基于数字化创新实验的生物学项目式学习

摘要：为培养学生的探究与创新能力，教师基于数字化创新实验开展项目式学习活动，提高教学质量和效率。教师利用自制的“探究酵母菌细胞呼吸方式”数字一体化实验装置，应用认知加工理论和项目式学习模式，引导学生自主合作、实验探究和优化迭代，以促进学生深度思考。教师细分项目，分解任务，设定驱动性问题，引导学生探究解决方案，协同开发集成多类传感器的数字化实验装置，对实验数据进行定量采集和分析，激发了学生的认知体验和参与热情，促进了高层次认知发展。实践证明，应用新模式教学显著提升了实验效率和精度，促进了学生的探究、合作、创新和思维能力，有助于发展高阶思维，跨学科整合知识。关键词：认知加工；项目式学习；酵母菌呼吸方式；自制一体化教具；数字化实验实验教学对于学生生物学科核心素养的培养至关重要。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课标”）明确要求开展“探究酵母菌细胞呼吸方式”的教学活动。然而，当前实验教学存在不足，学生缺乏深度思考和学习加工。教材实验的优化空间为师生提供了发挥的机会。课标鼓励教师开发课程资源，深化教学改革[1]。认知加工理论强调学生在感知、理解、思考和记忆等认知过程中对知识进行加工。教师开展数字化实验教学引导学生自主探究、合作交流和反思总结，有利于弥补上述不足并提高学生的实验能力和科学素养。笔者以自制“探究酵母菌细胞呼吸方式”数字一体化实验装置为例，探讨基于创新实验开展项目式数字化实验教学的方法与策略。一、项目教学的指导理论与流程设计（一）以认知加工理论指导教学活动认知加工理论认为人类是信息加工的系统，认知即信息处理，涵盖感觉输入的编码、存储和检索。在这个框架下，认知被划分为多个阶段，每个阶段对应特定信息操作的单元，而最终的反应（输出）是这些阶段和操作的综合结果。认知心理学家关注那些形成人类行为基础的心理机制，尤其是输入与输出之间的心理过程。虽然这些内部过程不可见，但可以通过比较输入和输出的差异来推断[2]。这种差异反映了信息加工效果。在课堂教学环境下，每个学生都构成了一个信息加工的系统。教师评估学生在课堂或项目学习中的输出与输入之间的差异，可以判断学生的学习成效。如果学生在课堂上注意力不集中或不参与活动，那么学习成效可能为零。相反，如果教师能够调动学生的学习积极性，让学生多维度处理信息，将产生丰富的输出，从而积累更多的学习成果，促进素养的提升和能力的发展。（二）以项目教学推进实践创新项目式学习注重培养学生解决问题的能力，即让学生在问题情境中探究学习，实现知识的跨情境迁移[3]。笔者将“探究酵母菌细胞呼吸方式”作为主题，分解任务，提出驱动性问题，让学生分组探究，寻找解决方案，提交项目成果，促进学生在积极的情感体验中有效学习。结合本实验的具体特点，笔者设计了如下的项目式学习活动教学流程（如图1）。二、基于自制实验装置的项目式学习实践（一）实验创新项目背景介绍“探究酵母菌细胞呼吸方式”是高中生物学“细胞呼吸的原理和应用”中的一个探究实践。课前，兴趣小组的学生经过预习、实验、交流、讨论，深入分析教材实验，认为实验存在以下提升空间（可优化点）：①实验反应时间较长（8—10小时），不适宜课堂教学；②有氧呼吸装置通入空气后可为酵母菌供氧，但空气中的CO可能未被完全去除，影响对反应产生的CO的检测；③教材实验为定性实验，无法对呼吸产物进行定量分析，限制了对呼吸速率变化、呼吸作用影响因素等问题的深入探究；④按照教材指导操作实验，仅能简单模拟过程，对实验变量的控制和挖掘不足，存在改进空间。教师将实验转化为项目式学习活动，有利于激发学生的学习兴趣，引导他们深度学习。（二）确定实验探究项目教学目标针对教材实验的可优化情况，笔者给兴趣小组的学生布置了一项任务——自制实验装置，以优化实验过程。为了采集实验数据，起初考虑采用集成传感器等电子设备。鉴于该实验需要观察多种物质变化，师生面临的挑战是如何在一个装置中集成多种传感器。最终，确定项目式学习活动的目标是自制用于探究酵母菌细胞呼吸方式的数字一体化教学工具。（三）科学分组，分解项目任务将大型项目细分为小型子项目并分配给不同组别的学生，不仅能有效加快项目进度，而且能让更多学生参与进来，提高他们的学习积极性和主动性，这与认知加工理论中的主动学习理念相契合。