基于數(shù)字化創(chuàng)新實驗的生物學項目式學習

摘要：為培養(yǎng)學生的探究與創(chuàng)新能力，教師基于數(shù)字化創(chuàng)新實驗開展項目式學習活動，提高教學質(zhì)量和效率。教師利用自制的“探究酵母菌細胞呼吸方式”數(shù)字一體化實驗裝置，應用認知加工理論和項目式學習模式，引導學生自主合作、實驗探究和優(yōu)化迭代，以促進學生深度思考。教師細分項目，分解任務，設定驅(qū)動性問題，引導學生探究解決方案，協(xié)同開發(fā)集成多類傳感器的數(shù)字化實驗裝置，對實驗數(shù)據(jù)進行定量采集和分析，激發(fā)了學生的認知體驗和參與熱情，促進了高層次認知發(fā)展。實踐證明，應用新模式教學顯著提升了實驗效率和精度，促進了學生的探究、合作、創(chuàng)新和思維能力，有助于發(fā)展高階思維，跨學科整合知識。關鍵詞：認知加工；項目式學習；酵母菌呼吸方式；自制一體化教具；數(shù)字化實驗實驗教學對于學生生物學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)至關重要?！镀胀ǜ咧猩飳W課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）明確要求開展“探究酵母菌細胞呼吸方式”的教學活動。然而，當前實驗教學存在不足，學生缺乏深度思考和學習加工。教材實驗的優(yōu)化空間為師生提供了發(fā)揮的機會。課標鼓勵教師開發(fā)課程資源，深化教學改革[1]。認知加工理論強調(diào)學生在感知、理解、思考和記憶等認知過程中對知識進行加工。教師開展數(shù)字化實驗教學引導學生自主探究、合作交流和反思總結(jié)，有利于彌補上述不足并提高學生的實驗能力和科學素養(yǎng)。筆者以自制“探究酵母菌細胞呼吸方式”數(shù)字一體化實驗裝置為例，探討基于創(chuàng)新實驗開展項目式數(shù)字化實驗教學的方法與策略。一、項目教學的指導理論與流程設計（一）以認知加工理論指導教學活動認知加工理論認為人類是信息加工的系統(tǒng)，認知即信息處理，涵蓋感覺輸入的編碼、存儲和檢索。在這個框架下，認知被劃分為多個階段，每個階段對應特定信息操作的單元，而最終的反應（輸出）是這些階段和操作的綜合結(jié)果。認知心理學家關注那些形成人類行為基礎的心理機制，尤其是輸入與輸出之間的心理過程。雖然這些內(nèi)部過程不可見，但可以通過比較輸入和輸出的差異來推斷[2]。這種差異反映了信息加工效果。在課堂教學環(huán)境下，每個學生都構(gòu)成了一個信息加工的系統(tǒng)。教師評估學生在課堂或項目學習中的輸出與輸入之間的差異，可以判斷學生的學習成效。如果學生在課堂上注意力不集中或不參與活動，那么學習成效可能為零。相反，如果教師能夠調(diào)動學生的學習積極性，讓學生多維度處理信息，將產(chǎn)生豐富的輸出，從而積累更多的學習成果，促進素養(yǎng)的提升和能力的發(fā)展。（二）以項目教學推進實踐創(chuàng)新項目式學習注重培養(yǎng)學生解決問題的能力，即讓學生在問題情境中探究學習，實現(xiàn)知識的跨情境遷移[3]。筆者將“探究酵母菌細胞呼吸方式”作為主題，分解任務，提出驅(qū)動性問題，讓學生分組探究，尋找解決方案，提交項目成果，促進學生在積極的情感體驗中有效學習。結(jié)合本實驗的具體特點，筆者設計了如下的項目式學習活動教學流程（如圖1）。二、基于自制實驗裝置的項目式學習實踐（一）實驗創(chuàng)新項目背景介紹“探究酵母菌細胞呼吸方式”是高中生物學“細胞呼吸的原理和應用”中的一個探究實踐。