例談基于深度學(xué)習(xí)典型機(jī)制的高中生物學(xué)教學(xué)

謝倩　李韶山

深度學(xué)習(xí)（Deep Learning）發(fā)端于人工智能領(lǐng)域，后被遷移至學(xué)習(xí)科學(xué)界。深度學(xué)習(xí)是在理解學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)者能夠批判性地學(xué)習(xí)新思想和分析事實(shí)，將它們?nèi)谌朐械恼J(rèn)知結(jié)構(gòu)中，并在眾多思想之間進(jìn)行聯(lián)系，能將己有知識(shí)遷移到新的情境中，作出決策和解決問題的學(xué)習(xí)。關(guān)聯(lián)互動(dòng)的深度學(xué)習(xí)有別于孤立靜態(tài)的淺層學(xué)習(xí)，是運(yùn)用高階思維在認(rèn)知和元認(rèn)知基礎(chǔ)上建構(gòu)知識(shí)的過程。驅(qū)動(dòng)深度學(xué)習(xí)發(fā)生的機(jī)制主要有5種，即生長機(jī)制、領(lǐng)頑機(jī)制、建模機(jī)制、互動(dòng)機(jī)制和表達(dá)機(jī)制。

隨著《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》的頒布，發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)成為新課程的育人目標(biāo)。深度學(xué)習(xí)更加關(guān)注學(xué)習(xí)過程而非結(jié)果，強(qiáng)調(diào)知識(shí)建構(gòu)而非片面的知識(shí)難度與深度，正是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑。深度學(xué)習(xí)與學(xué)生生命觀念的形成、科學(xué)思維的建立和科學(xué)探究能力的提升，乃至社會(huì)責(zé)任感的實(shí)現(xiàn)均息息相關(guān)。深度學(xué)習(xí)不是機(jī)械的教學(xué)方法，而是教師在課堂中進(jìn)行有效性教學(xué)的多元化途徑。在實(shí)際教學(xué)中，教師可根據(jù)教材和學(xué)情，在新課標(biāo)的指導(dǎo)下，靈活選擇深度學(xué)習(xí)發(fā)生的機(jī)制催生深度學(xué)習(xí)，關(guān)注學(xué)生的共同基礎(chǔ)和多元發(fā)展需求，促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。

1 生長機(jī)制轉(zhuǎn)化直接經(jīng)驗(yàn)，驅(qū)動(dòng)深度學(xué)習(xí)

生長機(jī)制是指將日常生活中積累的直接經(jīng)驗(yàn)作為新知識(shí)的生長點(diǎn)，轉(zhuǎn)化為科學(xué)知識(shí)范疇的學(xué)習(xí)過程。學(xué)生的直接經(jīng)驗(yàn)是課堂教學(xué)中有效的感性材料，能夠喚起學(xué)生的情感體驗(yàn)與價(jià)值體認(rèn)。利用生長機(jī)制嫁接學(xué)生的內(nèi)生性知識(shí)，是驅(qū)動(dòng)深度學(xué)習(xí)發(fā)生的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。

在人教版高中生物學(xué)教材《必修3·穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》第一章第一節(jié)“細(xì)胞生活的環(huán)境”中，學(xué)生了解到酸堿度是細(xì)胞外液理化性質(zhì)，但對(duì)于這一概念缺乏具體感性經(jīng)驗(yàn)的支持，更不了解人體內(nèi)環(huán)境的pH在何種機(jī)制調(diào)控下保持相對(duì)穩(wěn)定。教師引導(dǎo)學(xué)生回顧生活經(jīng)驗(yàn)，明確內(nèi)環(huán)境的pH保持平衡的重要性：機(jī)體組織進(jìn)行無氧呼吸時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量乳酸。由于乳酸是酸性化合物，會(huì)導(dǎo)致局部組織的pH下降，人會(huì)因此感到身體酸痛。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生遷移聯(lián)想：富有彈性的運(yùn)動(dòng)鞋鞋底可緩沖外力，從而減少運(yùn)動(dòng)員受傷的機(jī)率;同樣，血漿pH之所以能夠保持穩(wěn)定，也是因?yàn)槠渲械腍CO₃^-/H₂CO₃、HPO₄^2-/H₂PO₄^-等離子對(duì)的緩沖作用使內(nèi)環(huán)境pH維持相對(duì)穩(wěn)定。教師通過聯(lián)系實(shí)際和類比遷移，將學(xué)生的舊觀念與新知識(shí)進(jìn)行有意義連接促進(jìn)學(xué)生完成認(rèn)知同化，從而樹立穩(wěn)態(tài)與平衡觀，為“穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)”內(nèi)容的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

