數(shù)字化技術(shù)與中學(xué)生物探究實(shí)驗(yàn)整合的策略與實(shí)踐

陳錚

[摘 要]針對中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中微觀、抽象、操作困難的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容或環(huán)節(jié)，通過與數(shù)字化技術(shù)相整合的方式，有效呈現(xiàn)探究性學(xué)習(xí)情景，提供記錄思維方式的工具，展示思維過程，落實(shí)了教學(xué)重難點(diǎn)，形成了有效的數(shù)字化教學(xué)策略。通過問卷調(diào)查、評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)報(bào)告、觀測課堂反饋發(fā)現(xiàn)，數(shù)字化技術(shù)與生物實(shí)驗(yàn)的整合有利于推動(dòng)學(xué)生探究性學(xué)習(xí)，有利于學(xué)生提高學(xué)習(xí)能力，強(qiáng)化理性思維。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字技術(shù)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；整合策略

生物學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，實(shí)驗(yàn)是生物教學(xué)的重要組成部分。但中學(xué)生物中的很多實(shí)驗(yàn)對象不易獲得，或比較微觀（如細(xì)胞工程和基因工程方面的實(shí)驗(yàn)常涉及細(xì)胞和有機(jī)分子等微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)），或?qū)嶒?yàn)原理抽象，實(shí)驗(yàn)操作具有一定的技術(shù)難度。為此，有效應(yīng)用信息技術(shù)，如利用數(shù)碼技術(shù)展示顯微觀察實(shí)驗(yàn)和具有較強(qiáng)技術(shù)性、原理抽象的實(shí)驗(yàn)，更便于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理，快速掌握設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的思路與實(shí)驗(yàn)操作方法。

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)者獲得知識(shí)的過程，并不是通過教師的傳授，而是在一定情境下，在教師和同伴的幫助下，利用必要的學(xué)習(xí)資料，通過意義建構(gòu)獲得知識(shí)的過程，強(qiáng)調(diào)學(xué)生是意義的主動(dòng)建構(gòu)者[1]。數(shù)字化技術(shù)與生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整合點(diǎn)，應(yīng)是學(xué)生不容易建構(gòu)新知識(shí)的難點(diǎn)，需要教師幫助學(xué)生營造情境或制造機(jī)會(huì)，通過提供學(xué)法，搭建展示平臺(tái)等方式降低學(xué)習(xí)難度，落實(shí)重點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步探究的欲望。以下是高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中合理利用數(shù)字化技術(shù)的幾點(diǎn)方法。

一、模擬生物進(jìn)化實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生體驗(yàn)進(jìn)化本質(zhì)

生物教學(xué)中的一些宏觀實(shí)驗(yàn)，不能直接用實(shí)際生物作為實(shí)驗(yàn)材料，如高中“生物進(jìn)化”的內(nèi)容。傳統(tǒng)課堂通常用模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，由于模型的非生物屬性與生物的自然屬性有本質(zhì)區(qū)別，因此模擬實(shí)驗(yàn)往往缺少真實(shí)性，只能體現(xiàn)生物某一方面的特性，不利于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理產(chǎn)生本質(zhì)而全面的認(rèn)識(shí)。對于這種情況，可選擇利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)軟件模擬一些實(shí)驗(yàn)情景，通過豐富的圖文、視頻資料，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模擬研究，更深入地了解實(shí)驗(yàn)原理，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)方法，體會(huì)實(shí)驗(yàn)樂趣[2]。

1.基因頻率改變實(shí)驗(yàn)中多媒體技術(shù)的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)?zāi)M基因頻率的改變，需要大量不同顏色的樺尺蠖，這是難以在課堂上滿足的條件。以往，這一模擬實(shí)驗(yàn)采用不同顏色的紙片代替樺尺蠖，用彩紙作背景，但由于場地和彩紙顏色的限制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能生動(dòng)體現(xiàn)進(jìn)化的本質(zhì)。采用CAI課件創(chuàng)設(shè)情境的方法可以更好地引導(dǎo)學(xué)生探究自然選擇在生物進(jìn)化中的作用。

一是可模擬從19世紀(jì)中期到20世紀(jì)中期，英國曼徹斯特地區(qū)淺色型樺尺蠖和黑色型樺尺蠖所占比例發(fā)生劇烈變化的過程。19世紀(jì)中期長滿地衣的淺色樹干及樹干上所棲息的淺色與黑色樺尺蠖的數(shù)量比例是9∶1。用課件展示隨著英國工業(yè)的發(fā)展，工廠排出的煤煙使地衣不能生存，結(jié)果深色的樹皮裸露，樹干上棲息的淺色與黑色樺尺蠖數(shù)量比例變成了1∶9。