課前，興趣小組的學生經(jīng)過預習、實驗、交流、討論，深入分析教材實驗，認為實驗存在以下提升空間（可優(yōu)化點）：①實驗反應時間較長（8—10小時），不適宜課堂教學；②有氧呼吸裝置通入空氣后可為酵母菌供氧，但空氣中的CO可能未被完全去除，影響對反應產(chǎn)生的CO的檢測；③教材實驗為定性實驗，無法對呼吸產(chǎn)物進行定量分析，限制了對呼吸速率變化、呼吸作用影響因素等問題的深入探究；④按照教材指導操作實驗，僅能簡單模擬過程，對實驗變量的控制和挖掘不足，存在改進空間。教師將實驗轉(zhuǎn)化為項目式學習活動，有利于激發(fā)學生的學習興趣，引導他們深度學習。（二）確定實驗探究項目教學目標針對教材實驗的可優(yōu)化情況，筆者給興趣小組的學生布置了一項任務——自制實驗裝置，以優(yōu)化實驗過程。為了采集實驗數(shù)據(jù)，起初考慮采用集成傳感器等電子設備。鑒于該實驗需要觀察多種物質(zhì)變化，師生面臨的挑戰(zhàn)是如何在一個裝置中集成多種傳感器。最終，確定項目式學習活動的目標是自制用于探究酵母菌細胞呼吸方式的數(shù)字一體化教學工具。（三）科學分組，分解項目任務將大型項目細分為小型子項目并分配給不同組別的學生，不僅能有效加快項目進度，而且能讓更多學生參與進來，提高他們的學習積極性和主動性，這與認知加工理論中的主動學習理念相契合。每個小組都有不同的改進方向和目標，因此，他們選擇的傳感器和設計的實驗也會有所區(qū)別。學生分3個小組行動，分別負責相關可優(yōu)化點的方案設計和實施。制訂計劃：按照先分散后集中的原則，3個實驗小組將同時開展活動，其間可以交流和討論，相互學習。最后，集中分析討論，選擇最優(yōu)方案。第一組：針對可優(yōu)化點①，改裝注射器，制作“酵母菌反應及產(chǎn)物檢測一體化反應器”，并采用高活性酵母菌作為實驗材料。同時，自制小型磁力攪拌器，以便氧氣與酵母菌溶液充分接觸，從而加快反應速度。第二組：在第一組改進的基礎上，增加一個由注射器改裝的O發(fā)生裝置，通過HO與FeCl的反應來制備O，為酵母菌細胞呼吸提供O，增加有氧呼吸速率，并避免空氣中的CO對呼吸產(chǎn)物檢測結(jié)果的干擾。第三組：將CO、O、乙醇和溫度傳感器集成到改裝的注射器上，并利用第一組和第二組的裝置，開展酵母菌細胞呼吸作用產(chǎn)物及其變化的定量檢測實驗，以實現(xiàn)深度學習。在解決問題的過程中，學生遇到了許多新的細節(jié)問題，經(jīng)過不斷嘗試和優(yōu)化，最終找到了有效的解決方案，并獲得理想的效果（見表1）。學生分工協(xié)同實驗，可能遇到一些棘手問題。在解決這些問題的過程中，學生的信息技術處理能力和跨學科知識融合能力會真正得到提升，從而提高綜合素養(yǎng)。3個小組努力協(xié)作，設計了相應的反應裝置。在設計過程中，筆者要求學生始終堅持節(jié)約和集約的原則，大膽創(chuàng)新。在筆者指導下，學生將所有傳感器集成到一個裝置中，制作了“探究酵母菌細胞呼吸方式的數(shù)字一體化檢測裝置”（如圖2）。（四）開展實驗，分享成果為確保實驗教具的使用效果，在正式使用前需檢查裝置的氣密性，并嘗試進行實驗探究。根據(jù)之前討論的驅(qū)動性問題及其解決方案，師生將一體化實驗檢測裝置與以下組件連接：氧氣發(fā)生器、HO（雙氧水）溶液容器、酒精檢測裝置、二氧化碳檢測裝置、微型磁力攪拌器、微型氣泵、輸液器三通閥、單向通氣閥、輸液器二通閥及氣泵出氣口，從而構(gòu)成完整的一體化實驗裝置。