再如，在《必修卜分子與細(xì)胞》第五章第四節(jié)“能量之源——光與光合作用”中，學(xué)生知道植物光合作用必須在光照條件下進(jìn)行，因?yàn)楣夥磻?yīng)中水必須在光下分解。但學(xué)生并不清楚不僅植物細(xì)胞進(jìn)行光合作用需要光照，且光合色素的生成也離不開光照。教師引導(dǎo)學(xué)生回想生活中常見的印有“囍”“?！钡茸謽拥奶O果，闡述其制作原理：果農(nóng)在蘋果長大過程中于其表面貼上相應(yīng)字樣的不透光紙，導(dǎo)致這部分果皮細(xì)胞在無光條件下無法利用有機(jī)物合成色素，從而呈現(xiàn)淺色相應(yīng)字跡。教師聯(lián)系學(xué)生生活，引導(dǎo)學(xué)生利用貼近生活的實(shí)例，運(yùn)用結(jié)構(gòu)與功能觀分析生物學(xué)事實(shí)，促進(jìn)學(xué)生生命觀念的形成。

2 頡頑機(jī)制轉(zhuǎn)變迷思概念，誘導(dǎo)深度學(xué)習(xí)

頡頑機(jī)制是指利用認(rèn)知矛盾將學(xué)生知識(shí)框架中存在的與科學(xué)原理相悖的內(nèi)容轉(zhuǎn)化糾正的知識(shí)學(xué)習(xí)過程。學(xué)生的迷思概念成為理解科學(xué)概念和學(xué)習(xí)生物學(xué)的障礙，需要經(jīng)歷若干個(gè)階梯式遞進(jìn)才能實(shí)現(xiàn)向高階概念的轉(zhuǎn)變。頡頏機(jī)制的關(guān)鍵和核心是引發(fā)認(rèn)知沖突，教師在教學(xué)中應(yīng)了解學(xué)生己有的迷思概念，提供有說服力的事實(shí)或依據(jù)，利用頡頏機(jī)制引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，破除其錯(cuò)誤思維，誘導(dǎo)生物學(xué)的深度學(xué)習(xí)。

在必修1第四章第三節(jié)“物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)姆绞健敝?，教科書中提及：除了水、氧、二氧化碳外，甘油、乙醇、苯等物質(zhì)也可以通過自由擴(kuò)散進(jìn)出細(xì)胞。這通常令學(xué)生誤以為：水分子跨膜運(yùn)輸?shù)姆绞絻H有自由擴(kuò)散

*為通訊作者一種。此時(shí)，教師可創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生疑問：水分子通過自由擴(kuò)散穿過脂雙層的速率非常緩慢，而在某些生物組織中，如腎小管對(duì)水分的重吸收、唾液和眼淚的形成，常常是快速跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，應(yīng)如何解釋這些現(xiàn)象？這樣從而引出水孔蛋白（AQP）的作用：水孔蛋白是是一類特異性的通道蛋白，具有4個(gè)亞基，每個(gè)亞基由6個(gè)α螺旋組成，水分子可通過其中央孔進(jìn)出細(xì)胞。教師補(bǔ)充H₂O通過協(xié)助擴(kuò)散進(jìn)行跨膜運(yùn)輸?shù)耐緩剑瓤梢赞D(zhuǎn)變學(xué)生錯(cuò)誤的前科學(xué)概念，使學(xué)生加深對(duì)物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式的理解，又能滲透學(xué)科前沿知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生批判性思維的能力。

