例谈基于深度学习的科学实践教学

陈娟

【摘  要】本文以细胞吸水和失水为例，阐述以各种科学实践展开对渗透装置、动植物细胞渗透作用的教学，使得学生通过自主参与活动来完成教学，达到深度学习的目的，以此验证基于科学实践达成深度学习的可行性。

【关键词】细胞吸水和失水；科学实践；深度学习

深度学习倡导学习应以学生为主，通过设计相应的活动，帮助学生对学习材料进行加工、分析、联想、内化，进而完善自己的知识体系。深度学习的其他特征都围绕“活动与体验”展开。高中生物学是以实验操作和现象观察为主的一门学科，众多抽象的生物学概念需要结合学生的动手实验。科学实践活动是生物学活动的主心骨，通过学生自主地参与活动并质疑、探究、反思、修正，真正达成知识的内化。

一、科学实践的基本特征

科学实践是深度学习的外在表现。应用科学实践，要认识它是集合多方特性于一体的综合实践活动。

（一）科学实践的主体性

实践重视的是学生真正参与的主体性活动，学生必须成为学习的主角。它力求科学探究的设计不再是以教师教授为主，应该转型为教师提供素材和资料，激发学生的积极态度，让他们自发主动地思考，进行相应的实验探究。被动机械的学习方式会禁锢学生的思维发展，枯燥的教师主讲方式会极大降低学生学习的兴趣。要有效发挥学生的主体性地位参与科学实践，积极体验，才能深入思考现象与原理间的联系，完成对概念本质的把握。

（二）科学实践的开放性

科学实践的开放性强调的是进行科學实践不强制完全按照教材提供的实验设计方案，它有更多的选择权。与传统封闭式、结构式的科学探究不同，科学实践关注学生特点，认同学生在熟悉实验思路的基础上，根据自身所处的不同情境进行迁移和创造，设计相应解决问题的实验方案。它也不局限进行实践的时间和空间，除了教师安排的课堂活动，更倡导学生利用课余的时间，在家或更开阔的场地进行相应的实践。充分利用学生的课余延长实验的时间线，能改变课堂时间的局促性，让实验过程呈现得更完整，也能提供充分的时间让学生收集实验资料，并调动以往的知识经验加以联想思考，把握实践知识的本质，完成深度学习。

（三）科学实践的多维性

科学实践是多维度的活动，它不仅是理智的，还深受情感、文化、社会的影响。作为科学实践，它是有逻辑理论依托的存在，是批判性思维的产物，是科学的存在。但由于新时代要求教师要立德树人，在生物学科中不仅要传授学生科学知识，还应该引导学生关注社会生活，学以致用，能用生物学知识解决生活实际问题。因此科学实践要深度结合与学生息息相关的生活实际，基于服务本土文化生活的目标出发，进行实验探究，获得新的理论知识，为培养能解决一定生产、生活问题的素养奠定基础。

（四）科学实践的过程性

与直接获取理论知识不同，科学实践重视过程的呈现。其一，实践过程不是单纯按照教材提供的教学步骤动手操作，而是看重学生如何根据情境，利用不同的实验材料，创造性地进行实验探究。其二，科学实践过程中各种师生互动、生生互动都是实践成效的重要评价要点都应该引起关注。学生如何通过实验验证教师的提问或假说，对于实验结果的创造性表达方式，学生间的合作探究活动开展情况，对于实验结果的分析、推理、综合、概括程度等都在一定程度上判断学生是否真正内化知识。这些深度学习所提倡的亲身经历和体验，能引导学生主动地去感知知识内容，对实践过程全身心地投入是助力学生掌握知识的重要活动环节。

二、基于深度学习的科学实践案例

笔者在研究科学实践的特征后，以被动运输中细胞的吸水和失水内容为例，设计科学实践活动，促进学生深度学习。

（一）渗透装置科学实践

1.情境迁移，任务布置

在课前准备任务中，教师带领学生用红墨水滴在清水中完成扩散实验。在此基础上，要求学生根据现象，提出问题：红墨水在水中扩散，说明溶质分子能够从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。那么水也能够扩散吗？做出假设：水分子也能从“水多”的地方向“水少”的地方扩散。带领学生设计实验，并形成两个重要思路：（1）利用不同浓度的溶液创造“水多”与“水少”的差异；（2）半透膜可以允许水分子通过，而溶质分子不能通过，以此维持膜两侧的浓度差。在完成实验设计引导后，教师布置任务：要求学生利用微课做指导，自学渗透作用的原理，在家利用周围的材料，制作渗透装置的模型。

2.科学实践，进行深度学习

在任务完成过程中，与学生交流互动后，得出几点材料用具选择上的要点。在溶液选择中，学生普遍用易获得的清水、蔗糖溶液。半透膜的选择上比较多样，有网购玻璃纸、糖果包装纸代替，都能取得想要的液面变化效果。较多学生选择圆柱形管代替长颈漏斗，如牙刷的包装壳，效果比较良好的是0.5cm签字笔外壳。经过对比发现，直径越小的圆柱形管，后期液面上升所需要的时间越短。烧杯的替代物除了日常杯子，个别同学用带盖口香糖罐代替，不仅可以直接切口圆柱形管，实验达成的时间也越短。经过普及后，众多学生采用这个新方案。本实验完成后，再要求学生模拟漏斗内外都是等浓度的蔗糖溶液和用纱布代替半透膜实验组别。所有实验现象都要求拍照记录，并将结果以表格形式记录。

