基于大數(shù)據(jù)支撐的生物學(xué)智慧課堂

李偉

目前，智慧課堂己在部分學(xué)校深入開展和應(yīng)用。生物學(xué)智慧課堂的各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生了多維度、全方位、全程化的教學(xué)大數(shù)據(jù)。這些海量的數(shù)據(jù)分析對改進教學(xué)設(shè)計、優(yōu)化教學(xué)過程、差異化課后學(xué)習(xí)具有重要的價值?；诖髷?shù)據(jù)分析重構(gòu)高效互動、輕負高質(zhì)的生物智慧課堂，為解決傳統(tǒng)的整齊劃一、低效重壓課堂教學(xué)問題提供了參考。

1基于大數(shù)據(jù)改進智慧課堂教學(xué)設(shè)計

教師通常在進行教學(xué)設(shè)計時，往往是根據(jù)課標(biāo)要求，憑個人經(jīng)驗和理解細化生物學(xué)科知識體系，確定教學(xué)重點和難點，甚至憑經(jīng)驗設(shè)計出教師想當(dāng)然認為學(xué)生應(yīng)該感興趣的問題情境，一定程度上將課堂教學(xué)中的各種“可能”設(shè)定了框架。教師對學(xué)生實際學(xué)情的了解一般通過作業(yè)或階段考試，具有一定的滯后性。

基于大數(shù)據(jù)的智慧課堂教學(xué)設(shè)計是以學(xué)生學(xué)情大數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)分析為起點，以學(xué)定教。在教學(xué)設(shè)計進行前，教師可根據(jù)新課標(biāo)教學(xué)要求，遵循學(xué)生的認知規(guī)律，對教學(xué)內(nèi)容進行預(yù)習(xí)化設(shè)計，聯(lián)系諸多相關(guān)實際問題和學(xué)習(xí)資源，再通過智慧課堂教學(xué)平臺推送給學(xué)生。學(xué)生接受預(yù)習(xí)任務(wù)后，可在規(guī)定時間內(nèi)在智學(xué)終端自主安排學(xué)習(xí)。教師通過智學(xué)教學(xué)平臺教師端進行數(shù)據(jù)分析，了解學(xué)生的問題和關(guān)注點，再進一步進行綜合分析，結(jié)合學(xué)生的實際情況，精準(zhǔn)定位教學(xué)重點和難點，創(chuàng)設(shè)最佳問題情境，構(gòu)建有針對性的教學(xué)設(shè)計和教學(xué)策略。

例如，在“細胞的能量通貨——ATP”一節(jié)中，為構(gòu)建更有針對性的教學(xué)設(shè)計，教師可以先預(yù)設(shè)以下問題推送給學(xué)生（這些問題也可以設(shè)計成客觀題形式）：

（1）核糖、核糖核苷酸、核糖核酸之間有什么關(guān)系？

（2）能為生命活動提供能量的物質(zhì)有哪些？

（3）請嘗試進行下列有關(guān)ATP的科學(xué)探究：

①ATP熒光檢測儀已成為中國衛(wèi)生監(jiān)督和中國食品藥品監(jiān)督官方部門指定的衛(wèi)生監(jiān)督和食品安全相關(guān)的專用檢測設(shè)備。ATP熒光檢測技術(shù)基于螢火蟲發(fā)光原理，利用ATP能使“熒光素酶一熒光素體系”發(fā)光快速檢測三磷酸腺苷ATP。由于所有生物活細胞中含有恒量的ATP，所以ATP含量可以清晰地表明樣品中微生物與其他生物殘余的多少，用于判斷衛(wèi)生狀況。請結(jié)合資料進行下列實驗研究。

實驗?zāi)康模禾骄磕苁埂盁晒馑孛敢粺晒馑亍比芤喊l(fā)光的物質(zhì)。

實驗材料：螢火蟲的螢光器制成的“熒光素酶_熒光素”溶液，ATP溶液，等濃度的葡萄糖溶液，脂肪溶液，蒸餾水，A、B、C、D四支試管及其他實驗所需材料。

請寫出實驗設(shè)計思路。

②請設(shè)計實驗探究螢火蟲的螢光器發(fā)光強度和發(fā)光時間與ATP量的關(guān)系。實驗材料：螢火蟲的螢光器曬干后研磨成的粉末，ATP粉末，蒸餾水，大小相同的小燒杯若干，大小相同的試管若干，標(biāo)簽紙若干及其他實驗所需材料。請寫出實驗設(shè)計思路。

③實驗探究：結(jié)合以下背景資料和提供的實驗材料探究主動運輸消耗的能量是否由ATP提供。

背景資料：HgCl2是一種可以抑制ATP水解的物質(zhì)。將番茄在含Ca²⁺和Mg²⁺的培養(yǎng)液中培養(yǎng)一段時間，培養(yǎng)液中Ca²⁺和Mg²⁺濃度會因番茄主動運輸吸收而明顯下降。