1.氣密性檢查使用普通注射器活塞，開展相關實驗活動（如圖3）。第一步，開啟A注射器的a閥門，吸取適量空氣，確保超過e閥門的刻度線；第二步，關閉A注射器的a閥門，接著打開d和e閥門，使D、E注射器與A注射器形成連通；第三步，推動A注射器，觀察D、E注射器活塞的變化，若活塞上升，則表明氣密性良好；第四步，采用同樣的方法，檢查裝置其他部分的氣密性。說明：一體化實驗裝置分區(qū)結(jié)構(gòu)組成如下。Ⅰ區(qū)：Q手機或平板電腦；R手機或平板支架。字母為部件代號，下同。Ⅱ區(qū)：A酵母菌細胞呼吸反應器（由550mL注射器改裝）；B氧氣發(fā)生器（由550mL注射器改裝）；C雙氧水溶液容器（由300mL注射器改裝）；D酒精檢測裝置（由10mL注射器改裝）；E二氧化碳檢測裝置（由10mL注射器改裝）；F自制小型磁力攪拌器；G微型氣泵；a～e輸液器三通閥；f單向通氣閥；g輸液器開關；h輸液器二通閥；i輸液管改裝連通器；j恒溫加熱器電熱毯加熱裝置。Ⅲ區(qū)：H磁力攪拌器調(diào)速器；I氣泵調(diào)速器；J簡易恒溫加熱器控制開關。Ⅳ區(qū)：K帶刻度細管（由1mL注射器和輸液管改裝）；L小液滴細管出氣口三通閥。Ⅴ區(qū)：數(shù)字反應器（M）。Ⅵ區(qū)和Ⅶ區(qū)：N實驗報告夾；O小零件盒；P注射器盒。2.定量測定首先，簡易定量測定酵母菌細胞無氧呼吸速率。在不使用數(shù)字傳感器的情況下，興趣小組的學生在教具中巧妙地設計并安裝了帶有刻度和有色小液滴的細管。該細管與反應器的出氣口連接。學生觀察液滴的移動情況，可以了解反應器內(nèi)氣體的變化情況，從而實現(xiàn)對酵母菌細胞呼吸過程中氣體變化的簡易間接定量測定。實驗原理：基于“定性探究無氧呼吸實驗”，將小液滴管的左側(cè)進氣口與A注射器的右側(cè)出氣口相連。A注射器內(nèi)的氣體變化會推動液滴在刻度細管K中移動。由于小液滴移動的細管是由1mL注射器改裝而成，液滴在刻度上的移動距離即可代表A注射器內(nèi)氣體體積的變化。這樣，就可以對酵母菌細胞無氧呼吸過程中釋放的CO量進行簡單的定量測定。液滴向左移動表示A注射器內(nèi)氣體減少；液滴向右移動表示A注射器內(nèi)氣體增加。實驗結(jié)果顯示：20s內(nèi)小液滴移動了119個最小刻度單位。每個最小刻度單位代表0.02mL的氣體體積變化。因此，實驗中所用酵母菌細胞在無氧呼吸過程中產(chǎn)生CO119×0.02mL，即2.38mL。以CO釋放速率表示的酵母菌無氧呼吸速率計算為2.38mL/20s=0.119mL/s。然后，精準定量測定。利用數(shù)字傳感器技術，將A注射器升級為M數(shù)字一體化檢測裝置，接入各類數(shù)據(jù)傳感器，實時監(jiān)測反應體系中二氧化碳、氧氣和溫度及乙醇的變化情況。操作流程如下：啟動手機或平板中安裝的傳感器數(shù)據(jù)記錄軟件；激活各傳感器；使用軟件通過藍牙將傳感器與手機或平板相連；按照與探究酵母菌細胞無氧呼吸或有氧呼吸方式相同的步驟進行實驗操作；利用軟件實時監(jiān)測并記錄反應體系內(nèi)的二氧化碳、氧氣、溫度和乙醇的變化情況，以實現(xiàn)對這些參數(shù)的定量分析。探究酵母菌細胞的無氧呼吸：第一步，準備酵母菌溶液，并將其注入F注射器中（方法1：先取下注射器，打開a閥門、關閉d和e閥門，吸取酵母菌溶液。方法2：打開a閥門，關閉d和e閥門，用另一注射器吸取酵母菌溶液，通過a閥門注入M注射器中），確保溶液液面位于e閥門刻度線以下。第二步，啟動簡易恒溫加熱器J至適宜溫度。