基于數(shù)字化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的生物學(xué)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

摘要：為培養(yǎng)學(xué)生的探究與創(chuàng)新能力，教師基于數(shù)字化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)開(kāi)展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)，提高教學(xué)質(zhì)量和效率。教師利用自制的“探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式”數(shù)字一體化實(shí)驗(yàn)裝置，應(yīng)用認(rèn)知加工理論和項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式，引導(dǎo)學(xué)生自主合作、實(shí)驗(yàn)探究和優(yōu)化迭代，以促進(jìn)學(xué)生深度思考。教師細(xì)分項(xiàng)目，分解任務(wù)，設(shè)定驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生探究解決方案，協(xié)同開(kāi)發(fā)集成多類(lèi)傳感器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量采集和分析，激發(fā)了學(xué)生的認(rèn)知體驗(yàn)和參與熱情，促進(jìn)了高層次認(rèn)知發(fā)展。實(shí)踐證明，應(yīng)用新模式教學(xué)顯著提升了實(shí)驗(yàn)效率和精度，促進(jìn)了學(xué)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(xué)科整合知識(shí)。關(guān)鍵詞：認(rèn)知加工；項(xiàng)目式學(xué)習(xí)；酵母菌呼吸方式；自制一體化教具；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)至關(guān)重要?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“課標(biāo)”）明確要求開(kāi)展“探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式”的教學(xué)活動(dòng)。然而，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在不足，學(xué)生缺乏深度思考和學(xué)習(xí)加工。教材實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化空間為師生提供了發(fā)揮的機(jī)會(huì)。課標(biāo)鼓勵(lì)教師開(kāi)發(fā)課程資源，深化教學(xué)改革[1]。認(rèn)知加工理論強(qiáng)調(diào)學(xué)生在感知、理解、思考和記憶等認(rèn)知過(guò)程中對(duì)知識(shí)進(jìn)行加工。教師開(kāi)展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生自主探究、合作交流和反思總結(jié)，有利于彌補(bǔ)上述不足并提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂茖W(xué)素養(yǎng)。筆者以自制“探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式”數(shù)字一體化實(shí)驗(yàn)裝置為例，探討基于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)開(kāi)展項(xiàng)目式數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法與策略。一、項(xiàng)目教學(xué)的指導(dǎo)理論與流程設(shè)計(jì)（一）以認(rèn)知加工理論指導(dǎo)教學(xué)活動(dòng)認(rèn)知加工理論認(rèn)為人類(lèi)是信息加工的系統(tǒng)，認(rèn)知即信息處理，涵蓋感覺(jué)輸入的編碼、存儲(chǔ)和檢索。在這個(gè)框架下，認(rèn)知被劃分為多個(gè)階段，每個(gè)階段對(duì)應(yīng)特定信息操作的單元，而最終的反應(yīng)（輸出）是這些階段和操作的綜合結(jié)果。認(rèn)知心理學(xué)家關(guān)注那些形成人類(lèi)行為基礎(chǔ)的心理機(jī)制，尤其是輸入與輸出之間的心理過(guò)程。雖然這些內(nèi)部過(guò)程不可見(jiàn)，但可以通過(guò)比較輸入和輸出的差異來(lái)推斷[2]。這種差異反映了信息加工效果。在課堂教學(xué)環(huán)境下，每個(gè)學(xué)生都構(gòu)成了一個(gè)信息加工的系統(tǒng)。教師評(píng)估學(xué)生在課堂或項(xiàng)目學(xué)習(xí)中的輸出與輸入之間的差異，可以判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。如果學(xué)生在課堂上注意力不集中或不參與活動(dòng)，那么學(xué)習(xí)成效可能為零。相反，如果教師能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)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(xué)習(xí)成果，促進(jìn)素養(yǎng)的提升和能力的發(fā)展。（二）以項(xiàng)目教學(xué)推進(jìn)實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目式學(xué)習(xí)注重培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力，即讓學(xué)生在問(wèn)題情境中探究學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的跨情境遷移[3]。