通过本次科学实践，学生将复杂的渗透装置搬到家里进行，利用生活中常见的一些材料重新改进实验装置，不仅提升了学习生物学的兴趣，而且学生通过不断地质疑、反思材料选择是否合适，是否符合渗透作用发生的要求，从而有深度地达成对渗透作用条件的认识。在对比、分析实验结果的过程中，能够连接所有注意点，总结渗透作用的概念和发生的条件，主动地完成学习目标。

（二）动物细胞吸水和失水科学实践

1.情境导入，由兴趣过渡实验验证

教师给出关于生理盐水的资料，提出问题：为什么临床上输液要用生理盐水？在引发学生兴趣的同时，要求学生通过实验验证。

2.实验探究实践，以探促学

教师提供新鲜的猪血细胞、蒸馏水、生理盐水、15%NaCl浓液等材料，要求学生利用显微镜观察猪血细胞在不同溶液中状态。教师指导学生先将猪血细胞滴入盛有生理盐水的烧杯中，稀释猪血细胞。再吸取少量的猪血细胞稀释液，制作至少两个临时装片并观察细胞形态。记录结果后，分别在不同的临时装片一侧滴加蒸馏水和15%NaCl溶液，另一侧用吸水纸慢慢吸引，关注细胞的形态变化并记录。学生通过观察后发现，在生理盐水中猪血细胞形态基本正常，边缘完整。滴加蒸馏水后，猪血细胞明显鼓胀，体积增大，视野边缘的猪血细胞涨破，细胞内容物流出。滴加15%NaCl溶液后，处于边缘处的猪血细胞体积减小，发生了皱缩。

（三）植物细胞吸水和失水科学实践

1.回顾成熟植物细胞结构，构建物理模型

生活中植物出水的例子比比皆是，教师节选贴近生活的实例，如腌萝卜出水，引发学生思考植物细胞是否也能发生渗透作用。如果发生，它的原理是否与动物细胞一致。教师要求学生根据第三单元对细胞结构的认识，分析动植物在结构上的区别，并尝试用可见的素材构建动植物细胞物理模型，在制作上可以忽略細胞器，但是要突出细胞壁、细胞膜在结构上的一些重要性质。经过学生的建模反馈，教师选出最突出的作品是用气球模拟动植物细胞膜，用带孔的方形水果采摘篮模拟细胞壁。

2.修正模型，利用模型帮助思维延伸

教师提供的资料：一个成熟的植物细胞中液泡的体积占90%以上，成熟植物细胞中的液体环境主要与细胞液有关。学生根据资料对植物细胞的物理模型做修正，用小气球模拟大液泡。教师要求学生观察模型，并根据自己在制作模型过程中对成熟植物细胞结构的再深入认识，思考回答：（1）液泡中的水到达细胞外主要依次穿过什么结构？（2）你认为成熟植物细胞的什么结构充当半透膜？如何验证你的猜想？学生分析、讨论，得出液泡中的水到达细胞外依次经历液泡膜—细胞质—细胞膜—细胞壁，由此猜测植物细胞的水分进出也是渗透作用。对水分子来说，细胞壁是全透性的，而细胞膜和液泡膜都属于生物膜，都具有选择透过性特点，因此它们相当于半透膜。在学生的分析基础上，教师引出原生质层的定义，并提出任务：进行实验验证，成熟植物细胞的原生质层相当于一层半

透膜。

3.利用教材的提示，进行科学探究实践

教师要求学生根据科学探究的一般过程，完成探究实验。学生提出问题：水进出植物细胞是渗透作用吗？原生质层相当于一层半透膜吗？随即作出假设，通过小组合作设计实验并进行实验，记录结果并分享。

4.小组合作分析讨论，深度化知识

引导学生分析实验结果，借用物理模型辅助理解实验现象，确定实验结论。结合前面所学，学生可以很容易地自主概括质壁分离的概念和发生的条件，解决了本节的一个重难点。

5.开放性实验，进行质壁分离探究

教师提醒学生关注进行质壁分离实验用到的材料和溶液类型的特殊性，从细胞角度和溶液角度指导学生判断细胞能否发生质壁分离。要求学生选择感兴趣的角度，利用教师提供的材料，按照“我选择的是材料是_________，我准备验证假说是 _________，经过实验，得出的实验结果是_________实验结果_________（支持或不支持）假说”模式验证感兴趣的观点。从细胞角度上，学生选择猪血细胞验证质壁分离需要细胞壁；选择黑藻验证质壁分离需要中央大液泡。从溶液的角度，学生选择0.5g/ml的葡萄糖溶液验证溶质可穿膜的溶液，发生质壁分离，后自动复原；选择0.5g/ml的蔗糖溶液验证溶液溶度过高时，细胞质壁分离后由失水过多而死亡，不能复原；选择95%酒精验证能杀死细胞的溶液中不发生质壁分离。学生间相互合作，分享自己的实践结果，并进行自评和互评，达成对延伸难点的深度学习的目的。

三、结束语

深度学习能够帮助学生将学习内容不断内化，提炼整合，真正掌握知识的内核。科学实践的特点切合深度学习的意图，是助力深度学习的有效手段。笔者通过细胞吸水和失水过程中的一系列科学实践，从吸引学生兴趣开始，激发学生积极主动地参与各项活动。学生利用课内外时间，利用材料用具对渗透作用、动植物细胞的吸水和失水进行模型构建、实验装置修正、实验探究验证，达成了科学思维和科学探究核心素养的培养。学生通过实践活动、联系新旧知识深入思考、主动学习、完善知识体系，完成了深度学习所要求地宗旨。