數字信息化賦能科學家精神培育的生物學教學

［摘要］ 數字信息化為教育賦能提供了新的契機。研究以中學生物學教學為例，以科學家精神的培養(yǎng)為切入點，利用數字信息化創(chuàng)新教學策略：沉浸體驗神奇現象，激發(fā)好奇探究欲望；技術引入科學爭論，涵育質疑審辯思維；介入數字模擬實驗，培養(yǎng)循證推理能力；延伸科技應用思考，增強社會責任意識；重現科學探究歷程，領悟堅持創(chuàng)新精神。

［關鍵詞］ 科學家精神；數字信息化；中學生物學；循證推理

“創(chuàng)新、求實、奉獻、育人”的新時代科學家精神，是以袁隆平為代表的廣大科技工作者在長期實踐中形成的優(yōu)秀品質和行為規(guī)范。創(chuàng)新是核心，求實是根本，奉獻是本質，育人是根本，幾個方面緊密聯(lián)系，共同構成了新時代科學家精神的核心內容?？茖W家精神不僅包括嚴謹求實、勇于探索、勤于創(chuàng)新等科學精神方面的內容，還包括求真務實、嚴謹治學等科學態(tài)度方面的內容，以及淡泊名利、甘于奉獻等高尚品格方面的內容。在數字信息化時代，各類先進技術介導下的翻轉教學、沉浸學習和診斷評價，為課堂的有效教學提供了更多可能。因而，充分利用數字信息技術，賦能生物學教學中培育科學家精神的實踐探索，具有重要意義。以數字信息化技術為媒介，教師可以深度挖掘教材中的科學家精神內涵，通過沉浸式學習體驗、具象化呈現和多樣化評價等途徑創(chuàng)新教學策略?；诖耍P者在實踐嘗試中提煉出數字信息化賦能科學家精神培育的具體教學策略。

一、沉浸體驗神奇現象，激發(fā)好奇探究欲望

培養(yǎng)學生的好奇心和求知欲，是培養(yǎng)學生科學家精神的重要基礎。在教學中，教師要善于利用數字信息化手段創(chuàng)設直觀形象、生動有趣的情境，讓學生沉浸式體驗科學世界中的神奇現象。具體而言，可通過虛擬現實或地圖導覽的場景體驗，給學生展示神奇的生命科學現象，并通過追問、探究、反思等方式引導學生深化對這些現象的理解和領悟。教師要善于激發(fā)學生的好奇心和求知欲，引導學生在已有知識和經驗的基礎上，通過自主學習和合作學習等方式，經歷提出問題、猜想與假設、制訂計劃與設計實驗、實施實驗與觀察記錄、分析與解釋數據等環(huán)節(jié)，實現對科學家精神的深層次理解和具身化感悟。

例如，在“染色體的結構和功能”教學中，教師可利用數字信息化手段，創(chuàng)設“探究染色體結構與功能關系”的教學情境。首先通過展示3種不同類型染色體的照片，引導學生了解不同類型染色體的結構特點，進而引出“染色單體”的概念。再利用計算機動畫技術呈現染色體的結構和功能示意圖，讓學生直觀感受染色體的結構特點，并提出問題：染色體如何攜帶遺傳信息，如何傳遞遺傳信息？接著，利用多媒體技術播放細胞分裂和基因重組的動畫視頻，讓學生沉浸式體驗“染色單體”在細胞分裂和基因重組中的作用。

基于上述教學情境，教師引導學生通過小組合作探究的方式，收集相關實驗數據和信息，并嘗試運用統(tǒng)計圖表分析數據。比如，利用數字信息化手段設置“觀察細胞分裂過程中染色單體的變化”實驗情境，引導學生分組完成以下任務：統(tǒng)計染色體數目和染色單體個數；繪制出染色體數目和染色單體個數隨時間變化曲線圖；分析染色單體個數和染色體數目隨時間變化曲線圖。通過該教學情境的設置，學生在教師的引導下經歷發(fā)現問題、提出假設、制訂計劃與設計實驗、實施實驗與觀察記錄、分析與解釋數據等環(huán)節(jié)，經歷探究過程中的提出問題、猜想與假設等環(huán)節(jié)。在這個過程中，學生能夠發(fā)現問題，嘗試提出解決問題的方法，并學會理性地分析數據、科學地解釋數據。

