例谈基于深度学习典型机制的高中生物学教学

谢倩　李韶山

深度学习（Deep Learning）发端于人工智能领域，后被迁移至学习科学界。深度学习是在理解学习的基础上，学习者能够批判性地学习新思想和分析事实，将它们融入原有的认知结构中，并在众多思想之间进行联系，能将己有知识迁移到新的情境中，作出决策和解决问题的学习。关联互动的深度学习有别于孤立静态的浅层学习，是运用高阶思维在认知和元认知基础上建构知识的过程。驱动深度学习发生的机制主要有5种，即生长机制、领顽机制、建模机制、互动机制和表达机制。

随着《普通高中生物学课程标准（2017版）》的颁布，发展学生的生物学学科核心素养成为新课程的育人目标。深度学习更加关注学习过程而非结果，强调知识建构而非片面的知识难度与深度，正是实现这一目标的有效途径。深度学习与学生生命观念的形成、科学思维的建立和科学探究能力的提升，乃至社会责任感的实现均息息相关。深度学习不是机械的教学方法，而是教师在课堂中进行有效性教学的多元化途径。在实际教学中，教师可根据教材和学情，在新课标的指导下，灵活选择深度学习发生的机制催生深度学习，关注学生的共同基础和多元发展需求，促进学生生物学学科核心素养的形成。

1 生长机制转化直接经验，驱动深度学习

生长机制是指将日常生活中积累的直接经验作为新知识的生长点，转化为科学知识范畴的学习过程。学生的直接经验是课堂教学中有效的感性材料，能够唤起学生的情感体验与价值体认。利用生长机制嫁接学生的内生性知识，是驱动深度学习发生的基础环节。

在人教版高中生物学教材《必修3·稳态与环境》第一章第一节“细胞生活的环境”中，学生了解到酸碱度是细胞外液理化性质，但对于这一概念缺乏具体感性经验的支持，更不了解人体内环境的pH在何种机制调控下保持相对稳定。教师引导学生回顾生活经验，明确内环境的pH保持平衡的重要性：机体组织进行无氧呼吸时会产生大量乳酸。由于乳酸是酸性化合物，会导致局部组织的pH下降，人会因此感到身体酸痛。同时，引导学生迁移联想：富有弹性的运动鞋鞋底可缓冲外力，从而减少运动员受伤的机率;同样，血浆pH之所以能够保持稳定，也是因为其中的HCO₃^-/H₂CO₃、HPO₄^2-/H₂PO₄^-等离子对的缓冲作用使内环境pH维持相对稳定。教师通过联系实际和类比迁移，将学生的旧观念与新知识进行有意义连接促进学生完成认知同化，从而树立稳态与平衡观，为“稳态的调节”内容的学习奠定基础。

再如，在《必修卜分子与细胞》第五章第四节“能量之源——光与光合作用”中，学生知道植物光合作用必须在光照条件下进行，因为光反应中水必须在光下分解。但学生并不清楚不仅植物细胞进行光合作用需要光照，且光合色素的生成也离不开光照。教师引导学生回想生活中常见的印有“囍”“福”等字样的苹果，阐述其制作原理：果农在苹果长大过程中于其表面贴上相应字样的不透光纸，导致这部分果皮细胞在无光条件下无法利用有机物合成色素，从而呈现浅色相应字迹。教师联系学生生活，引导学生利用贴近生活的实例，运用结构与功能观分析生物学事实，促进学生生命观念的形成。

2 颉顽机制转变迷思概念，诱导深度学习

颉顽机制是指利用认知矛盾将学生知识框架中存在的与科学原理相悖的内容转化纠正的知识学习过程。学生的迷思概念成为理解科学概念和学习生物学的障碍，需要经历若干个阶梯式递进才能实现向高阶概念的转变。颉颃机制的关键和核心是引发认知冲突，教师在教学中应了解学生己有的迷思概念，提供有说服力的事实或依据，利用颉颃机制引发学生的认知冲突，破除其错误思维，诱导生物学的深度学习。

在必修1第四章第三节“物质跨膜运输的方式”中，教科书中提及：除了水、氧、二氧化碳外，甘油、乙醇、苯等物质也可以通过自由扩散进出细胞。这通常令学生误以为：水分子跨膜运输的方式仅有自由扩散