關閉a、d和e三個閥門，使M注射器密封，酵母菌開始進行無氧呼吸，此時可觀察到氣泡產(chǎn)生，推動M注射器活塞上升。第三步，反應一段時間后，調(diào)整e三通閥，使M注射器與裝有溴麝香草酚藍溶液的E注射器連通，用E注射器吸取M注射器中的氣體，檢測二氧化碳的產(chǎn)生。如果溴麝香草酚藍溶液由藍變綠再變黃，這表明酵母菌在無氧條件下呼吸，產(chǎn)生了二氧化碳。第四步，采用類似方法，可以使用D注射器檢測酵母菌無氧呼吸反應溶液中是否產(chǎn)生酒精。探究酵母菌細胞的有氧呼吸：第一步，制備酵母菌溶液并注入M注射器，確保液面位于e閥門刻度線以下；啟動簡易恒溫加熱器J，調(diào)至大約35℃。第二步，在B、C注射器中分別加入適量的FeCl溶液和HO溶液。第三步，打開三通閥c，使C注射器與B注射器連通；打開三通閥a，使M注射器與氣泵G的出氣口相連，同時打開三通閥e，確保M注射器與外界空氣流通，以便排氣。第四步，通過三通閥b向B注射器中注入適量HO溶液，然后關閉三通閥b，開始生成氧氣，直至B注射器的活塞上升到兩個開孔之上。第五步，使用氣泵調(diào)速器I啟動氣泵G，并調(diào)整至適當速度，氣泵從B注射器中吸取氧氣，由于B注射器內(nèi)壓強降低，C注射器中的HO溶液被吸入B注射器并與其中的FeCl溶液反應，持續(xù)產(chǎn)生氧氣，氣泵將氧氣不斷輸送到M注射器中的酵母菌反應溶液中，實現(xiàn)自動持續(xù)供氧。第六步，利用磁力攪拌器調(diào)速器H啟動磁力攪拌器M，并調(diào)整至適宜轉(zhuǎn)速，使氧氣與酵母菌溶液充分混合。第七步，隨著M注射器內(nèi)氣體的增多，活塞被推動上移至e閥門對應的刻度線之上，氣體通過e閥門、單向通氣閥f排出至外部環(huán)境。第八步，經(jīng)過一段時間后，調(diào)整e閥門使E、M注射器相連，E注射器中引入部分M等于注射器內(nèi)的反應氣體，以此檢測有氧呼吸產(chǎn)物中是否存在二氧化碳；同樣地，也可以使用D注射器來檢測有氧呼吸過程中是否產(chǎn)生酒精。改進后的實驗裝置具有如下優(yōu)點：制作簡便，耗材經(jīng)濟，反應迅速，便于課堂完成，利于推廣，此外還支持簡易定量分析，有助于學生深刻理解呼吸作用的機制。三、認知理論引領下項目式學習與探索的成效（一）認知理論融合項目式學習促進學生自主探究在認知理論的指導下，自制用于“探究酵母菌細胞呼吸方式”的數(shù)字一體化實驗裝置，實現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)的高效獲取、分析和處理。筆者以項目式學習的模式開展教學，設置提出問題、解決問題、方案形成、實踐操作、交流討論和反思總結(jié)等環(huán)節(jié)，以興趣和任務驅(qū)動創(chuàng)新，這與認知加工理論中的自主學習理念相契合。學生在這一過程中不僅體驗到科學實驗的樂趣，而且通過數(shù)據(jù)分析和處理，增強了處理數(shù)據(jù)和解決問題的能力，促進了深度學習和自主探索，發(fā)展了高階思維。（二）學生參與認知加工過程提升思維能力項目實施過程中，學生分工合作，從分析教材實驗、提出優(yōu)化方案、制作教具、優(yōu)化教具、實驗探究，到分析實驗結(jié)果，全過程全方位參與了信息加工活動。這不僅契合認知加工理論（強調(diào)主動學習），而且提高了學生的自我反思和批判性思維能力，加深了對知識的理解和掌握。學生在興趣的驅(qū)動下，對實驗項目相關的生物學知識進行深入思考和學習，這對生物學核心素養(yǎng)的培養(yǎng)非常有益。（三）有效構(gòu)建跨