5E教學(xué)模式下高中生物虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用初探

吳嫣婷

摘 要：通過“5E”教學(xué)模式引導(dǎo)學(xué)生聚焦實(shí)驗(yàn)概念，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察，開展實(shí)驗(yàn)探究，拓展實(shí)驗(yàn)外延，多層評價(jià)實(shí)驗(yàn)，并通過真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，使學(xué)生獲得深層次的概念性理解，從而提升學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：5E教學(xué)模式；高中生物；虛擬實(shí)驗(yàn)

“5E”教學(xué)模式是一種基于建構(gòu)主義的教學(xué)模式，包括5個(gè)環(huán)節(jié)，即引入（Engage）、探究（Explore）、解釋（Explain）、遷移（Elaborate）和評價(jià)（Evaluate）[1]，該教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)教學(xué)過程要以學(xué)生為中心，重視學(xué)生的探究性活動(dòng)，強(qiáng)調(diào)通過小組合作學(xué)習(xí)促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)概念的理解和知識構(gòu)建。

虛擬實(shí)驗(yàn)指利用多媒體、3D（三維空間）虛擬仿真、VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）等現(xiàn)代信息技術(shù)，讓實(shí)驗(yàn)操作者使用鍵盤、鼠標(biāo)、VR眼鏡等設(shè)備操作虛擬儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀看微觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的過程，即虛擬實(shí)驗(yàn)是以多媒體設(shè)備為載體，在現(xiàn)代信息技術(shù)的支持下，讓實(shí)驗(yàn)者模擬、演示或觀看實(shí)驗(yàn)的一種方式。虛擬實(shí)驗(yàn)可以使實(shí)驗(yàn)操作變得更靈活，能節(jié)省實(shí)驗(yàn)操作所需時(shí)間，克服不同空間的障礙并能更好地創(chuàng)設(shè)穩(wěn)定的情境。在實(shí)驗(yàn)課上融合虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)不僅能夠提高生物課程實(shí)驗(yàn)開展質(zhì)量，還可以為學(xué)生帶來更直觀真實(shí)的實(shí)驗(yàn)感受。

筆者以高中生物人教版必修一探究實(shí)踐活動(dòng)“用高倍顯微鏡觀察葉綠體和細(xì)胞質(zhì)的流動(dòng)”為例，通過運(yùn)用“5E”教學(xué)模式與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、教材分析

本節(jié)內(nèi)容是人教版高中生物必修一第三章第二節(jié)《細(xì)胞器之間的分工合作》中的探究實(shí)踐內(nèi)容。該實(shí)驗(yàn)既是第一章第二節(jié)探究實(shí)踐“用高倍鏡觀察幾種細(xì)胞”的延伸，也是第五章第四節(jié)光合作用內(nèi)容的鋪墊。新課標(biāo)對本節(jié)課的要求是“領(lǐng)悟葉綠體散布于細(xì)胞質(zhì)中，呈綠色；活細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)處于不斷流動(dòng)的狀態(tài)”，其次位概念是“闡述細(xì)胞內(nèi)具有多個(gè)相對獨(dú)立結(jié)構(gòu)，擔(dān)負(fù)著物質(zhì)運(yùn)輸、合成與分解、能量轉(zhuǎn)換和信息傳遞等生命活動(dòng)”。形成次位概念能幫助學(xué)生更容易理解重要概念“細(xì)胞各部分的結(jié)構(gòu)既分工又合作，共同執(zhí)行細(xì)胞的各項(xiàng)生命活動(dòng)”，也是學(xué)生明晰大概念“細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)與生命活動(dòng)的基本單位”的關(guān)鍵一環(huán)。

在此之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)過高倍顯微鏡的操作，能熟練制作臨時(shí)裝片，具備一定的自主學(xué)習(xí)與合作探究的能力，能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和基本的實(shí)驗(yàn)操作。因此，將本節(jié)觀察類實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成探究性實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用5E教學(xué)模式與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，能培養(yǎng)學(xué)生多方面的生物學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、教學(xué)目標(biāo)

本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)包括運(yùn)用結(jié)構(gòu)與功能觀解釋葉綠體形態(tài)和胞質(zhì)環(huán)流的現(xiàn)象；運(yùn)用穩(wěn)態(tài)與平衡觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀闡明環(huán)境通過影響植物細(xì)胞的新陳代謝從而影響植物生長發(fā)育的生物學(xué)意義；運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理等科學(xué)思維，分析探究不同溫度對細(xì)胞質(zhì)流動(dòng)的影響的結(jié)果，自主構(gòu)建并深刻認(rèn)識胞質(zhì)環(huán)流的概念；參與探究活動(dòng)，體驗(yàn)科學(xué)研究的基本過程和科學(xué)知識的產(chǎn)生過程，培養(yǎng)科學(xué)探究能力、科學(xué)探究精神和科學(xué)探究態(tài)度；運(yùn)用環(huán)境影響胞質(zhì)環(huán)流的背景來解釋生命現(xiàn)象、解決實(shí)際問題，認(rèn)同植物細(xì)胞胞質(zhì)環(huán)流的研究價(jià)值，關(guān)注并參與社會(huì)性科學(xué)議題，形成并宣傳健康生活的理念。