二是可設(shè)計(jì)模擬鳥類捕食樺尺蠖的活動(dòng)?；顒?dòng)開始，讓學(xué)生背對電腦屏幕，教師哨聲一響，學(xué)生轉(zhuǎn)身迅速找到一個(gè)樺尺蠖，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊后消失，下一次哨聲響起時(shí)，背過身去。這樣重復(fù)多次后，統(tǒng)計(jì)剩下的兩種顏色樺尺蠖的數(shù)量，記在表格中，可計(jì)算出不同環(huán)境下樺尺蠖種群的基因頻率。通過分析實(shí)驗(yàn)前后的基因頻率，就可以認(rèn)識(shí)到生物進(jìn)化的實(shí)質(zhì)是基因頻率的改變。進(jìn)化的過程很漫長，語言的描述相對抽象，而通過計(jì)算機(jī)模擬，學(xué)生直觀地感受并理解了在若干代的自然選擇中樺尺蠖基因頻率的變化。

2.研究生物進(jìn)化的歷程時(shí)多媒體技術(shù)的應(yīng)用

當(dāng)實(shí)驗(yàn)主要依靠化石證據(jù)作為研究依據(jù)時(shí)，學(xué)校也不可能提供很多真正的化石，這時(shí)，可通過數(shù)字化技術(shù)來創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境和提供研究資料，模擬科學(xué)家研究生物進(jìn)化的歷程。

如播放Discovery研究性學(xué)習(xí)立體課程軟件電影院中的《生物的進(jìn)化概述》。Discovery研究性學(xué)習(xí)立體課程是京文多媒體教育公司與美國DCI公司等多家國內(nèi)外教育文化傳播機(jī)構(gòu)合作，根據(jù)我國素質(zhì)教育的實(shí)際需求開發(fā)的一套研究性學(xué)習(xí)教材。其中包括綜合能力訓(xùn)練互動(dòng)軟件、學(xué)習(xí)體驗(yàn)VCD、教師和學(xué)生參考書，內(nèi)容涉及地理、化學(xué)、生物、物理等操作性較強(qiáng)的基礎(chǔ)學(xué)科。其中每張光盤都有一個(gè)相對獨(dú)立的探究主題，每個(gè)主題都有自己的電影院、圖書館、實(shí)驗(yàn)室等。

觀看短片后，由學(xué)生小組根據(jù)情景提出本組所感興趣的問題。教師將每組提出的問題一一列舉在黑板上，由全班學(xué)生共同分析討論其中哪些問題是大家都關(guān)心和感興趣的問題，并把這些問題確定為首要問題。經(jīng)討論得出的首要問題有：現(xiàn)在看到的各種多姿多彩的生物是怎樣形成的？生物進(jìn)化的證據(jù)是什么？生物進(jìn)化的原因是什么？恐龍是怎樣滅絕的？最后統(tǒng)一將其歸結(jié)為“生物進(jìn)化的歷程”這一探究主題。

根據(jù)學(xué)生認(rèn)知能力和自主學(xué)習(xí)能力的不同，教師可給學(xué)生發(fā)放平板電腦，讓學(xué)生利用Discovery研究性學(xué)習(xí)立體課程軟件中“化石的證據(jù)”主題進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。教師在這一過程中巡視，回答學(xué)生提出的各種問題或進(jìn)行個(gè)別輔導(dǎo)，并鼓勵(lì)學(xué)生積極探索、克服困難。每個(gè)學(xué)生要獨(dú)立地把各自獲得的知識(shí)進(jìn)行小結(jié)，將自己所學(xué)習(xí)到的知識(shí)按一定的邏輯關(guān)系理清脈絡(luò)、形成一定的知識(shí)構(gòu)架，再依照自己的思路制作PPT文件，并將文件通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)與其他同學(xué)共享。學(xué)生之間將對彼此的研究結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)或提出疑問，再根據(jù)班級(jí)內(nèi)交流的結(jié)果，進(jìn)一步修改自己PPT中不準(zhǔn)確或需要改進(jìn)的地方。本著資源共享的原則，學(xué)生可以自由選擇保存其他同學(xué)的PPT，可以補(bǔ)充到自己的作品中，整合成一份更完善的研究成果。

數(shù)字化技術(shù)為生物課堂教學(xué)開辟了一個(gè)新的發(fā)展空間，如使生硬的化石資料變得生動(dòng)活潑，使每個(gè)學(xué)生都能自由獲取信息，通過數(shù)字資料可以看化石，也可以看復(fù)原圖，更可以自主比較古生物的特點(diǎn)，形成生物進(jìn)化的觀點(diǎn)。同時(shí)，此過程也是模擬研究科學(xué)家不斷發(fā)現(xiàn)問題，收集整合資料，思考解決問題的方法，最終得到結(jié)論的過程。

可見，利用信息技術(shù)創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境帶來的直接效果是，針對一些宏觀實(shí)驗(yàn)，能夠最大化地還原科學(xué)研究過程，讓學(xué)生在不知不覺中投入其中，更真切地體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程，感受探究的樂趣，不斷深化對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，逐漸形成理性思維，提升分析問題和解決問題的能力[3]。