實驗材料：A、B兩組長勢相同的含Ca²⁺和Mg²⁺培養(yǎng)液培養(yǎng)的番茄，蒸餾水，HgCl2溶液。請寫出實驗設(shè)計思路。

（4）1997年諾貝爾化學(xué)獎的一半授予了美國的保羅·博耶和英國的約翰·沃克，以表彰他們在進行ATP方面研究所取得的成就。假如你是科學(xué)家，你打算對ATP這樣一個物質(zhì)的哪些方面作出一些預(yù)期并進一步研究：

①ATP分子必須具備什么樣的特點？②ATP在細胞中的含量如何？③ATP能接受糖類等能源物質(zhì)釋放的能量嗎？……

教師分析學(xué)生課前預(yù)習(xí)的數(shù)據(jù)，可以很好地了解學(xué)生原有相關(guān)知識的掌握情況，并以此來調(diào)整課堂教學(xué)的難點。教師還可以了解學(xué)生感興趣的問題來設(shè)計本節(jié)課的問題情境，再圍繞問題情境來構(gòu)建課堂結(jié)構(gòu)進行教學(xué)設(shè)計：也可以根據(jù)大數(shù)據(jù)分析，改進教學(xué)策略和教學(xué)方法，為課堂教學(xué)以探究方式展開選擇最佳切入點，真正落實科學(xué)探究、科學(xué)思維等學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

2基于大數(shù)據(jù)優(yōu)化智慧課堂教學(xué)過程

傳統(tǒng)的教學(xué)過程對發(fā)現(xiàn)學(xué)生的共性問、題收集反饋信息具有一定的滯后性，同時師生間和生生間的交流范圍和程度都非常有限，教師得到的反饋信息也是局部的。因而教師發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵性問題有可能是片面的、盲目的。大數(shù)據(jù)可以隨時動態(tài)精確反饋學(xué)生學(xué)習(xí)情況，教師可以解決學(xué)生的共性問題，又可以合理安排適合學(xué)生自身發(fā)展的課程結(jié)構(gòu)和方法，調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)學(xué)生自身內(nèi)在需求。同時，教師還可以兼顧學(xué)生差異，強調(diào)學(xué)生間的溝通與合作、交往與共享，真正體現(xiàn)面向全體學(xué)生。

例如，在“細胞的能量通貨——ATP”一節(jié)教學(xué)中，學(xué)生討論建構(gòu)ATP的分子結(jié)構(gòu)模型時，教師往往會讓學(xué)生利用紙條、剪刀和膠帶等構(gòu)建ATP分子結(jié)構(gòu)模型，形式較為單一，教學(xué)效果一般。在智慧課堂中可以設(shè)計成活動進行推送，如圖1所示。

學(xué)生只需拖動智慧教學(xué)終端屏幕上的相關(guān)圖片，進行ATP分子結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，然后提交到智學(xué)平臺。教師利用智學(xué)平臺可以及時知道學(xué)生的思維過程和模型構(gòu)建情況。學(xué)生提交后，可以看到其他同學(xué)的模型構(gòu)建情況，實現(xiàn)互動交流。教師依據(jù)智學(xué)平臺，對教學(xué)信息進行智能化處理，實施精準(zhǔn)教學(xué)，有針對性地展示、交流，在師生和生生互動、反饋中把學(xué)生的共性問題進行充分挖掘，同時進行教學(xué)內(nèi)容的實時調(diào)整，開展有針對性的講解，進而促進學(xué)生歸納出ATP分子結(jié)構(gòu)特點，提煉結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的生物學(xué)觀點。在此基礎(chǔ)上，教師還可以進一步利用ATP的結(jié)構(gòu)模型引入ADP結(jié)構(gòu)，拓展與RNA基本單位核糖核苷酸的關(guān)系。這樣不僅加大了師生間、生生間交流的范圍和深度，也真正實現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)，充分拓展了課堂教學(xué)學(xué)生思維的時間和空間。同時，還可將教學(xué)過程中生成的問題分類儲存，為后續(xù)的教學(xué)積累數(shù)據(jù)，也可為學(xué)生的學(xué)習(xí)收藏錯題和模糊問題，建立題庫。教師還可以依據(jù)大數(shù)據(jù)反饋的學(xué)生問題的具體信息，適當(dāng)個性化推送微課、慕課等教學(xué)輔助資源，精準(zhǔn)幫助學(xué)生及時解決學(xué)習(xí)過程中沒有解決或理解的問題，提高學(xué)習(xí)效率。