再如，在必修1第五章中，學(xué)生學(xué)習(xí)過光合作用與有氧呼吸內(nèi)容后，知道細(xì)胞發(fā)生這兩種生理反應(yīng)離不開葉綠體和線粒體。于是學(xué)生“自然”地以為：凡是光合作用的發(fā)生，一定需要葉綠體的參與;凡是有氧呼吸的進(jìn)行，一定需要線粒體的介入。于是，教師提出問題，引發(fā)學(xué)生思考：對(duì)于不具備具膜細(xì)胞器的原核生物來說，細(xì)胞如何進(jìn)行光合作用和有氧呼吸？教師利用教學(xué)中這些生成性的認(rèn)知沖突資源，基于頡頏機(jī)制，選取藍(lán)細(xì)菌作為模式生物進(jìn)行介紹：藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞不含有葉綠體和線粒體，但在其細(xì)胞質(zhì)中有由類囊體圍繞的同心環(huán)片層結(jié)構(gòu)，其上含有葉綠索和藻藍(lán)素，是光合作用光反應(yīng)的場(chǎng)所;在其細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)，分布著進(jìn)行電子傳遞和氧化磷酸化的豐富酶系，保證有氧呼吸的高效執(zhí)行。這些功能的行使與其特殊的形態(tài)結(jié)構(gòu)是分不開的。教師對(duì)學(xué)生較熟悉的藍(lán)細(xì)菌進(jìn)行深度挖掘，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，轉(zhuǎn)變己有的迷思概念，并培養(yǎng)學(xué)生辯證性看待問題的眼光和逆向思維的習(xí)慣，同時(shí)滲透對(duì)結(jié)構(gòu)與功能觀的培養(yǎng)，夯實(shí)其生命觀念。

3 建模機(jī)制整合重要概念，助力深度學(xué)習(xí)

建模機(jī)制是指對(duì)知識(shí)概念進(jìn)行凝練和抽象化，在建立模型的動(dòng)態(tài)生成過程中形成結(jié)構(gòu)化整體的知識(shí)學(xué)習(xí)過程。模型不限于具體的實(shí)物，也包括某個(gè)過程、某種觀點(diǎn)和一次事件等抽象內(nèi)容。生物學(xué)概念是生物學(xué)事實(shí)和知識(shí)凝練的精髓，模型建構(gòu)支持學(xué)生在學(xué)習(xí)新概念時(shí)找到理解其內(nèi)涵的隱藏元素，運(yùn)用科學(xué)的思維方法深度學(xué)習(xí)概念本質(zhì)，發(fā)展科學(xué)思維的習(xí)慣和能力。

教師基于模型建構(gòu)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行重要概念的學(xué)習(xí)，為學(xué)生理解和推理科學(xué)過程提供窗口，并體驗(yàn)思維的深度加工，落實(shí)培養(yǎng)生命觀念和科學(xué)思維生物學(xué)核心素養(yǎng)的要求。例如，“細(xì)胞會(huì)經(jīng)歷生長、增殖、分化、衰老和死亡等生命進(jìn)程”是必修1中的一個(gè)重要概念，模型建構(gòu)機(jī)制將對(duì)這一重要概念的整合提供支持。在該學(xué)習(xí)模型中（表1），貫穿科學(xué)知識(shí)脈絡(luò)的構(gòu)件作為模型的基本支點(diǎn)，是整個(gè)模型得以建立的必要和關(guān)鍵元素，其選擇對(duì)模型后續(xù)的建構(gòu)起到舉足輕重的效果：各個(gè)構(gòu)件在時(shí)間與空間上彼此關(guān)聯(lián)形成有機(jī)聯(lián)系，組成序列：闡述序列相互聯(lián)系的內(nèi)在原因，即解釋;科學(xué)知識(shí)必須與學(xué)生的實(shí)際生活產(chǎn)生聯(lián)系，才能完成意義同化，這個(gè)過程稱之為映射;構(gòu)件的選擇、序列的關(guān)聯(lián)、解釋的形成、映射的建立均依賴于科學(xué)知識(shí)的最高層次——科學(xué)原理。從構(gòu)件到科學(xué)原理的進(jìn)階，分別是學(xué)生認(rèn)知特征在認(rèn)知水平上的遞進(jìn)。

