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深度学习理论在植物生理学教学改革中的应用与实践

2023-12-22 57 上传者：管理员

摘要：国家一流本科课程建设是国家一流专业建设的基础，是新农科建设的重要组成部分，在新农科建设的大背景下，推动传统农业人才培养模式的改革与创新势在必得。一流课程建设推进植物生理学课程教学改革，深度学习理论提出学生高阶思维能力的培养，引导学生有效学习，形成积极的内在学习动机，对知识的深层次理解、构建、反思和迁移，解决具体复杂问题。在植物生理学教学改革过程中应用深度学习理论，秉承以学生为中心的教育理念，构建以任务为导向的教学模式，致力培养学生高阶思维品质，树立为农业发展做贡献的信心。让学生通过具体的农业生产问题身临其境运用知识解决具体农业问题，真正做到学以致用，最终实现学生深度学习。

关键词：
主动学习
任务导向
植物生理学
深度学习
高阶思维能力
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随着国家高等教育改革的深入，陈宝生同志在写好高等教育“奋进之笔”报告中明确指出高校必须立足当下、着眼未来，抓紧培养能够适应和引领国家发展、担当民族复兴大任的一代新人，旨在培养拔尖创新人才和复合应用型人才[1]。随着知识经济的迅猛发展，碎片化、浅层化的学习已经不能满足当下时代对人才培养的需求，未来人才培养方向将着重培养学习者具备对知识深层理解和创新、迁移和应用的能力，能够主动思考并深层理解，为终身学习打下基础[2]。本研究基于深度学习理论响应习近平总书记对高等教育高质量发展的推进和教育部的相关部署，探索在植物生理学原有知识体系的基础上实现教学内容重构：将教材中11个章节，凝练成9个教学内容，由拓展任务导入，提高学生的主动学习能力。从农业生产的具体问题出发，构建拓展学习任务，牵引教学内容重点和难点。融入科学的价值观、职业道德、思维方法，培养学生团队合作意识和沟通能力；养成理论联系实际的学风和实事求是的严谨科学的工作作风；树立“知农爱农”情怀、“强农兴农”社会责任感和使命感。

深度学习是与浅层学习相对应，是在教学中学生积极参与、全身心投入、获得健康发展的有意义的学习过程[3]。具体来说，深度学习是在教师引领下，学生围绕具有挑战性的拓展任务，全身心积极参与并获得发展的有意义的学习过程[4]。学生掌握学科的核心知识并把握学科的本质，形成积极的内在学习动机、正确的价值观，成为未来社会的历史实践的主人[5]。同时深度学习也是一种主动的、探究式的、理解性的学习方式，要求学习者进行理解性的学习、深层次的信息加工、具有批判性的高阶思维和有效的知识迁移并解决具体实际问题的能力[6]。深度学习理论基础包含建构主义理论、情境认知理论和元认知理论。建构主义核心观点强调知识是由认知主体主动建构而不是被动吸收，强调学习者在已有知识基础上对概念进行主动建构，充分发挥学生主观能动性，形成自己的认知结构体系。情境认知理论的核心观点强调学习应当在一定的社会和自然条件下进行，学习是人与环境中的知识交互作用的过程。学习者需要在情景中建立并掌握所学的知识，并把所学的知识应用到实际问题中，强调对复杂问题的求解，学习者在原有的知识和经验的基础上，把新知识转化到特定问题中并解决问题。元认知理论强调学习者要对学习进行反思，由元认知知识、元认知体验和元认知监控3部分组成。元认知知识是指学习者对相关信息的理解，元认知体验是指学习者在认知的过程中，不仅强调知识的理解还关注自身的情绪和体验，元认知监控是指学习者对自己学习过程的有效监控和调节[7]。深度学习强调要达到对知识的深层次理解，对自我学习过程的反思和调整，是一种高阶思维活动，强调学习者对知识的认知、构建、反思和迁移，建立在描述性知识和程序性知识的基础上，对知识进行重构，并对复杂问题进行解决[8]。