*为通讯作者一种。此时，教师可创设情境，激发学生产生疑问：水分子通过自由扩散穿过脂双层的速率非常缓慢，而在某些生物组织中，如肾小管对水分的重吸收、唾液和眼泪的形成，常常是快速跨膜转运，应如何解释这些现象？这样从而引出水孔蛋白（AQP）的作用：水孔蛋白是是一类特异性的通道蛋白，具有4个亚基，每个亚基由6个α螺旋组成，水分子可通过其中央孔进出细胞。教师补充H₂O通过协助扩散进行跨膜运输的途径，既可以转变学生错误的前科学概念，使学生加深对物质跨膜运输方式的理解，又能渗透学科前沿知识，培养学生批判性思维的能力。

再如，在必修1第五章中，学生学习过光合作用与有氧呼吸内容后，知道细胞发生这两种生理反应离不开叶绿体和线粒体。于是学生“自然”地以为：凡是光合作用的发生，一定需要叶绿体的参与;凡是有氧呼吸的进行，一定需要线粒体的介入。于是，教师提出问题，引发学生思考：对于不具备具膜细胞器的原核生物来说，细胞如何进行光合作用和有氧呼吸？教师利用教学中这些生成性的认知冲突资源，基于颉颃机制，选取蓝细菌作为模式生物进行介绍：蓝细菌细胞不含有叶绿体和线粒体，但在其细胞质中有由类囊体围绕的同心环片层结构，其上含有叶绿索和藻蓝素，是光合作用光反应的场所;在其细胞膜内侧，分布着进行电子传递和氧化磷酸化的丰富酶系，保证有氧呼吸的高效执行。这些功能的行使与其特殊的形态结构是分不开的。教师对学生较熟悉的蓝细菌进行深度挖掘，促进学生主动学习，转变己有的迷思概念，并培养学生辩证性看待问题的眼光和逆向思维的习惯，同时渗透对结构与功能观的培养，夯实其生命观念。

3 建模机制整合重要概念，助力深度学习

建模机制是指对知识概念进行凝练和抽象化，在建立模型的动态生成过程中形成结构化整体的知识学习过程。模型不限于具体的实物，也包括某个过程、某种观点和一次事件等抽象内容。生物学概念是生物学事实和知识凝练的精髓，模型建构支持学生在学习新概念时找到理解其内涵的隐藏元素，运用科学的思维方法深度学习概念本質，发展科学思维的习惯和能力。

教師基于模型建构引导学生进行重要概念的学习，为学生理解和推理科学过程提供窗口，并体验思维的深度加工，落实培养生命观念和科学思维生物学核心素养的要求。例如，“细胞会经历生长、增殖、分化、衰老和死亡等生命进程”是必修1中的一个重要概念，模型建构机制将对这一重要概念的整合提供支持。在该学习模型中（表1），贯穿科学知识脉络的构件作为模型的基本支点，是整个模型得以建立的必要和关键元素，其选择对模型后续的建构起到举足轻重的效果：各个构件在时间与空间上彼此关联形成有机联系，组成序列：阐述序列相互联系的内在原因，即解释;科学知识必须与学生的实际生活产生联系，才能完成意义同化，这个过程称之为映射;构件的选择、序列的关联、解释的形成、映射的建立均依赖于科学知识的最高层次——科学原理。从构件到科学原理的进阶，分别是学生认知特征在认知水平上的递进。

概念模型是生物学模型中的一种重要形式，通常用图示、文字、符号等显示概念间的意义联系与层级结构。教师利用概念模型开展教学，可以促进学生对概念的理解与运用，从而自主建构自己的概念体系。例如，“内环境为机体细胞提供适宜的生存环境，机体细胞通过内环境与外界环境进行物质交换”是必修3中的一个重要概念。学生在初中己掌握消化、呼吸、排泄和循环系统等的相关知识，也学习过物质跨膜运输的几种方式，初步具备运用模型与图示的方法来表征组织细胞与内外环境物质交换的认知基础。教师引导学生建构机体细胞与内外环境进行物质交换的模型（图1）。在模型的建构过程中，学生必须掌握相邻节点进行联系的生理过程，才能掌握该模型建构的逻辑意义：机体组织细胞生活在内环境中，并通过内环境中的血浆、组织液和淋巴组分与外界环境进行物质与能量交换，在这一过程中，消化、呼吸、排泄和循环等系统承担的生理过程起到了至关重要的作用;同时，机体具备自我调节机制来维持其稳态。教师将建模机制应用于本节课的教学，除了能够帮助学生对重要概念进行整合，还可以作为学生自我诊断的工具。学生在模型建构中掌握概念整合与系统分析的方法，持续推进生命观念与科学思维的发展。学生逐步运用概念模型分析和解决问题，将促进科学探究和社会责任感的培养。