每个小组都有不同的改进方向和目标，因此，他们选择的传感器和设计的实验也会有所区别。学生分3个小组行动，分别负责相关可优化点的方案设计和实施。制订计划：按照先分散后集中的原则，3个实验小组将同时开展活动，其间可以交流和讨论，相互学习。最后，集中分析讨论，选择最优方案。第一组：针对可优化点①，改装注射器，制作“酵母菌反应及产物检测一体化反应器”，并采用高活性酵母菌作为实验材料。同时，自制小型磁力搅拌器，以便氧气与酵母菌溶液充分接触，从而加快反应速度。第二组：在第一组改进的基础上，增加一个由注射器改装的O发生装置，通过HO与FeCl的反应来制备O，为酵母菌细胞呼吸提供O，增加有氧呼吸速率，并避免空气中的CO对呼吸产物检测结果的干扰。第三组：将CO、O、乙醇和温度传感器集成到改装的注射器上，并利用第一组和第二组的装置，开展酵母菌细胞呼吸作用产物及其变化的定量检测实验，以实现深度学习。在解决问题的过程中，学生遇到了许多新的细节问题，经过不断尝试和优化，最终找到了有效的解决方案，并获得理想的效果（见表1）。学生分工协同实验，可能遇到一些棘手问题。在解决这些问题的过程中，学生的信息技术处理能力和跨学科知识融合能力会真正得到提升，从而提高综合素养。3个小组努力协作，设计了相应的反应装置。在设计过程中，笔者要求学生始终坚持节约和集约的原则，大胆创新。在笔者指导下，学生将所有传感器集成到一个装置中，制作了“探究酵母菌细胞呼吸方式的数字一体化检测装置”（如图2）。（四）开展实验，分享成果为确保实验教具的使用效果，在正式使用前需检查装置的气密性，并尝试进行实验探究。根据之前讨论的驱动性问题及其解决方案，师生将一体化实验检测装置与以下组件连接：氧气发生器、HO（双氧水）溶液容器、酒精检测装置、二氧化碳检测装置、微型磁力搅拌器、微型气泵、输液器三通阀、单向通气阀、输液器二通阀及气泵出气口，从而构成完整的一体化实验装置。1.气密性检查使用普通注射器活塞，开展相关实验活动（如图3）。第一步，开启A注射器的a阀门，吸取适量空气，确保超过e阀门的刻度线；第二步，关闭A注射器的a阀门，接着打开d和e阀门，使D、E注射器与A注射器形成连通；第三步，推动A注射器，观察D、E注射器活塞的变化，若活塞上升，则表明气密性良好；第四步，采用同样的方法，检查装置其他部分的气密性。说明：一体化实验装置分区结构组成如下。Ⅰ区：Q手机或平板电脑；R手机或平板支架。字母为部件代号，下同。Ⅱ区：A酵母菌细胞呼吸反应器（由550mL注射器改装）；B氧气发生器（由550mL注射器改装）；C双氧水溶液容器（由300mL注射器改装）；D酒精检测装置（由10mL注射器改装）；E二氧化碳检测装置（由10mL注射器改装）；F自制小型磁力搅拌器；G微型气泵；a～e输液器三通阀；f单向通气阀；g输液器开关；h输液器二通阀；i输液管改装连通器；j恒温加热器电热毯加热装置。Ⅲ区：H磁力搅拌器调速器；I气泵调速器；J简易恒温加热器控制开关。Ⅳ区：K带刻度细管（由1mL注射器和输液管改装）；L小液滴细管出气口三通阀。Ⅴ区：数字反应器（M）。Ⅵ区和Ⅶ区：N实验报告夹；O小零件盒；P注射器盒。2.定量测定首先，简易定量测定酵母菌细胞无氧呼吸速率。在不使用数字传感器的情况下，兴趣小组的学生在教具中巧妙地设计并安装了带有刻度和有色小液滴的细管。该细管与反应器的出气口连接。学生观察液滴的移动情况，可以了解反应器内气体的变化情况，从而实现对酵母菌细胞呼吸过程中气体变化的简易间接定量测定。实验原理：基于“定性探究无氧呼吸实验”，将小液滴管的左侧进气口与A注射器的右侧出气口相连。A注射器内的气体变化会推动液滴在刻度细管K中移动。由于小液滴移动的细管是由1mL注射器改装而成，液滴在刻度上的移动距离即可代表A注射器内气体体积的变化。这样，就可以对酵母菌细胞无氧呼吸过程中释放的CO量进行简单的定量测定。液滴向左移动表示A注射器内气体减少；液滴向右移动表示A注射器内气体增加。实验结果显示：20s内小液滴移动了119个最小刻度单位。每个最小刻度单位代表0.02mL的气体体积变化。