植物生理学课程立足我国现代农业发展需求，服务新时代“三农”与“新农科”发展。坚持立德树人，以学生为中心、以农业实践任务为导向、解决农业生产问题为核心，理论与实践并重，不断完善协同育人和实践教学机制，始终“围绕学生、关照学生、服务学生、成就学生”，实现一流本科教育建设的基本目标，为培养既能“顶天”又能“立地”的农业人才和符合国家一流本科专业的人才培养体系提供重要支撑，该课程也是农学专业人才培养的专业基础课和研究生入学考试的必考课，是培养学生科研素养和衔接专业课的重要课程。为进一步提高该课程的教学质量，很多高校对植物生理学教学方法、教学模式等方面进行很多改革，成效卓著[9,10,11,12,13]。但基本也局限于新的教学手段方法的应用，局限在部分章节的改革。而本研究基于深度学习理论在植物生理学教学中应用，构建了以任务为导向的教学新模式贯穿整个植物生理学课程改革，培养学生高阶思维能力，引导学生有效学习，教学成果显著。

1、深度学习理论解决课程与教学改革的重点问题

1.1 以学生为中心

原有的课程设计是学生被动地接受知识讲授，在深度学习理论指导下，课程改革后在老师的带领下，真正内化于已有的认知结构中，从而能够灵活地提取、迁移、运用概念于实际的情境问题中，带着具体的植物生理学任务解决具体问题而形成主动去探究知识的新学习模式，形成积极的内在学习动机。

1.2 任务导向学习

在深度学习理论指导下，基于情境认知理论，学习者需要在情景中建立并掌握所学的知识，并把所学的知识应用到实际问题中，强调对复杂问题的求解，具体实践过程中学生围绕具有挑战性的拓展任务，从植物生长发育过程中和农业生产实践中的具体问题出发，构建拓展学习任务，深化学科的核心知识并把握学科的本质，培养学生成为独立性、批判性、创造性又有合作精神、基础扎实的优秀的学习者。

1.3 科研素养训练

深度学习理论引导学生主动用前沿创新知识设计综合性实验，探究并验证植物生长状态，应用所学理论知识到具体生产实际问题中，培养学生具有批判性高阶思维能力、有效的知识迁移并解决具体实际问题的能力。

2、课程教学内容及组织实施情况

2.1 课程教学目标

基于深度学习理论，实现了学生主动积极学习，具备解决生产实践中的具体问题能力，培养了学生学农的热情和为农业服务的兴趣。依据布鲁姆教育目标分类，从知识、能力、情感3个维度完善教学目标。知识目标包括记忆植物生理学基本概念；阐明植物生长发育规律及代谢机制、植物对环境的响应机制；解释植物发育过程的分子机制；归纳植物的生长发育与环境响应及内部生理机制变化，以及植物与环境间信号传递的方式。能力目标包括运用知识解决植物生理学不同现象；应用生理代谢变化剖析植物生长过程；通过各项生理指标评价植物生长状态，具备调控植物生长发育的能力；具备用植物生理学知识解决现代农业复杂问题的能力。情感目标包括培养团队合作意识和沟通能力；养成理论联系实践的学风和实事求是的学习态度；树立“人与自然”和谐统一的自然科学辩证观。通过学生对知识目标的自主学习，小组间合作完成任务实现能力目标，最终实现探究式情感目标。

2.2 课程教学内容

在深度学习理论指导下，课程教学内容通过重构，以生产实践中的真实问题为导向，以9个专题拓展学习任务牵引9部分理论教学内容，并通过综合性实验验证探究植物生长发育与环境变化的关系。九大理论教学内容涵盖植物生理学的四大模块：植物代谢生理、生长发育生理、植物信号传递和植物逆境生理；综合性实验包括实验室内综合设计不同逆境对植物的影响，通过生理指标的测定来评价逆境对植物的伤害，在实践中用科研实验思维来设计方案解决实际问题。教学内容逻辑：整个教学过程中以宏观认识植物生长“认识植物的一生”到微观阐明植物的生理代谢过程及外界环境影响产生的生理代谢变化“解释植物的一生”，最终通过实验的验证和探究实现“评价植物的一生”逻辑思维过程，贯穿于四大模块知识（图1）。

