大數(shù)據(jù)在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用

戴國(guó)金

[摘要]隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，這在很大程度上改變了高中生物的教學(xué)方式。在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師創(chuàng)新應(yīng)用大數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)的作用，可為學(xué)生營(yíng)造良好的學(xué)習(xí)氛圍，引導(dǎo)學(xué)生積極參與實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]大數(shù)據(jù)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；高中生物

[中圖分類號(hào)]G633.91[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]16746058（2018）05008502

在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展的時(shí)代背景下，大數(shù)據(jù)逐步覆蓋各個(gè)領(lǐng)域。2012年10月，美國(guó)教育部門正式宣布大數(shù)據(jù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域。2015年，我國(guó)在啟動(dòng)的“公共服務(wù)大數(shù)據(jù)工程”中也正式提出應(yīng)建設(shè)“教育大數(shù)據(jù)”，利用大數(shù)據(jù)來(lái)促進(jìn)教育發(fā)展。當(dāng)前，以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的“實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)”正在被開發(fā)與應(yīng)用，通過信息技術(shù)的手段管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)的模式開始普及，勢(shì)必會(huì)改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。生物作為一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在生物課堂教學(xué)中占據(jù)著重要地位。本文以人教版高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，重點(diǎn)探究大數(shù)據(jù)的創(chuàng)新應(yīng)用。

一、大數(shù)據(jù)的概念與特征

大數(shù)據(jù)是先進(jìn)科學(xué)技術(shù)、數(shù)據(jù)對(duì)象與應(yīng)用方式三者的統(tǒng)一?；诳茖W(xué)技術(shù)的角度分析，大數(shù)據(jù)是不同類型數(shù)據(jù)中，快速獲取有應(yīng)用價(jià)值的信息的技術(shù)及其集成；基于數(shù)據(jù)對(duì)象的角度分析，大數(shù)據(jù)是指其大小已經(jīng)超出普通數(shù)據(jù)庫(kù)軟件收集、存儲(chǔ)、管理、分析等基本能力的集合；基于應(yīng)用方式的角度分析，大數(shù)據(jù)是對(duì)指定大數(shù)據(jù)集合應(yīng)用的技術(shù)，主要目的在于獲取具有明顯價(jià)值的數(shù)據(jù)。因此，大數(shù)據(jù)不單單是技術(shù)手段，也是一種新型思維方式，即從多維度、多層次去處理、分析數(shù)據(jù)。

維克托·邁爾-舍恩伯格（Viktor Mayer-Schonberger）指出：大數(shù)據(jù)可處理的信息量已經(jīng)超出普通電腦在處理數(shù)據(jù)信息時(shí)可使用的內(nèi)存量，即大數(shù)據(jù)是一種新型的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，無(wú)須借助傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表格，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也更為分散、復(fù)雜。此外，大數(shù)據(jù)一般都隱藏著巨大信息量，其數(shù)據(jù)價(jià)值較大，且具備以下特征：①信息量巨大（這是大數(shù)據(jù)最關(guān)鍵、最基本的特征）；②信息增長(zhǎng)速度快，可以為數(shù)據(jù)分析提供原始素材；③收集、表述信息資源的形式多種多樣；④應(yīng)用價(jià)值較高。

二、高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題

生物學(xué)科作為高中教育的重要組成部分，直接影響著學(xué)生綜合素養(yǎng)的形成。受傳統(tǒng)教學(xué)模式的影響，當(dāng)前高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中仍存在較多的問題，具體有：（1）生物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有待改進(jìn)與優(yōu)化。從人教版高中生物教材內(nèi)容來(lái)看，雖然在一定程度上突出了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的地位，但通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果并不令人滿意，體現(xiàn)在：（1）生物實(shí)驗(yàn)操作較為復(fù)雜、困難，如“觀察RNA和DNA在細(xì)胞中分布實(shí)驗(yàn)”；（2）生物實(shí)驗(yàn)器材、原材料安排有安全隱患，如“綠葉中色素提取與分離”實(shí)驗(yàn)中的“苯”含有劇毒，此類因素都有可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，從而打擊學(xué)生實(shí)驗(yàn)的信心與積極性；（2）缺乏良好的生物實(shí)驗(yàn)組織安排，從實(shí)際情況來(lái)看，生物實(shí)驗(yàn)的人數(shù)通常超過50人，且學(xué)校生物模型、標(biāo)本等實(shí)驗(yàn)器材并不齊備，學(xué)生需要共用或者輪流使用儀器，很大程度上降低了實(shí)驗(yàn)的有效性；（3）教師未重視實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，大多數(shù)教師都僅要求學(xué)生完成生物實(shí)驗(yàn)報(bào)告，或者通過相應(yīng)的題目來(lái)測(cè)試學(xué)生，而忽略了對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的態(tài)度、完成情況的評(píng)價(jià)，這直接影響到學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性。

三、大數(shù)據(jù)在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用

將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的常見問題，綜合考慮學(xué)生的個(gè)性特征、教學(xué)目標(biāo)等因素，通過大數(shù)據(jù)了解學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的看法，并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，從而激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，引導(dǎo)學(xué)生全身心參與到實(shí)驗(yàn)探究過程中，提升生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。