二、數(shù)碼設(shè)備應(yīng)用于生物實(shí)驗(yàn)，

提高實(shí)驗(yàn)課的實(shí)效性

受實(shí)驗(yàn)條件所限，有一些生物實(shí)驗(yàn)并不能讓全體學(xué)生同時(shí)操作；還有些實(shí)驗(yàn)的過程步驟較多，若完全用語言敘述，比較繁瑣，學(xué)生難以理解和識(shí)記，在操作過程中容易出現(xiàn)前后順序顛倒等失誤，造成實(shí)驗(yàn)失敗。為此，筆者曾經(jīng)嘗試用視頻演示實(shí)驗(yàn)步驟，但是視頻演示過程較快，也不利于學(xué)生操作時(shí)參考。最終，課題組通過研究發(fā)現(xiàn)：以圖代說，將實(shí)驗(yàn)步驟拍照，自制成實(shí)驗(yàn)流程示意圖展示出來，能讓學(xué)生一目了然，大大提升了實(shí)驗(yàn)的成功率。

1.以數(shù)碼相機(jī)記錄實(shí)驗(yàn)過程，自制實(shí)驗(yàn)流程示意圖

組織學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，利用數(shù)碼相機(jī)記錄實(shí)驗(yàn)過程，按照實(shí)驗(yàn)步驟，做成視頻或幻燈片，然后在班級(jí)中利用視頻展示真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程，對于實(shí)驗(yàn)中遇到的問題、困難以及沒有解決的問題，可以在班級(jí)中共同討論，探究解決辦法。

例如，在初中生物“探究不同魚鰭的作用”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，一個(gè)小組的學(xué)生不可能通過實(shí)驗(yàn)探究所有魚鰭的作用，所以實(shí)驗(yàn)分組進(jìn)行，每個(gè)組對某一種魚鰭的作用進(jìn)行探究，捆綁固定某個(gè)魚鰭后放在水里，觀察魚游泳的姿態(tài)，同時(shí)利用數(shù)碼相機(jī)錄下每組的實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后回放，全班學(xué)生共同討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。這使每個(gè)組的學(xué)生不只能看到自己組的實(shí)驗(yàn)，還能看到其他組的實(shí)驗(yàn)，對完整的實(shí)驗(yàn)有了更全面的了解，增加了實(shí)驗(yàn)的有效性和科學(xué)性。

2.以數(shù)碼顯微設(shè)備直接展示觀察對象，提高觀察實(shí)驗(yàn)的實(shí)效

在初中生物實(shí)驗(yàn)中，觀察實(shí)驗(yàn)相對較多，尤其是觀察單細(xì)胞生物時(shí)，有些學(xué)生因顯微鏡操作不熟練而找不到清晰的物像，或者不能辨別出要觀察的對象，這時(shí)就會(huì)很著急，越急越慌亂，越是觀察不到結(jié)果。有的學(xué)生甚至離開座位去看其他同學(xué)的顯微鏡物像，課堂秩序混亂，觀察效果也不理想。針對這種情況，教師利用數(shù)碼顯微鏡，將裝有觀察對象臨時(shí)裝片的物像投影出來，清晰的物像很快就吸引了這些學(xué)生的注意。他們明確了實(shí)驗(yàn)對象的真實(shí)特點(diǎn)以后，再次投入到觀察實(shí)驗(yàn)中，循著目標(biāo)找物像，成功率就大大提高了。

在高中生物“植物的質(zhì)壁分離及復(fù)原”實(shí)驗(yàn)中，利用數(shù)碼顯微設(shè)備直接投影的效果也非常顯著。學(xué)生參照投影，就能很快找到觀察對象，并且也便于學(xué)生更直觀地感受到洋蔥外表皮細(xì)胞作為實(shí)驗(yàn)材料的優(yōu)越性，意識(shí)到適宜的實(shí)驗(yàn)材料對實(shí)驗(yàn)成功的重要意義。

三、結(jié)語

信息技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)方式、教師教學(xué)方式和師生互動(dòng)方式的變革，信息技術(shù)的優(yōu)勢為學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展提供了豐富多彩的教育環(huán)境和有力工具[4]。通過問卷調(diào)查、評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)報(bào)告、觀測課堂反饋發(fā)現(xiàn)，數(shù)字化技術(shù)與生物實(shí)驗(yàn)的整合有利于推動(dòng)學(xué)生探究性學(xué)習(xí)，有利于學(xué)生提高學(xué)習(xí)能力，強(qiáng)化理性思維，發(fā)展學(xué)科素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]張榮華.信息技術(shù)與中學(xué)生物課程集散式整合途徑探討[J].中國電化教育，2012（11）：117-134.

[2]陳冬梅.構(gòu)建專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站踐行高效生物課堂[J].科學(xué)教育，2010（2）：65-66.

[3]陳宏冬.淺談信息技術(shù)環(huán)境下現(xiàn)代化生物實(shí)驗(yàn)儀器的使用——例談數(shù)碼生物顯微鏡在高中生物實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用[J].文理導(dǎo)航，2013（3）：49.

[4]胡慶芳.課例研究，我們一起來：中小學(xué)教師指南[M].北京：教育科學(xué)出版社，2011.

（責(zé)任編輯 郭向和）