概念模型是生物學(xué)模型中的一種重要形式，通常用圖示、文字、符號(hào)等顯示概念間的意義聯(lián)系與層級(jí)結(jié)構(gòu)。教師利用概念模型開展教學(xué)，可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)概念的理解與運(yùn)用，從而自主建構(gòu)自己的概念體系。例如，“內(nèi)環(huán)境為機(jī)體細(xì)胞提供適宜的生存環(huán)境，機(jī)體細(xì)胞通過內(nèi)環(huán)境與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換”是必修3中的一個(gè)重要概念。學(xué)生在初中己掌握消化、呼吸、排泄和循環(huán)系統(tǒng)等的相關(guān)知識(shí)，也學(xué)習(xí)過物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)膸追N方式，初步具備運(yùn)用模型與圖示的方法來表征組織細(xì)胞與內(nèi)外環(huán)境物質(zhì)交換的認(rèn)知基礎(chǔ)。教師引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)機(jī)體細(xì)胞與內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換的模型（圖1）。在模型的建構(gòu)過程中，學(xué)生必須掌握相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)系的生理過程，才能掌握該模型建構(gòu)的邏輯意義：機(jī)體組織細(xì)胞生活在內(nèi)環(huán)境中，并通過內(nèi)環(huán)境中的血漿、組織液和淋巴組分與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)與能量交換，在這一過程中，消化、呼吸、排泄和循環(huán)等系統(tǒng)承擔(dān)的生理過程起到了至關(guān)重要的作用;同時(shí)，機(jī)體具備自我調(diào)節(jié)機(jī)制來維持其穩(wěn)態(tài)。教師將建模機(jī)制應(yīng)用于本節(jié)課的教學(xué)，除了能夠幫助學(xué)生對(duì)重要概念進(jìn)行整合，還可以作為學(xué)生自我診斷的工具。學(xué)生在模型建構(gòu)中掌握概念整合與系統(tǒng)分析的方法，持續(xù)推進(jìn)生命觀念與科學(xué)思維的發(fā)展。學(xué)生逐步運(yùn)用概念模型分析和解決問題，將促進(jìn)科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任感的培養(yǎng)。

4 互動(dòng)機(jī)制強(qiáng)化知識(shí)建構(gòu)，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)

互動(dòng)機(jī)制是指通過師生、生生或人機(jī)多邊互動(dòng)，共同實(shí)現(xiàn)知識(shí)學(xué)習(xí)的過程。課堂不是教師一個(gè)人的課堂，學(xué)生是教學(xué)的主體?；诨?dòng)的教學(xué)不僅強(qiáng)化學(xué)生的知識(shí)建構(gòu)，促進(jìn)知識(shí)內(nèi)涵的不斷延展，而且能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，滲透課堂教學(xué)的情意價(jià)值。

在必修3第二章“動(dòng)物和人體生命活動(dòng)的神經(jīng)/體液調(diào)節(jié)”中，教師可創(chuàng)設(shè)情境并采用角色扮演法實(shí)施課堂互動(dòng)。首先，由教師模擬各種刺激，如進(jìn)入寒冷環(huán)境、進(jìn)入高溫環(huán)境、病理性發(fā)冷、病理性發(fā)熱、飲水不足、出汗、食物過咸、飲水過多、長時(shí)間未進(jìn)食、剛進(jìn)食不久。由多名學(xué)生等扮演機(jī)體各組織器官，如大腦皮層、下丘腦、垂體、甲狀腺、腎上腺、胰腺、腎臟，且每位學(xué)生手中持紅色和藍(lán)色卡牌，紅卡牌表示“對(duì)其靶器官、靶細(xì)胞起促進(jìn)作用”，藍(lán)卡牌表示“對(duì)其靶器官、靶細(xì)胞起抑制作用”。當(dāng)教師說出自己所模擬的某種刺激發(fā)生時(shí)，相應(yīng)靶器官對(duì)應(yīng)的學(xué)生代表則出示卡牌，并描述其將發(fā)生的系列生理變化（代表大腦皮層的學(xué)生無需出示卡牌），下級(jí)靶器官順序反應(yīng)。當(dāng)然，教師的角色也可以由學(xué)生擔(dān)任，活動(dòng)以小組形式開展。通過這樣的師生或生生角色分配扮演，課堂氛圍被深度激活，學(xué)生在輕松愉悅的互動(dòng)中參與知識(shí)的強(qiáng)化建構(gòu)，生命觀念的培養(yǎng)得到重視，科學(xué)思維得到訓(xùn)練，引領(lǐng)深度學(xué)習(xí)的進(jìn)行。