筆者將“探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式”作為主題，分解任務(wù)，提出驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題，讓學(xué)生分組探究，尋找解決方案，提交項(xiàng)目成果，促進(jìn)學(xué)生在積極的情感體驗(yàn)中有效學(xué)習(xí)。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)的具體特點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了如下的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)教學(xué)流程（如圖1）。二、基于自制實(shí)驗(yàn)裝置的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)踐（一）實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新項(xiàng)目背景介紹“探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式”是高中生物學(xué)“細(xì)胞呼吸的原理和應(yīng)用”中的一個(gè)探究實(shí)踐。課前，興趣小組的學(xué)生經(jīng)過(guò)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)、交流、討論，深入分析教材實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)存在以下提升空間（可優(yōu)化點(diǎn)）：①實(shí)驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)（8—10小時(shí)），不適宜課堂教學(xué)；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(duì)反應(yīng)產(chǎn)生的CO的檢測(cè)；③教材實(shí)驗(yàn)為定性實(shí)驗(yàn)，無(wú)法對(duì)呼吸產(chǎn)物進(jìn)行定量分析，限制了對(duì)呼吸速率變化、呼吸作用影響因素等問(wèn)題的深入探究；④按照教材指導(dǎo)操作實(shí)驗(yàn)，僅能簡(jiǎn)單模擬過(guò)程，對(duì)實(shí)驗(yàn)變量的控制和挖掘不足，存在改進(jìn)空間。教師將實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)他們深度學(xué)習(xí)。（二）確定實(shí)驗(yàn)探究項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)針對(duì)教材實(shí)驗(yàn)的可優(yōu)化情況，筆者給興趣小組的學(xué)生布置了一項(xiàng)任務(wù)——自制實(shí)驗(yàn)裝置，以優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程。為了采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，起初考慮采用集成傳感器等電子設(shè)備。鑒于該實(shí)驗(yàn)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(gè)裝置中集成多種傳感器。最終，確定項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)的目標(biāo)是自制用于探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式的數(shù)字一體化教學(xué)工具。（三）科學(xué)分組，分解項(xiàng)目任務(wù)將大型項(xiàng)目細(xì)分為小型子項(xiàng)目并分配給不同組別的學(xué)生，不僅能有效加快項(xiàng)目進(jìn)度，而且能讓更多學(xué)生參與進(jìn)來(lái)，提高他們的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，這與認(rèn)知加工理論中的主動(dòng)學(xué)習(xí)理念相契合。每個(gè)小組都有不同的改進(jìn)方向和目標(biāo)，因此，他們選擇的傳感器和設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)也會(huì)有所區(qū)別。學(xué)生分3個(gè)小組行動(dòng)，分別負(fù)責(zé)相關(guān)可優(yōu)化點(diǎn)的方案設(shè)計(jì)和實(shí)施。制訂計(jì)劃：按照先分散后集中的原則，3個(gè)實(shí)驗(yàn)小組將同時(shí)開(kāi)展活動(dòng)，其間可以交流和討論，相互學(xué)習(xí)。最后，集中分析討論，選擇最優(yōu)方案。第一組：針對(duì)可優(yōu)化點(diǎn)①，改裝注射器，制作“酵母菌反應(yīng)及產(chǎn)物檢測(cè)一體化反應(yīng)器”，并采用高活性酵母菌作為實(shí)驗(yàn)材料。同時(shí)，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(yīng)速度。第二組：在第一組改進(jìn)的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)由注射器改裝的O發(fā)生裝置，通過(guò)HO與FeCl的反應(yīng)來(lái)制備O，為酵母菌細(xì)胞呼吸提供O，增加有氧呼吸速率，并避免空氣中的CO對(duì)呼吸產(chǎn)物檢測(cè)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(kāi)展酵母菌細(xì)胞呼吸作用產(chǎn)物及其變化的定量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。在解決問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)生遇到了許多新的細(xì)節(jié)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)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(jiàn)表1）。學(xué)生分工協(xié)同實(shí)驗(yàn)，可能遇到一些棘手問(wèn)題。