二、技術引入科學爭論，涵育質疑審辯思維

質疑是創(chuàng)新的先導，是發(fā)現問題、解決問題的基礎。質疑是指在好奇心的驅使下，對已有認知和經驗的懷疑與否定，其目的在于探求新知、尋求真理。審辯是指在好奇心的驅使下，對所提出的問題進行理性思考，以找到合理的解釋。數字信息化時代，教師應當充分利用數字信息化技術手段，以問題引導學生開展科學爭論，發(fā)展學生的審辯思維。例如，可以采用Flash動畫制作的方式，融入科技論文重點段落節(jié)選，并配音介紹重現科學家探究“DNA是蛋白質還是遺傳物質”的爭論。這場爭論促使廣大科學家通過大量科學實驗，在“DNA是主要的遺傳物質”這一結論上最終達成共識。這樣看，數字化技術以其直觀、形象的表達形式，能夠帶領學生理解科學的要義，促進深度思考，發(fā)展審辯思維。

此外，采用數字信息化技術引入科學爭論，也有助于學生深刻理解科學審辯的思維邏輯，并培養(yǎng)他們對學科內容的結構化統(tǒng)整。以學習“細胞的結構和功能”為例，學生發(fā)現在細胞內部存在一種能保持細胞結構穩(wěn)定的物質——蛋白質，它與細胞內其他物質一起組成了細胞器。隨著學習的深入，為了加深學生對蛋白質構成、結構與功能的認識，可以采用“人體蛋白質來源、構成及其具體功能”的醫(yī)學科普視頻，助力學生學習，植根其系統(tǒng)觀念。再如，在學習“動物細胞有絲分裂”時，學生發(fā)現兩種不同類型的染色體發(fā)生了分離現象——減數分裂時染色體數目減半、有絲分裂時染色體數目不變。在此基礎上，教師經由微觀生物學世界的模擬視頻演示，引導學生思考——為何減數分裂的染色體數目減半，并讓學生依據視頻演示過程，標注影響數量變化的關鍵時間，然后采用“證據—推理—主張”的論證式寫作進行具體闡釋。

三、介入數字模擬實驗，培養(yǎng)循證推理能力

循證推理能力是當前國際教育改革的熱點，它強調學生應具備科學探究能力，并具備批判性思維和科學思維能力。教師可以引導學生在實驗證據、邏輯推理和理性思考等方面重點發(fā)力，從而形成對科學探究過程的深入認識，養(yǎng)成實事求是、嚴謹治學的科學態(tài)度。數字模擬實驗，是指以數字化技術為基礎，通過計算機模擬現實實驗過程中的某些環(huán)節(jié)，借助計算機強大的計算能力，按照預先設計好的程序對實驗過程中的各種因素進行自動控制，并得出正確結論的一種新型實驗形式?；跀底中畔⒒夹g的模擬實驗，可以很好地培養(yǎng)循證推理能力。教師可以在課前利用數字信息化技術，將待探究的實驗情境轉化為數字模擬實驗，引導學生在數字化模擬實驗中進行自主探究。

以“探究葉綠體色素在不同條件下的含量”為例，教師可以先設計探究實驗，要求每組學生獨立完成實驗。然后，教師在課前布置任務，讓學生自主設計實驗方案，具體包括：觀察不同溫度下葉綠體色素在細胞液中的含量；觀察不同光照條件下葉綠體色素在細胞液中的含量；觀察不同水分下葉綠體色素在細胞液中的含量。根據學生的實驗方案，教師引導學生在線上模擬的實驗系統(tǒng)中開展小組合作實驗。為了達到預期的實驗效果，可以分組進行觀察、分析、比較和思考等實驗環(huán)節(jié)。在“探究光照條件對葉綠體色素在細胞液中含量的影響”實驗中，首先由小組成員通過設置不同光照條件的變量，采用數字軟件模擬監(jiān)測葉綠體色素在細胞液中的吸光度，再結合分析結果提出假設。這樣，學生通過數字模擬實驗的探究，進一步提升自身的推理能力，更加順利地得出相應的研究結論。