基于大數(shù)據(jù)的生物智慧課堂也為滿足不同層次學(xué)生學(xué)習(xí)需求，實現(xiàn)差異化教學(xué)提供了實現(xiàn)路徑。由于學(xué)生的個體差異具有多層次性、多結(jié)構(gòu)性、多變化性等特點，教師僅靠課堂教學(xué)過程中對學(xué)生的觀察和理解，往往難以達到對學(xué)生的準(zhǔn)確診斷，因而難以實現(xiàn)對學(xué)生的推進教學(xué)。大數(shù)據(jù)分析和精準(zhǔn)及時的反饋既可解決學(xué)生共性的問題，又能精準(zhǔn)定位不同層次的學(xué)生。通過教師差異化推送不同的學(xué)習(xí)任務(wù)，滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，然后通過智學(xué)平臺進行師生互動交流，生生間合作學(xué)習(xí)，真正提高了課堂教學(xué)的實效性和針對性，在因材施教的同時實現(xiàn)學(xué)生個性化發(fā)展。

3基于大數(shù)據(jù)分析提供差異化課后學(xué)習(xí)內(nèi)容

課堂教學(xué)完成后，教師結(jié)合大數(shù)據(jù)的分析，發(fā)掘?qū)W生優(yōu)勢，針對學(xué)生個體差異，通過智學(xué)平臺，給每個學(xué)生推送“處于學(xué)生最近發(fā)展區(qū)”且學(xué)生樂意接受的具有挑戰(zhàn)意義的學(xué)習(xí)內(nèi)容，使不同水平的學(xué)生都有收獲。在課后學(xué)習(xí)內(nèi)容安排上，按照學(xué)生的實際狀態(tài)，設(shè)計靈活多樣、層次各異的生物學(xué)習(xí)內(nèi)容（包括相關(guān)實際問題的探究，個性化的思維導(dǎo)圖、復(fù)習(xí)資料以及課后習(xí)題等）供學(xué)生選擇，幫助學(xué)生鞏固和理解課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容，為學(xué)生提供更廣闊的生物學(xué)習(xí)空間。

設(shè)計有層次的課后學(xué)習(xí)內(nèi)容時考慮學(xué)生的差異，并不意味著消極被動地適應(yīng)學(xué)生的差異。教師推送的差異化課后學(xué)習(xí)內(nèi)容要力求讓所有的學(xué)生通過努力都能完成，而不會帶來過大的壓力，使每個學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能都在原有的基礎(chǔ)上得到充分的發(fā)展。

課后學(xué)習(xí)內(nèi)容可以是傳統(tǒng)紙質(zhì)的形式，學(xué)生完成后，統(tǒng)一掃描輸入智學(xué)平臺進行數(shù)據(jù)分析，也可以以電子文檔的形式推送至智學(xué)平臺，學(xué)生在智學(xué)終端完成再進行數(shù)據(jù)分析。智學(xué)平臺處理的數(shù)據(jù)分析精準(zhǔn)反饋到教師端。通過數(shù)據(jù)分析，教師可以準(zhǔn)確把握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況：時間分配上是否存在問題，各類題目上的得失分情況如何，哪些知識的應(yīng)用上存在缺陷;同時與班級其他學(xué)生進行橫向?qū)Ρ?，薄弱項目和失分較多的題型又有哪些，分析學(xué)生的知識缺陷所在，等等。這樣，教師可以及時對學(xué)生的學(xué)習(xí)進行干預(yù)，利用大數(shù)據(jù)提出精準(zhǔn)的糾錯方案。同時也為教師進一步的教學(xué)提供精準(zhǔn)的反饋信息，及時調(diào)整課堂教學(xué)的難易度及進度，進而對學(xué)生有針對性地開展課后輔導(dǎo)。教師還可以利用大數(shù)據(jù)實現(xiàn)精準(zhǔn)的教學(xué)反思，優(yōu)化自身課堂教學(xué)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析所得出的結(jié)果，改進教學(xué)方案，提升教學(xué)效果。學(xué)生不僅能即時核對答案，還能通過微課、慕課等看到不同形式的解析，同時師生間可互動交流。錯題被收藏在錯題本，方便學(xué)生錯題重做，也可分階段隨機選擇性重做。這種大數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)了對每位學(xué)生的實時跟蹤精準(zhǔn)診斷，并且還能構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，生成學(xué)生學(xué)習(xí)情況的診斷分析報告，以及學(xué)生在一定時期內(nèi)學(xué)業(yè)發(fā)展的曲線變化趨勢圖等，對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的評價更加客觀真實精準(zhǔn)。

總而言之，大數(shù)據(jù)下的高中生物學(xué)智慧課堂將大數(shù)據(jù)與課前教學(xué)設(shè)計、課堂教學(xué)、課后學(xué)習(xí)等環(huán)節(jié)深度融合。教師要充分挖掘大數(shù)據(jù)所蘊含的價值，做出基于數(shù)據(jù)的教學(xué)決策，重構(gòu)課堂生態(tài)，促進課堂教學(xué)的優(yōu)化與發(fā)展，加速教育教學(xué)改革，提高教育質(zhì)量，真正實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的教育。