在學(xué)習(xí)完教材必修3第六章“生態(tài)環(huán)境的保護(hù)”后，教師可設(shè)計(jì)以“外來入侵生物應(yīng)全面禁止嗎”為主題的辯論賽。辯論是開展課堂互動(dòng)的有效形式，入侵生物是熱點(diǎn)生物學(xué)社會(huì)議題，教師將二者結(jié)合能夠培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維與逆向思維，進(jìn)一步提高學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。教師通過創(chuàng)設(shè)辯論情境，引導(dǎo)辯論進(jìn)程;關(guān)注學(xué)生在辯論中的表現(xiàn)，鼓勵(lì)學(xué)生勇敢發(fā)聲;總結(jié)全員觀點(diǎn)，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)辯證看待問題，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任和運(yùn)用生物學(xué)知識(shí)于實(shí)際并解決問題的能力。學(xué)生在課前調(diào)查生物入侵本地的情況、收集資料與論據(jù)，自主確立辯論方向：課堂上基于事實(shí)與證據(jù)樹立論點(diǎn)加入辯論賽，并提出有效利用外來生物的建議和阻止有害生物入侵的措施，掌握運(yùn)用生物學(xué)知識(shí)、觀點(diǎn)和方法解決實(shí)際問題的一般方法：倡導(dǎo)保護(hù)環(huán)境和生物多樣性的觀點(diǎn)并主動(dòng)向他人宣傳，提升社會(huì)責(zé)任：體驗(yàn)在交際互動(dòng)中主動(dòng)獲取知識(shí)的喜悅。通過辯論，學(xué)生的主體性得以體現(xiàn)，積極性得以發(fā)揮。學(xué)生在質(zhì)疑問難、探討審視、相互辯駁中主動(dòng)獲取知識(shí)，樹立生物與生物、生物與環(huán)境、人類與環(huán)境和諧發(fā)展的觀念，深度開發(fā)科學(xué)思維和提升社會(huì)責(zé)任。

5 表達(dá)機(jī)制激發(fā)評(píng)價(jià)效應(yīng)，落實(shí)深度學(xué)習(xí)

表達(dá)機(jī)制是指學(xué)生將內(nèi)在知識(shí)和技能外化為特定形式的知識(shí)學(xué)習(xí)過程。表達(dá)的形式具有多樣性，通常是圖形和繪畫，但在理科課程學(xué)習(xí)中也可以是文字語言的表達(dá)。表達(dá)機(jī)制是一種高效的元認(rèn)知運(yùn)用策略，學(xué)生在進(jìn)行表達(dá)時(shí)需要基于邏輯，對(duì)己掌握的事實(shí)、經(jīng)驗(yàn)和理論進(jìn)行二次梳理和整合，全視角領(lǐng)域?qū)徱曋R(shí)建構(gòu)的流程。教師將表達(dá)機(jī)制與課堂評(píng)價(jià)相結(jié)合，有利于即時(shí)、及時(shí)地診斷學(xué)生的問題，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成，是落實(shí)深度學(xué)習(xí)的良好載體。

如在新授課堂中，教師講解完基本內(nèi)容后可由學(xué)生代表擔(dān)任“小老師”，嘗試為同學(xué)進(jìn)行自主總結(jié)。這對(duì)學(xué)生來說不僅是個(gè)人展示的一次機(jī)會(huì)，是獨(dú)立建構(gòu)知識(shí)的機(jī)會(huì)，更是一種培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的方法。教師可依據(jù)學(xué)生表達(dá)的內(nèi)容獲得即時(shí)的教學(xué)反饋，進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)于學(xué)生的正確思維予以強(qiáng)化，錯(cuò)誤思維予以破除，并培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，從而可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。在習(xí)題講評(píng)課中，讓學(xué)生敘述自己錯(cuò)誤的思路，可暴露其知識(shí)盲區(qū)，從而有利于教師診斷問題所在，進(jìn)行針對(duì)性教學(xué)，夯實(shí)學(xué)生的生命觀念，提升學(xué)生的科學(xué)探究，促進(jìn)學(xué)生關(guān)注社會(huì)和生活中的生物學(xué)，并能基于生物學(xué)認(rèn)識(shí)，做出理性解釋和判斷。在復(fù)習(xí)課中，學(xué)生的表達(dá)也顯得尤為重要。學(xué)生根據(jù)對(duì)知識(shí)章節(jié)掌握的情況，表達(dá)出自己的薄弱之處，從而有利于教師進(jìn)行高效的復(fù)習(xí)教學(xué)。基于表達(dá)機(jī)制，學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)走向主動(dòng)學(xué)習(xí)，由主動(dòng)學(xué)習(xí)走向深入。

參考文獻(xiàn)：

[1]何玲，黎加厚.促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)[.T7.現(xiàn)代教學(xué)，2005（5）：29-30.

[2]孫智昌.學(xué)習(xí)科學(xué)視M的深度學(xué)習(xí)[J].課程·教材·教法，2018，38（1）：20-26.