、临时装片的制作），以及学生对科学探究一般过程的初步理解，制订该课教学目标如下。

（1） 理解质壁分离及复原的原因，树立结构与功能观。

（2） 通过归纳、概括、分析实验结果与结论，培养学生的高阶思维。

（3） 观察现象，提出问题，自主设计创新型实验，培养科学探究能力。

（4） 提出盐碱地治理的可行性方法，学会知识迁移应用，树立建设科技强国的社会责任。

3 课前准备

为了给学生提供丰富且现象更为明显的实验材料，发掘更多生活化的材料，激发学生的实验学习兴趣，教师在正式实验前带领兴趣小组学生进行预实验。最终选取常见的紫色洋葱鳞片叶外表皮、水生生物黑藻、耐旱植物芦荟等实验材料，质量浓度分别为0.05 g/mL、0.10 g/mL、0.15 g/mL的KCl和KNO₃溶液，0.1 g/mL、0.3 g/mL、0.5 g/mL的蔗糖溶液，以及清水等试剂。

4 教学过程

4.1 情境导入，构建深度学习问题链

通过观看盐碱地科普视频，导入生活化情境，提出问题：盐碱地与非盐碱地的主要区别是什么？这些盐类对植物生长有什么影响？任何植物都无法在盐碱地环境下生长吗？植物失水的本质是植物细胞的失水，相同的植物细胞在不同溶液中以及不同的植物细胞在相同溶液中分别会出现什么实验结果？

设计意图：通过科普视频，构建深度学习问题链，激发学习兴趣，引起学生思考并讨论，初步了解盐碱地形成的原因，确定实验探究方向：①探究陆生、水生、抗旱耐盐碱3种不同类型植物细胞在相同溶液中的吸水和失水情况；②探究相同植物细胞在不同类型和质量浓度的溶液中吸水和失水情况。通过实验结果的分析，进一步探讨治理盐碱地的可行性方法，解决生产生活中的实际问题。

4.2 小组合作，深度参与科学探究

学生了解成熟植物细胞结构，明确实验观察指标，结合所给的实验材料用具，分析不同实验材料和不同试剂的差异后，讨论交流，师生共同确定探究实验课题：①探究0.1 g/mL蔗糖溶液对黑藻、芦荟和紫色洋葱鳞片叶外表皮的影响；②探究不同浓度KCl和蔗糖溶液对紫色洋葱鳞片叶外表皮的影响；③探究不同浓度KNO₃溶液对紫色洋葱鳞片叶外表皮的影响。各学习小组选择合适的课题，自主设计实验方案并操作。

【第1小组】选择3种不同实验材料（黑藻、芦荟和紫色洋葱鳞片叶外表皮）进行实验探究。结果表明，不同植物细胞在相同溶液中的失水和吸水情况不同，其中芦荟最不易失水，水生植物黑藻次之。得出结论：不同生长环境下的植物细胞液浓度不同，耐盐碱能力也不同。

【第2小组】选择不同浓度的KCl溶液和蔗糖溶液进行实验探究。发现同一种植物细胞在不同质量浓度的溶液中的失水和吸水情况不同，且外界溶液浓度越高，细胞失水现象越明显。得出结论：在实践操作中，可以通过改变细胞自身浓度或外界土壤溶液浓度来治理盐碱地。

【第3小组】选择不同浓度的KNO₃溶液进行实验探究。学生发现植物细胞在特定溶液中可发生质壁分离后自动复原的现象。结合已有知识，小组讨论后分析可能是相关无机盐溶质进入植物细胞后提高了细胞液浓度，使植物细胞由失水状态转变为吸水状态。得出结论：植物细胞可以通过吸收外界无机盐改变细胞液与外界溶液的浓度差，以适应“高渗”环境，从而在盐碱地正常生长。

设计意图：在实验设计与实施中，学生能够提升科学探究能力，明确科学实验操作规范，理解滴加试剂前后的对照原则，以及不同试剂处理组之间除试剂外其他操作均一致的单一变量原则等。完成实验后，学生记录实验数据，小组内部分析总结，再进行各小组的汇报与交流，其他组学生予以评价、补充和完善。在交流、分享、评价中，不仅能够提升学生的合作学习能力，还能培养思辨意识及归纳总结等科学思维能力。通过多角度任务驱动，学生进行自主探究实验，完成对植物细胞失水原因的深度理解，促进思维碰撞，进行批判性学习。

4.3 知识迁移，解决实际问题

引导学生结合3组实验结果，分析植物无法在盐碱地环境下生长的主要原因，讨论盐碱地治理的可行性方案。

（1） 改变盐碱地土壤环境的渗透压。

将有机肥及酸性化肥施入土壤，利用盐类的转化方法进行酸碱中和，降低pH，从而改良土壤的酸碱度，提高土壤肥力。还可以通过整理地形、更换肥沃的新土、抬高种植树木的地面、降低地下水位，并结合灌溉淋洗使盐分随水排出，从而改善土壤条件。

