在生物课堂中通过深度学习培养学生科学思维——以“植物生长素的探索史”为例

沈璐昳

（上海市控江中学 上海 200093）

1 理论基础

深度学习概念是美国学者费论斯·马顿和罗右·萨尔乔于1976年首次提出，是对所学知识进行批判性理解、整合性建构以及创新性迁移的一种学习方式。促进深度学习的教学并不是无限增加知识难度和知识量，而是基于知识的内在结构，通过对知识的完整处理，引导学生从低阶思维能力的浅层学习到高阶思维能力的深度学习。教师在生物课堂中通过深度学习落实学生科学思维培养，主要包括：①掌握基本的生命科学实验探究原理和方法；②敢于质疑的能力；③具备逻辑梳理能力；④具备实证意识；⑤具备语言表达能力；⑥具备论证能力；⑦具备归纳、建模能力。下面针对如何将深度学习贯彻落实于科学思维的培养进行了探索。

2 教材分析

“植物生长素的探索史”是沪科版高中生命科学第二册第五章第五节“植物生长发育的调节”中的内容。教材以40多年间数位科学家完成的几个经典实验为主线，层层深入地解释了植物向光性现象的机理，揭示了当植物受外界刺激后植物体维持稳态的基本调节方式，促使学生逐步形成“稳态”与“适应”的生命观念。同时，“生长素探索史”中隐含的“假说-演绎”的理性思维，是培养学生学科核心素养很好的载体。

3 教学目标

通过亲历达尔文、詹森、温特等科学探究实验，初步学会实验探究的一般方法，养成“假说-演绎-归纳-建模”的科学思维；通过从个体和细胞水平上阐释植物向光性运动的机理，理解植物向光性运动是适应环境的一种表现。

4 课堂教学设计

4.1 以生命现象导入新课

学生通过观察延迟摄影拍摄的向日葵幼苗动图，思考向日葵幼苗弯曲生长的外因，并提出疑问：“向日葵幼苗的感光部位在哪里？”然后，分组讨论、设计实验探究植物的感光部位。某小组选择了三棵幼苗作为实验对象：第一组为空白对照组不做处理；第二组用黑色袋子遮住幼苗上部；第三组用黑色袋子遮住幼苗下部，并给于单侧光照射，观察实验现象。

设计意图：有趣的生命现象可以激发学生的学习兴趣，使学生产生学习动机，主动地想去探索知识。同时，学生通过互动碰撞出思想的火花，可以极大地丰富课堂的教学，促进其深度学习，更有利于主动地理解并掌握基本的实验设计方法和原则，继而培养生物学学科核心素养。

4.2 重现经典实验，发现隐藏其中的“假说-演绎”的科学思维

4.2.1 引出达尔文假说

教师借学生设计的实验，引出达尔文父子设计的实验。学生对两组实验进行比较，改进实验方案，与达尔文父子设计的一样设置4个组，但每组增加至5个胚芽鞘，并给于单侧光照射。教师根据学生实验的现象，引出达尔文提出的“化学信号假说”，并引导学生设计实验以验证假说。

设计意图：学生在实验中增加胚芽鞘的数量，目的是减少实验误差。要实现深度学习，教师需要引导学生学会自我评价，整合自己已有的知识，发现问题、反思不足之处并进行调整。评价和反思是培养学生质疑能力的前提。

4.2.2 挖掘“假说-演绎”中隐藏的科学思维

学生根据达尔文“假说”自行演绎，在环境适宜生长的情况下，选取2个生长状态相近的胚芽鞘，对照组胚芽鞘不做处理，实验组胚芽鞘去除尖端0.5 cm，在均匀光照5 h后，实验结果为对照组直立生长0.2 cm，实验组生长不明显。其他学生根据该学生的实验进行评价，认为该实验方案可以得出：胚芽鞘尖端可以控制下部的生长，但无法直接验证一定是某种化学物物质引起胚芽鞘生长。教师借此引出詹森的实验方案，学生发现詹森利用化学物质可透过琼脂而无法透过云母片的特点，从而确定是尖端产生的某种化学物质引起弯曲现象。但有逻辑严谨的学生提出质疑：詹森并没有排除胚芽鞘尖端本身对下部生长的影响。此时，教师介绍温特的实验方案：温特巧妙地用积累了尖端某种化学物质的琼脂块代替胚芽鞘尖端进行实验，从而排除胚芽鞘尖端本身对下部的影响。

设计意图：达尔文假说的演绎过程实则是科学家如何巧妙设计实验验证假说的科学思维过程，并非是三个实验的简单呈现，包含了层层递进的逻辑关系。深度学习的落实不仅需要学生亲历实验的过程，还要求学生能够形成更高阶的理性思维，即批判性的理解和分析。学生对已有知识进行反思和质疑，有意识地通过实验探求真知，主动梳理知识之间的内在逻辑联系。其中，敢于质疑和逻辑梳理亦是生物科学素养的范畴。

