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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