1.優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在生物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段

，教師應(yīng)

融合大數(shù)據(jù)技術(shù)深度加工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以大數(shù)據(jù)中收集、儲(chǔ)存、管理的能力為基礎(chǔ)，獲取更加準(zhǔn)確、真實(shí)的實(shí)驗(yàn)資源以及需求報(bào)告，再改進(jìn)基于特定實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街薪處熞揽孔陨斫?jīng)驗(yàn)進(jìn)行生物實(shí)驗(yàn)的方法。以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)生物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可讓生物實(shí)驗(yàn)變得更加科學(xué)、客觀。

例如，在做“用高倍顯微鏡觀察葉綠體和線粒體”實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師利用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析實(shí)驗(yàn)原材料特征、實(shí)驗(yàn)原材料獲取難易度等信息，其具體結(jié)果為：（1）實(shí)驗(yàn)原材料特征：高等綠色植物的葉綠體均存在于葉片中，無(wú)須染色就可通過高倍顯微鏡觀察，因此，其實(shí)驗(yàn)材料可選擇蘚類葉片（黑藻葉等）或者菠菜葉下表皮，并配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的健那綠染液；（2）實(shí)驗(yàn)原材料的獲取難易度：通過大數(shù)據(jù)來(lái)分析學(xué)生生活中常見的實(shí)驗(yàn)材料，依據(jù)最好隨處可見且學(xué)生熟悉、節(jié)約成本、材料價(jià)格低廉等標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)選擇“黑藻葉”“質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的健那綠染液”為原材料；（3）實(shí)驗(yàn)原材料的地方性和季節(jié)性：教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生所處區(qū)域的外部環(huán)境條件，如氣候、光照、溫差等，選擇恰當(dāng)?shù)脑牧?。從?shí)驗(yàn)在教材中的安排來(lái)看，“用高倍顯微鏡觀察葉綠體和線粒體”這一實(shí)驗(yàn)通常在秋冬季節(jié)進(jìn)行，因此不可選擇夏季才有的原材料。

2.優(yōu)化實(shí)驗(yàn)組織

教師可依托大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)學(xué)生的基本情況（年齡、性別、興趣愛好、認(rèn)知特征、知識(shí)掌握情況、學(xué)習(xí)習(xí)慣等）進(jìn)行了解，然后對(duì)其進(jìn)行聚類分析，再根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，安排好學(xué)生生物實(shí)驗(yàn)的分組，再給出不同層次的實(shí)驗(yàn)要求，合理優(yōu)化生物實(shí)驗(yàn)組織，讓學(xué)生根據(jù)自身的情況有效探究生物知識(shí)。

例如，在進(jìn)行“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師可借助大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)學(xué)生的情況進(jìn)行分析，然后依據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果將學(xué)生分為三個(gè)小組，即基礎(chǔ)組、提升組和優(yōu)秀組?；A(chǔ)組學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)較為薄弱，教師可要求他們根據(jù)教材安排，初步掌握探索酶的催化效率方法，自主觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并記錄。提升組學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)較為牢固，但其學(xué)習(xí)方法不太不科學(xué)，教師可要求他們?cè)谶M(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)思考：無(wú)機(jī)催化劑氯化鐵溶液中的Fe3+和過氧化氫酶都可使過氧化氫分解為水、氧，那么在相同條件下，與Fe3+相比，過氧化氫酶催化作用的特征是什么？通過問題來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的良好學(xué)習(xí)習(xí)慣。優(yōu)秀組學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)掌握牢固，且對(duì)實(shí)驗(yàn)有自己的想法，教師應(yīng)給予他們充分的思考空間，促使他們自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，有效開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。

3.輔助實(shí)驗(yàn)建設(shè)與評(píng)價(jià)學(xué)生

學(xué)校在利用大數(shù)據(jù)技術(shù)建設(shè)生物實(shí)驗(yàn)室時(shí)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)更新、改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，最大限度地推進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的數(shù)字化進(jìn)程，如果無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)字化，建議使用圖像分析、人工智能等技術(shù)，增強(qiáng)其與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)交換能力。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行跟蹤、分析和處理，對(duì)學(xué)生進(jìn)行多層次、全方位的評(píng)價(jià)，讓學(xué)生感受到來(lái)自教師的關(guān)心，提升生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。

綜上所述，大數(shù)據(jù)技術(shù)作為促進(jìn)教育發(fā)展的重要力量，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的數(shù)據(jù)利用途徑。作為生物教師，應(yīng)將高中生物教學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，創(chuàng)新生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與組織，引導(dǎo)學(xué)生自主動(dòng)手獲取準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而提升學(xué)生的動(dòng)手操作能力和探究能力，增強(qiáng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)。同時(shí)，大數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)、挖掘、可視化等先進(jìn)功能，可有效打破傳統(tǒng)教學(xué)模式的限制，因此教師應(yīng)結(jié)合學(xué)生的個(gè)性特征，借助大數(shù)據(jù)技術(shù)合理優(yōu)化生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)，從而最大限度地提升生物教學(xué)質(zhì)量。

（責(zé)任編輯黃春香）