4.2.3 演绎假说的曲折

学生自行选择较常见的单子叶植物玉米和小麦，通过实验发现：小麦发芽快但胚芽鞘较细小，不易操作；玉米虽然发芽等待时间较小麦长，但玉米胚芽鞘较粗易操作；故最终选择了玉米胚芽鞘为实验对象。学生在重现达尔文父子的实验时，因地制宜地选择了不透明的和透明的笔盖作为实验材料来完成实验。学生在重现詹森实验过程中，因云母片较厚操作较难，改用较轻易上手且能阻断化学物质透过的锡纸；有小组尝试用食品用的明胶片代替琼脂块，但在后续实验过程中发现其吸水性强，导致胚芽鞘脱水而无法生长，随即放弃使用。在重现温特的实验过程中，学生觉得等待胚芽鞘尖端生长素积累到琼脂块的时间过长，查阅书本后，询问教师是否有生长素人工类似物溶液来代替该步骤。该学生用该溶液浸泡琼脂块，大大提高了实验的成功率。

设计意图：学生演绎假说的过程中，不乏迸发出一些创新性的想法并予以实践，有时成功，有时失败。这种创新实践的学习方式也就是深度学习。深度学习有利于培养学生的科学思维。科学思维实质是利用科学的思维方式来解决问题的过程，这个过程必须由学生亲身实践、创新、体验、探索，让学生深刻感悟科学探究实验的不易，这也是培养学生实证意识的基础。

4.3 从个体水平引入细胞水平的探究

教师补充小实验：用黑色水笔在胚芽鞘的一侧画一条细线，2 d后，观察黑色印记的变化。并提出问题：胚芽鞘伸长部位在哪里？胚芽鞘怎么伸长的？胚芽鞘如何弯曲的？……教师引导学生从个体水平探究深入到细胞水平的探究，学生主动提出需要借助光学显微镜观察细胞。教师展示利用“ScopeImage 9.0”软件拍摄显微镜下胚芽鞘纵切后的细胞结构（图1），引导学生根据实验现象进行分析。

图1 显微镜下胚芽鞘纵切面结构图

设计意图：教师借助数字化工具与资源，用显微镜下观察的照片代替常规教学使用的模式图，使学生直观感受胚芽鞘弯曲部位的向光侧和背光侧细胞的差异，从而加速深度学习的进程。学生经过实证再解释了胚芽鞘弯曲生长的本质，尊重事实和证据，培养了严谨的求知态度，更好地培养了实证意识。

4.4 总结归纳，建构模型，知识迁移

4.4.1 结合实证，得出结论

学生根据显微镜下拍摄的照片和实验结果，得出胚芽鞘向光弯曲伸长的内因是背光侧生长素积累的较多。教师鼓励学生根据结论提出新的假设。学生提出假设：光照可能会影响生长素的合成；光照可能会破坏生长素；单侧光照可能导致生长素从向光侧往背光侧运输等。教师展示单侧光照对胚芽鞘尖端生长素分布的实验结果（图2），学生根据实验现象，评价自己的假设，修正观点，总结胚芽鞘向光弯曲的内因。

图2 单侧光对胚芽鞘尖端生长素分布的实验现象

设计意图：深度学习需要学生自己主动走近知识。教师引导学生提出假设，锻炼学生语言表达能力。语言的表达有利于学生进行逻辑推理和论证。学生运用实验现象来支持或反思自己的观点，论述主张，为假设的成立构建合理的解释。这种论证的过程实则是在培养学生的理性思维。具备语言表达能力和论证能力是生物科学素养的重要体现所在。

4.4.2 建构模型、迁移拓展

通过课堂实验现象和结论，学生初步构建胚芽鞘弯曲生长的机理模型。随后，教师引出植物向性运动的概念，并引导学生用该模型来推理植物向性运动的机理。最后，教师引出生长素的化学本质，并拓展介绍植物生长素“酸生长”学说。

设计意图：学生将新知融入原有的认知结构中，整合性建构胚芽鞘弯曲生长的机理模型，灵活运用并解释植物其他向性运动的机理。深度学习重视学生科学思维的培养，也就是学生能灵活应用所学知识和已有能力，解决实际问题。学生这种归纳、建模的能力是生物科学素养中的重中之重。

5 教学反思

本节课以培养学生科学思维为宗旨设计和组织教学，鼓励学生养成对所学知识能够有批判性理解、整合性构建以及创新性迁移的学习方式。对于生命科学植物激素探索史的教学，探究的不仅仅是实验，更多的是科学思维的渗透。教师重视实证，让学生“力行”，亲自体验实际生命科学实验操作过程中诸多的困难，感悟到科学实验探究的严谨性和曲折性。层次化的实验情境的设计重在培养学生的逻辑梳理能力，环环相扣的实验中不乏出现学生敢于批判和质疑的声音，语言是学生理性思维的载体，语言的表达是学生深度思考的一种形式。教师巧妙运用学生课堂生成性问题，引导学生归纳总结、建构出胚芽鞘向光弯曲生长机理的模型，发展学生的论证技能，以达成在生物课堂中通过深度学习的方式培养学生科学思维的生物学学科核心素养。