图1 植物生理学教学内容（拓展任务牵引教学内容）

2.3 组织实施情况

课前：在理论教学内容前布置小组拓展任务，小组通过查阅资料、视频教学、形成汇报材料完成任务。

课上：小组以PPT形式进行拓展任务汇报；教师根据学生任务完成情况，组织讨论、讲解重点难点知识及涉及的前沿知识，促进学生对知识的理解和掌握。

实验实践：引入科研思维开设综合实验，小组通过方案设计、材料培养、不良环境处理、测定生理指标及撰写实验结果报告，到实践基地观察作物在不良环境下生长发育状态并设计评价植物生长的实验技术方案。形成以小组合作学习为中心，课前探究让学生发现问题，课上学习让学生学会用科研的思维设计实验方案来解决问题，形成“拓展学习-汇报展示-分组讨论-案例教学”的模式，培养“发现问题-研究方法-生理机制-实践应用”的思维逻辑体系，学会总结提升并理解农业科研的复杂性，激发学生强农兴农的使命感和责任感。

提供学生理论联系实践基地，一方面把教师科研解决问题实践及科学前沿引入课堂，启发学生农业科学研究既要“顶天”也要“立地”，真正把论文写在大地上。同时让学生开拓视野，增加对未来从事农业研究的信心，课程教学中通过合理施肥加强学生生态文明教育，引导学生树立和践行绿水青山就是金山银山的理念。通过优秀校友推进农业发展做出的贡献激发学生的“大国三农”情怀，引导学生以强农兴农为己任，“懂农业、爱农村、爱农民”，树立把论文写在祖国大地上的意识和信念，增强学生服务农业农村现代化、服务乡村全面振兴的使命感和责任感，培养知农爱农创新人才。

2.4 课程成绩评定方式

课程采用过程性评价考核的方式，整个学习过程中建立学生“成长档案袋”，收集学生对每个过程的认知情况，以思维导图形式呈现，培养学生逻辑思维能力，由讨论日志（5%）、任务完成汇报（10%）、作业及平时测试（10%）、综合性实验（15%）和期未考试（60%）组成。

3、课程评价及改革成效

3.1 课程评价

以任务为导向教学设计培养学生解决复杂农林问题的能力，课程建设起点高。改革成效明显，学生满意度提升，自主学习能力增强，理论应用实践能力增强，学生评教成绩98.41分；教学模式得到同行认可，督导评价优秀。

3.2 改革成效

课程建设与时俱进，立足中国特色现代农业发展需求，服务新时代“三农”与“新农科”发展，建立完善的线上教学资源，通过线下和线上教学模式相结合，完善了过程性考核评价系统，实践了三全育人的教学效果，达到立德树人培养要求。学生综合能力显著提升，自主学习能力增强，学生综合能力显著提升，就业、升学率显著提高。近年参加国家级创新创业训练项目6项，省级创新创业项目10项，学生获全国农科学子创新创业大赛全国一等奖1项，“互联网+”大赛省级金奖1项，“创青春”中国青年创新创业大赛等奖项4项。教师参加国家级省级讲课大赛获奖和申报省级各种教课课题多项，发表教改论文10余篇。于2020年评为首批国家一流本科课程，于2021年，被评为吉林省本科高校精品在线开放课程。

4、结束语

本研究应用深度学习理论构建了任务为导向的教学新模式，完成具有挑战性的学习任务、以解决问题为核心的教学新模式。通过一系列体验参与式和互动式教学活动，从拓展任务到课堂教学再到实验实践均以学生主动学习为导向，改变传统填鸭式教学被动学习的局面，形成理解并具有批判性思维的学习过程。通过课程综合性实验实践，完善了学生科研素养训练体系。将学生能力与情感训练有机融入教学，培养学生综合素质。小组合作学习培养团队合作精神，共同完成拓展任务培养解决问题的方法和能力，课堂的高阶科研内容讨论培养学生的学习能力和创新能力，能够运用知识和方法创造性地解决问题，形成积极的内在学习动机，真正实现了深度学习理论在植物生理学教学应用，完成了植物生理学理论知识和实践的结合，实现了学生高阶思维方式的培养，培养学生社会责任感和正确的价值观，推进农学专业创新型人才培养模式的改革与探索，为乡村振兴和农业现代化建设提供强有力的人才支撑和科技保障。

基金资助:吉林省教育科学“十四五”规划2022年度一般课题(GH22083);吉林省高教科研课题(JGJX2021D143,JGJX2021D128);吉林省教育科学规划课题(WT2101);吉林农业大学校级教研课题(2017XJZD15);

文章来源:王欢,武志海,魏晓双.深度学习理论在植物生理学教学改革中的应用与实践[J].智慧农业导刊,2023,3(24):12-15.