4 互动机制强化知识建构，促进深度学习

互动机制是指通过师生、生生或人机多边互动，共同实现知识学习的过程。课堂不是教师一个人的课堂，学生是教学的主体。基于互动的教学不仅强化学生的知识建构，促进知识内涵的不断延展，而且能够提高学生的学习积极性，渗透课堂教学的情意价值。

在必修3第二章“动物和人体生命活动的神经/体液调节”中，教师可创设情境并采用角色扮演法实施课堂互动。首先，由教师模拟各种刺激，如进入寒冷环境、进入高温环境、病理性发冷、病理性发热、饮水不足、出汗、食物过咸、饮水过多、长时间未进食、刚进食不久。由多名学生等扮演机体各组织器官，如大脑皮层、下丘脑、垂体、甲状腺、肾上腺、胰腺、肾脏，且每位学生手中持红色和蓝色卡牌，红卡牌表示“对其靶器官、靶细胞起促进作用”，蓝卡牌表示“对其靶器官、靶细胞起抑制作用”。当教师说出自己所模拟的某种刺激发生时，相应靶器官对应的学生代表则出示卡牌，并描述其将发生的系列生理变化（代表大脑皮层的学生无需出示卡牌），下级靶器官顺序反应。当然，教师的角色也可以由学生担任，活动以小组形式开展。通过这样的师生或生生角色分配扮演，课堂氛围被深度激活，学生在轻松愉悦的互动中参与知识的强化建构，生命观念的培养得到重视，科学思维得到训练，引领深度学习的进行。

在学习完教材必修3第六章“生态环境的保护”后，教师可设计以“外来入侵生物应全面禁止吗”为主题的辩论赛。辩论是开展课堂互动的有效形式，入侵生物是热点生物学社会议题，教师将二者结合能够培养学生的发散性思维与逆向思维，进一步提高学生的社会责任感。教师通过创设辩论情境，引导辩论进程;关注学生在辩论中的表现，鼓励学生勇敢发声;总结全员观点，指导学生学会辩证看待问题，培养学生的社会责任和运用生物学知识于实际并解决问题的能力。学生在课前调查生物入侵本地的情况、收集资料与论据，自主确立辩论方向：课堂上基于事实与证据树立论点加入辩论赛，并提出有效利用外来生物的建议和阻止有害生物入侵的措施，掌握运用生物学知识、观点和方法解决实际问题的一般方法：倡导保护环境和生物多样性的观点并主动向他人宣传，提升社会责任：体验在交际互动中主动获取知识的喜悦。通过辩论，学生的主体性得以体现，积极性得以发挥。学生在质疑问难、探讨审视、相互辩驳中主动获取知识，树立生物与生物、生物与环境、人类与环境和谐发展的观念，深度开发科学思维和提升社会责任。

5 表达机制激发评价效应，落实深度学习

表达机制是指学生将内在知识和技能外化为特定形式的知识学习过程。表达的形式具有多样性，通常是图形和绘画，但在理科课程学习中也可以是文字语言的表达。表达机制是一种高效的元认知运用策略，学生在进行表达时需要基于逻辑，对己掌握的事实、经验和理论进行二次梳理和整合，全视角领域审视知识建构的流程。教师将表达机制与课堂评价相结合，有利于即时、及时地诊断学生的问题，激发学生主动学习，促进学生生物学学科核心素养的形成，是落实深度学习的良好载体。

如在新授课堂中，教师讲解完基本内容后可由学生代表担任“小老师”，尝试为同学进行自主总结。这对学生来说不仅是个人展示的一次机会，是独立建构知识的机会，更是一种培养学生科学思维的方法。教师可依据学生表达的内容获得即时的教学反馈，进行评价，对于学生的正确思维予以强化，错误思维予以破除，并培养学生分析问题、解决问题的能力，从而可以培养学生的科学思维。在习题讲评课中，让学生叙述自己错误的思路，可暴露其知识盲区，从而有利于教师诊断问题所在，进行针对性教学，夯实学生的生命观念，提升学生的科学探究，促进学生关注社会和生活中的生物学，并能基于生物学认识，做出理性解释和判断。在复习课中，学生的表达也显得尤为重要。学生根据对知识章节掌握的情况，表达出自己的薄弱之处，从而有利于教师进行高效的复习教学。基于表达机制，学生由被动学习走向主动学习，由主动学习走向深入。

参考文献：

[1]何玲，黎加厚.促进学生深度学习[.T7.现代教学，2005（5）：29-30.

[2]孙智昌.学习科学视M的深度学习[J].课程·教材·教法，2018，38（1）：20-26.