在解決這些問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)生的信息技術(shù)處理能力和跨學(xué)科知識(shí)融合能力會(huì)真正得到提升，從而提高綜合素養(yǎng)。3個(gè)小組努力協(xié)作，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的反應(yīng)裝置。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，筆者要求學(xué)生始終堅(jiān)持節(jié)約和集約的原則，大膽創(chuàng)新。在筆者指導(dǎo)下，學(xué)生將所有傳感器集成到一個(gè)裝置中，制作了“探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式的數(shù)字一體化檢測(cè)裝置”（如圖2）。（四）開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，分享成果為確保實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。根據(jù)之前討論的驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題及其解決方案，師生將一體化實(shí)驗(yàn)檢測(cè)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(cè)裝置、二氧化碳檢測(cè)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(shí)驗(yàn)裝置。1.氣密性檢查使用普通注射器活塞，開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)（如圖3）。第一步，開(kāi)啟A注射器的a閥門(mén)，吸取適量空氣，確保超過(guò)e閥門(mén)的刻度線；第二步，關(guān)閉A注射器的a閥門(mén)，接著打開(kāi)d和e閥門(mén)，使D、E注射器與A注射器形成連通；第三步，推動(dòng)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(shuō)明：一體化實(shí)驗(yàn)裝置分區(qū)結(jié)構(gòu)組成如下。Ⅰ區(qū)：Q手機(jī)或平板電腦；R手機(jī)或平板支架。字母為部件代號(hào)，下同。Ⅱ區(qū)：A酵母菌細(xì)胞呼吸反應(yīng)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(cè)裝置（由10mL注射器改裝）；E二氧化碳檢測(cè)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(kāi)關(guān)；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(jiǎn)易恒溫加熱器控制開(kāi)關(guān)。Ⅳ區(qū)：K帶刻度細(xì)管（由1mL注射器和輸液管改裝）；L小液滴細(xì)管出氣口三通閥。Ⅴ區(qū)：數(shù)字反應(yīng)器（M）。Ⅵ區(qū)和Ⅶ區(qū)：N實(shí)驗(yàn)報(bào)告夾；O小零件盒；P注射器盒。2.定量測(cè)定首先，簡(jiǎn)易定量測(cè)定酵母菌細(xì)胞無(wú)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(xué)生在教具中巧妙地設(shè)計(jì)并安裝了帶有刻度和有色小液滴的細(xì)管。該細(xì)管與反應(yīng)器的出氣口連接。學(xué)生觀察液滴的移動(dòng)情況，可以了解反應(yīng)器內(nèi)氣體的變化情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)酵母菌細(xì)胞呼吸過(guò)程中氣體變化的簡(jiǎn)易間接定量測(cè)定。實(shí)驗(yàn)原理：基于“定性探究無(wú)氧呼吸實(shí)驗(yàn)”，將小液滴管的左側(cè)進(jìn)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(huì)推動(dòng)液滴在刻度細(xì)管K中移動(dòng)。由于小液滴移動(dòng)的細(xì)管是由1mL注射器改裝而成，液滴在刻度上的移動(dòng)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(duì)酵母菌細(xì)胞無(wú)氧呼吸過(guò)程中釋放的CO量進(jìn)行簡(jiǎn)單的定量測(cè)定。液滴向左移動(dòng)表示A注射器內(nèi)氣體減少；液滴向右移動(dòng)表示A注射器內(nèi)氣體增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：20s內(nèi)小液滴移動(dòng)了119個(gè)最小刻度單位。每個(gè)最小刻度單位代表0.02mL的氣體體積變化。因此，實(shí)驗(yàn)中所用酵母菌細(xì)胞在無(wú)氧呼吸過(guò)程中產(chǎn)生CO119×0.02mL，即2.38mL。以CO釋放速率表示的酵母菌無(wú)氧呼吸速率計(jì)算為2.38mL/20s=0.119mL/s。然后，精準(zhǔn)定量測(cè)定。利用數(shù)字傳感器技術(shù)，將A注射器升級(jí)為M數(shù)字一體化檢測(cè)裝置，接入各類(lèi)數(shù)據(jù)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)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：?jiǎn)?dòng)手機(jī)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(guò)藍(lán)牙將傳感器與手機(jī)或平板相連；按照與探究酵母菌細(xì)胞無(wú)氧呼吸或有氧呼吸方式相同的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作；利用軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄反應(yīng)體系內(nèi)的二氧化碳、氧氣、溫度和乙醇的變化情況，以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些參數(shù)的定量分析。