因此，实验中所用酵母菌细胞在无氧呼吸过程中产生CO119×0.02mL，即2.38mL。以CO释放速率表示的酵母菌无氧呼吸速率计算为2.38mL/20s=0.119mL/s。然后，精准定量测定。利用数字传感器技术，将A注射器升级为M数字一体化检测装置，接入各类数据传感器，实时监测反应体系中二氧化碳、氧气和温度及乙醇的变化情况。操作流程如下：启动手机或平板中安装的传感器数据记录软件；激活各传感器；使用软件通过蓝牙将传感器与手机或平板相连；按照与探究酵母菌细胞无氧呼吸或有氧呼吸方式相同的步骤进行实验操作；利用软件实时监测并记录反应体系内的二氧化碳、氧气、温度和乙醇的变化情况，以实现对这些参数的定量分析。探究酵母菌细胞的无氧呼吸：第一步，准备酵母菌溶液，并将其注入F注射器中（方法1：先取下注射器，打开a阀门、关闭d和e阀门，吸取酵母菌溶液。方法2：打开a阀门，关闭d和e阀门，用另一注射器吸取酵母菌溶液，通过a阀门注入M注射器中），确保溶液液面位于e阀门刻度线以下。第二步，启动简易恒温加热器J至适宜温度。关闭a、d和e三个阀门，使M注射器密封，酵母菌开始进行无氧呼吸，此时可观察到气泡产生，推动M注射器活塞上升。第三步，反应一段时间后，调整e三通阀，使M注射器与装有溴麝香草酚蓝溶液的E注射器连通，用E注射器吸取M注射器中的气体，检测二氧化碳的产生。如果溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄，这表明酵母菌在无氧条件下呼吸，产生了二氧化碳。第四步，采用类似方法，可以使用D注射器检测酵母菌无氧呼吸反应溶液中是否产生酒精。探究酵母菌细胞的有氧呼吸：第一步，制备酵母菌溶液并注入M注射器，确保液面位于e阀门刻度线以下；启动简易恒温加热器J，调至大约35℃。第二步，在B、C注射器中分别加入适量的FeCl溶液和HO溶液。第三步，打开三通阀c，使C注射器与B注射器连通；打开三通阀a，使M注射器与气泵G的出气口相连，同时打开三通阀e，确保M注射器与外界空气流通，以便排气。第四步，通过三通阀b向B注射器中注入适量HO溶液，然后关闭三通阀b，开始生成氧气，直至B注射器的活塞上升到两个开孔之上。第五步，使用气泵调速器I启动气泵G，并调整至适当速度，气泵从B注射器中吸取氧气，由于B注射器内压强降低，C注射器中的HO溶液被吸入B注射器并与其中的FeCl溶液反应，持续产生氧气，气泵将氧气不断输送到M注射器中的酵母菌反应溶液中，实现自动持续供氧。第六步，利用磁力搅拌器调速器H启动磁力搅拌器M，并调整至适宜转速，使氧气与酵母菌溶液充分混合。第七步，随着M注射器内气体的增多，活塞被推动上移至e阀门对应的刻度线之上，气体通过e阀门、单向通气阀f排出至外部环境。第八步，经过一段时间后，调整e阀门使E、M注射器相连，E注射器中引入部分M等于注射器内的反应气体，以此检测有氧呼吸产物中是否存在二氧化碳；同样地，也可以使用D注射器来检测有氧呼吸过程中是否产生酒精。改进后的实验装置具有如下优点：制作简便，耗材经济，反应迅速，便于课堂完成，利于推广，此外还支持简易定量分析，有助于学生深刻理解呼吸作用的机制。三、认知理论引领下项目式学习与探索的成效（一）认知理论融合项目式学习促进学生自主探究在认知理论的指导下，自制用于“探究酵母菌细胞呼吸方式”的数字一体化实验装置，实现了实验数据的高效获取、分析和处理。笔者以项目式学习的模式开展教学，设置提出问题、解决问题、方案形成、实践操作、交流讨论和反思总结等环节，以兴趣和任务驱动创新，这与认知加工理论中的自主学习理念相契合。学生在这一过程中不仅体验到科学实验的乐趣，而且通过数据分析和处理，增强了处理数据和解决问题的能力，促进了深度学习和自主探索，发展了高阶思维。（二）学生参与认知加工过程提升思维能力项目实施过程中，学生分工合作，从分析教材实验、提出优化方案、制作教具、优化教具、实验探究，到分析实验结果，全过程全方位参与了信息加工活动。这不仅契合认知加工理论（强调主动学习），而且提高了学生的自我反思和批判性思维能力，加深了对知识的理解和掌握。学生在兴趣的驱动下，对实验项目相关的生物学知识进行深入思考和学习，这对生物学核心素养的培养非常有益。（三）有效构建跨