（2） 种植已有的耐盐碱植物。

选择耐盐碱植物，如新疆杨、黑松、胡杨、柽柳、苦楝紫等。

（3） 改变植物自身的渗透压，通过科学育种方法培育耐盐碱作物。

盐碱地治理目前有两种思路。一种是“以地适种”，即治理盐碱地，改善土地环境以适应作物；另一种是“以种适地”，即选育更多的耐盐碱植物，适应盐碱地的环境。教师展示耐盐碱作物育种研究的最新进展。中国农业大学于菲菲等^［3］发现了耐盐碱基因AT1，该基因可抑制水通道蛋白的磷酸化。可用基因编辑技术对AT1基因进行敲除，通过减法原理赋予作物耐盐碱的能力。相关的育种技术能显著提高在盐碱地种植的水稻、高粱、玉米、小麦、谷子等作物的产量。

设计意图：学以致用，围绕“盐碱地”一境到底，基于深度学习理论，提出问题、分析问题、解决问题，提升学生理论联系实际，灵活运用所学知识解决生活实际问题的能力。介绍耐盐碱作物育种研究的最新成果，激发学生的学习热情，树立建设科技强国的社会责任。

4.4 深化思维，举一反三

结合植物细胞吸水和失水特点，为了更好地了解某种植物细胞的抗旱与耐盐碱能力，学生自主设计实验测定该植物细胞的细胞液浓度。

设计意图：作为课后的探究课题，回扣盐碱地治理。培养学生的高阶思维、综合运用知识能力和创新能力，在知识体系建构的过程中，深度学习，理解并运用所学生物学知识，提高科学素养。

5 课后反思

（1） 创设真实情境，构建深度学习问题链，引导学生深度思考，选择适宜材料进行自主实验设计并探究，充分体现了课堂教学中学生的主体地位。

（2） 引导学生思考并共议盐碱地治理的可行性方案，通过运用所学知识解决实际生产问题，树立科教兴国的社会责任意识。

（3） 符合学情，基于深度学习理论设置教学目标，创设有效梯度设问，帮助学生实现科学思维的螺旋式上升。

（4） 评价主体和方式多元化，努力做到“教—学—评”的一体化和一致性。

本节课也存在一些不足之处。例如，由于课堂时间有限和学生的层次差异，学生自主设计的实验方案不够规范，语言表达的“对、全、准、顺”需逐步培养和提高。

6 实验教学生活化的建议

生活化的生物学实验紧密联系学生生活实际，有较强的情境性，可激发学生的探究兴趣。如何促进生活化教学和生物学实验的有效结合，引导学生在深度学习中发展高阶思维，在具体实践中有以下建议。

6.1 深度整合与加工实验资源

高中生物学实验教学的实验材料、试剂和器具不应局限于教材，要发掘生活化的实验资源，引导学生进行优化、改进和创新，这需要师生在生活中善于观察和思考。例如：黑藻除了用于观察“叶绿体和胞质环流”，还可以用于观察“质壁分离和复原”；在“DNA粗提取”实验中可比较不同实验材料如洋葱、花椰菜、鸡血的DNA含量；在验证H₂O₂酶的高效性实验中，除了使用卫生香复燃，还可以用新鲜肝脏研磨液浸泡滤纸片，再将其置于H₂O₂溶液中观察上浮速度。

6.2 创设有深度的实验情境

真实的生活体验有助于激发学生的学习兴趣，引起共鸣，调动内驱力。教师可运用图片、视频、科学史等多元化素材，或通过师生探讨生活经验，激发学生实验探究的主观能动性，帮助学生实现自主学习。

6.3 深度参与，设计多角度的学习任务

由于生物学与生产生活密切相关，教师从生活视角出发设计实验任务，能显著激发学生的兴趣。例如，组织果酒、果醋、泡菜、酸奶等传统发酵食品的品鉴会，以及生态缸制作的展示会，让学生在生活化的学习探索中建立深刻且多元的学科认知。

6.4 深度思考，打破局限

实验教学的内容和形式不应局限于教材，而应进行重新整合和再加工。教师应关注科技前沿和时事热点。例如，在“化合物鉴定”实验中，可以利用时事热点，比较全脂、低脂、脱脂奶粉的蛋白质和脂肪含量，以及不同风味（如早餐奶、牛奶饮品）牛奶的还原糖含量，从而培养学生的大食物观和健康生活意识。此外，学生还可以自主改进实验器具，探究影响光合作用的环境因素。

参考文献

[1] 吴永军.关于深度学习的再认识［J］.课程·教材·教法，2019，39（02）：51-58，36.

[2] 成正凤，徐杰，伍春莲.基于科学探究素养的教学设计：以“植物细胞的吸水和失水”为例［J］.中学生物教学，2021（08）：60-62.

[3] 于菲菲，沈正伟.耐盐碱基因：让盐碱地里“稻谷飘香”［J］.知识就是力量，2023（06）：26-29.

基金资助

广州市黄埔区教育科学“十四五”规划2022年面上一般课题“高中生物学实验教学生活化研究”(2022134)