探究酵母菌細(xì)胞的無(wú)氧呼吸：第一步，準(zhǔn)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(kāi)a閥門(mén)、關(guān)閉d和e閥門(mén)，吸取酵母菌溶液。方法2：打開(kāi)a閥門(mén)，關(guān)閉d和e閥門(mén)，用另一注射器吸取酵母菌溶液，通過(guò)a閥門(mén)注入M注射器中），確保溶液液面位于e閥門(mén)刻度線以下。第二步，啟動(dòng)簡(jiǎn)易恒溫加熱器J至適宜溫度。關(guān)閉a、d和e三個(gè)閥門(mén)，使M注射器密封，酵母菌開(kāi)始進(jìn)行無(wú)氧呼吸，此時(shí)可觀察到氣泡產(chǎn)生，推動(dòng)M注射器活塞上升。第三步，反應(yīng)一段時(shí)間后，調(diào)整e三通閥，使M注射器與裝有溴麝香草酚藍(lán)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(cè)二氧化碳的產(chǎn)生。如果溴麝香草酚藍(lán)溶液由藍(lán)變綠再變黃，這表明酵母菌在無(wú)氧條件下呼吸，產(chǎn)生了二氧化碳。第四步，采用類(lèi)似方法，可以使用D注射器檢測(cè)酵母菌無(wú)氧呼吸反應(yīng)溶液中是否產(chǎn)生酒精。探究酵母菌細(xì)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(mén)刻度線以下；啟動(dòng)簡(jiǎn)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(kāi)三通閥c，使C注射器與B注射器連通；打開(kāi)三通閥a，使M注射器與氣泵G的出氣口相連，同時(shí)打開(kāi)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(guò)三通閥b向B注射器中注入適量HO溶液，然后關(guān)閉三通閥b，開(kāi)始生成氧氣，直至B注射器的活塞上升到兩個(gè)開(kāi)孔之上。第五步，使用氣泵調(diào)速器I啟動(dòng)氣泵G，并調(diào)整至適當(dāng)速度，氣泵從B注射器中吸取氧氣，由于B注射器內(nèi)壓強(qiáng)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(yīng)，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(yīng)溶液中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)持續(xù)供氧。第六步，利用磁力攪拌器調(diào)速器H啟動(dòng)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(dòng)上移至e閥門(mén)對(duì)應(yīng)的刻度線之上，氣體通過(guò)e閥門(mén)、單向通氣閥f排出至外部環(huán)境。第八步，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，調(diào)整e閥門(mén)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(yīng)氣體，以此檢測(cè)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(lái)檢測(cè)有氧呼吸過(guò)程中是否產(chǎn)生酒精。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)：制作簡(jiǎn)便，耗材經(jīng)濟(jì)，反應(yīng)迅速，便于課堂完成，利于推廣，此外還支持簡(jiǎn)易定量分析，有助于學(xué)生深刻理解呼吸作用的機(jī)制。三、認(rèn)知理論引領(lǐng)下項(xiàng)目式學(xué)習(xí)與探索的成效（一）認(rèn)知理論融合項(xiàng)目式學(xué)習(xí)促進(jìn)學(xué)生自主探究在認(rèn)知理論的指導(dǎo)下，自制用于“探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式”的數(shù)字一體化實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的高效獲取、分析和處理。筆者以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的模式開(kāi)展教學(xué)，設(shè)置提出問(wèn)題、解決問(wèn)題、方案形成、實(shí)踐操作、交流討論和反思總結(jié)等環(huán)節(jié)，以興趣和任務(wù)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新，這與認(rèn)知加工理論中的自主學(xué)習(xí)理念相契合。學(xué)生在這一過(guò)程中不僅體驗(yàn)到科學(xué)實(shí)驗(yàn)的樂(lè)趣，而且通過(guò)數(shù)據(jù)分析和處理，增強(qiáng)了處理數(shù)據(jù)和解決問(wèn)題的能力，促進(jìn)了深度學(xué)習(xí)和自主探索，發(fā)展了高階思維。（二）學(xué)生參與認(rèn)知加工過(guò)程提升思維能力項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生分工合作，從分析教材實(shí)驗(yàn)、提出優(yōu)化方案、制作教具、優(yōu)化教具、實(shí)驗(yàn)探究，到分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，全過(guò)程全方位參與了信息加工活動(dòng)。這不僅契合認(rèn)知加工理論（強(qiáng)調(diào)主動(dòng)學(xué)習(xí)），而且提高了學(xué)生的自我反思和批判性思維能力，加深了對(duì)知識(shí)的理解和掌握。學(xué)生在興趣的驅(qū)動(dòng)下，對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相關(guān)的生物學(xué)知識(shí)進(jìn)行深入思考和學(xué)習(xí)，這對(duì)生物學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)非常有益。（三）有效構(gòu)建跨