四、延伸科技應用思考，增強社會責任意識

隨著科學技術的發(fā)展，生物學科技成果在生產生活中發(fā)揮著越來越重要的作用，但一些涉及生命科學和生物技術的重大科研成果往往被公眾所忽視。利用數字信息化手段，將一些前沿科技成果和科學方法引入課堂，引導學生從生命科學的角度看待科學技術的應用與發(fā)展，有助于增強學生在科技應用方面的社會責任意識。基于此，通過數字信息化手段將科技成果引入課堂就成為一種有效的教學手段。比如，教師可以借助“新視野”“希沃云課堂”等軟件，將最新的前沿科技成果和科學方法以數字化的形式引入課堂，讓學生在感受前沿科技魅力的同時，開闊視野，豐富體驗，感受到科學家勇于探索、敢于創(chuàng)新的科學精神，并增強社會責任意識。

在“光合作用的原理”教學中，教師利用數字信息化手段，將最新研究成果引入課堂，讓學生了解光合作用的本質和意義。例如，利用FineBI數字可視化軟件，將光合作用過程中酶的催化過程用圖形來呈現，并將結果與計算機模擬結果進行對比分析。在清晰的圖像和動畫中，學生可以直觀地觀察到酶的催化作用、能量轉化過程，以及分子間的相互作用力。由此，學生能夠加深對光合作用過程的認識。而在“酶的發(fā)現與應用”教學中，教師借助AutoDock軟件將酶的分子對接過程進行可視化呈現，讓學生了解酶發(fā)揮微觀作用的基本過程，培養(yǎng)學生的結構與功能觀。此外，教師還可以通過“希沃云課堂”軟件將最新的科研成果引入課堂，引導學生從科學思維、科學方法、科學態(tài)度、社會責任等方面綜合評價不同生命科學領域的研究成果，以激發(fā)學生學習生命科學的熱情。

五、重現科學探究歷程，領悟堅持創(chuàng)新精神

創(chuàng)新是科學發(fā)展的內在動力，科學家精神的核心是創(chuàng)新精神。培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神，既需要在實踐中培養(yǎng)，也需要在理論研究中培育。新時代科學家精神要求科學家具備開放的胸懷和創(chuàng)新的意識，擁有堅持不懈的探究精神。數字化時代，虛擬現實、增強現實和混合現實等技術正深刻改變著人們的學習方式和生活方式。信息技術的不斷發(fā)展為生物教學提供了更多的選擇和可能。比如，在虛擬實驗室中可以設置“生命起源”“光合作用”“拉馬克觀點的問世”“達爾文的航海旅行”“中性分子突變”等主題，采用三維動畫的形式，讓學生沉浸式體驗生物進化的歷程，從中感受生物進化的偉大和神奇。

具體來說，在“生命起源”主題中，筆者利用“希沃白板”平臺創(chuàng)建生命起源的虛擬實驗室，模擬地球早期生命誕生的過程。在虛擬實驗室中，可以看到地球早期的環(huán)境條件，如原始大氣、雷電、火山、巖漿等。通過對米勒學說中“原始湯”概念的信息技術復現，可以看到地球經歷若干年變化生成氨基酸類的化學物質，這為構成原始的細胞提供了物質基礎。同時，學生可以看到原始細胞的樣子——它是由水和蛋白質組成的簡單結構，在地球上四處游走。此外，也可以模擬原始細胞在地球上進化、分裂和死亡等過程，如原始細胞開始分裂成兩個新細胞時會發(fā)生什么，等等?？梢哉f，虛擬實驗室不僅加深了學生對生命起源的認識，而且為學生提供了沉浸式體驗的機會。并且，虛擬實驗室還可以對虛擬實驗進行二次開發(fā)，使其具有更多的拓展功能。比如，可將虛擬實驗與信息技術結合起來，引入一些開放性問題，讓學生以小組合作形式探究生命起源的奧秘。總之，虛擬實驗室重現科學探究歷程，讓學生在虛擬世界中感受生命起源的神奇，體會科學家在發(fā)現生命現象背后的原因和過程時是如何運用科學方法與科學思維進行探究的，從而深刻領悟堅持不懈與實踐創(chuàng)新的科學家精神。

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馬香華? ?江蘇省張家港市教師發(fā)展中心，高級教師。