對學(xué)生生物學(xué)科科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)目的主要體現(xiàn)在：其一，學(xué)生通過觀察葉綠體的形態(tài)與分布，能運(yùn)用結(jié)構(gòu)與功能觀，理解葉綠體適于進(jìn)行光合作用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)這一觀點(diǎn)；其二，學(xué)生通過對相關(guān)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象進(jìn)行分析和討論，能設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)探究不同溫度對細(xì)胞質(zhì)流動(dòng)的影響，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維與科學(xué)探究的能力；其三，學(xué)生能夠正確使用實(shí)驗(yàn)中的藥品、器具等，準(zhǔn)確完成制作葉綠體臨時(shí)裝片等實(shí)驗(yàn)操作，能夠如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，并展示交流；其四，學(xué)生能通過實(shí)驗(yàn)得知光照強(qiáng)度、溫度以及pH對細(xì)胞生命活動(dòng)的影響，從而認(rèn)識到生命科學(xué)的價(jià)值，關(guān)心環(huán)境保護(hù)的現(xiàn)狀，培養(yǎng)了社會(huì)責(zé)任感。

三、教學(xué)重、難點(diǎn)

（一）教學(xué)重點(diǎn)

1.用高倍顯微鏡觀察葉綠體的形態(tài)和分布；

2.利用虛擬實(shí)驗(yàn)探究環(huán)境溫度因素對細(xì)胞質(zhì)流動(dòng)速度的影響。

（二）教學(xué)難點(diǎn)

數(shù)碼顯微鏡的操作及虛擬實(shí)驗(yàn)的操控。

四、教學(xué)策略與實(shí)驗(yàn)資源

（一）教學(xué)策略

本節(jié)課使用的教法包括情境教學(xué)法、活動(dòng)探究法、文獻(xiàn)分析法，學(xué)生的學(xué)法包括體驗(yàn)感知法、對比反思法以及分析歸納法。整體的策略是在“5E” 教學(xué)模式下的探究學(xué)習(xí)，即引入、探究、解釋、遷移及評價(jià)。

（二）實(shí)驗(yàn)資源

1.實(shí)物資源

實(shí)驗(yàn)材料：黑藻若干，平均分成兩組，一組放在黑暗恒溫箱培養(yǎng)，一組放在有光照的恒溫箱培養(yǎng)，兩組的恒溫箱溫度及培養(yǎng)時(shí)間一致。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：光學(xué)顯微鏡、載玻片、蓋玻片、鑷子、滴管。

2.虛擬資源

中央電教館虛擬實(shí)驗(yàn)——“用高倍顯微鏡觀察葉綠體和細(xì)胞質(zhì)的流動(dòng)”的VR課件和3D交互課件。虛擬實(shí)境（英文縮寫為VR），簡稱虛擬技術(shù)，是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供用戶關(guān)于視覺等感官的模擬，讓用戶感覺仿佛身歷其境，可以及時(shí)、沒有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物。用戶進(jìn)行位置移動(dòng)時(shí)，電腦可以立即進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，將精確的三維世界視頻傳回產(chǎn)生臨場感。3D交互課件是一種利用3D技術(shù)和交互式技術(shù)制作的教學(xué)課件，不僅可以呈現(xiàn)3D立體圖像，如在生物學(xué)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)過程中可以更加形象地展示生物結(jié)構(gòu)，還可以通過交互式功能讓學(xué)生更深入地了解課程內(nèi)容，給學(xué)生提供更加生動(dòng)、豐富的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

五、教學(xué)過程

（一）情境引入，激發(fā)興趣

教師展示人工合成淀粉的資料，向?qū)W生介紹該項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)以及重大的意義和面臨的困難。

資料1：中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所一支科研團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室里首次實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成。該技術(shù)是以二氧化碳為原料，不依賴植物光合作用，直接人工合成淀粉，這項(xiàng)技術(shù)的成果是科技“向前推進(jìn)一大步”的突破，也為“細(xì)胞工廠”打開一扇窗?？梢?，未來讓人工合成淀粉的經(jīng)濟(jì)可行性接近農(nóng)業(yè)種植，需要一個(gè)艱難、持續(xù)的科技攻關(guān)過程。

教師在介紹資料后向?qū)W生提出兩個(gè)問題：1.在植物細(xì)胞中合成有機(jī)物的生理過程是什么？2.合成有機(jī)物的場所在哪里？學(xué)生先被人工合成淀粉的資料吸引，提高了學(xué)習(xí)興趣，接下來思考教師提出的問題進(jìn)行課內(nèi)知識遷移，從而回顧教材中與此相關(guān)的概念和知識點(diǎn)。

設(shè)計(jì)意圖：通過展示科技前沿的發(fā)明引發(fā)學(xué)生對人工合成淀粉的興趣，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生回顧教材所學(xué)的與農(nóng)業(yè)種植有關(guān)的生理過程以及發(fā)生的場所，引出葉綠體是進(jìn)行光合作用的場所這一概念。

（二）虛實(shí)結(jié)合，探究實(shí)驗(yàn)

1.回顧葉綠體的相關(guān)知識，進(jìn)行實(shí)操實(shí)驗(yàn)

教師通過展示葉綠體的亞顯微結(jié)構(gòu)示意圖，引導(dǎo)學(xué)生回顧葉綠體的概念、功能及形態(tài)，向?qū)W生展示顯微鏡下觀察的真實(shí)圖像，讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察到的圖像判斷細(xì)胞結(jié)構(gòu)，如細(xì)胞壁、液泡、細(xì)胞核、葉綠體；再播放實(shí)驗(yàn)的相關(guān)視頻，讓學(xué)生了解本觀察實(shí)驗(yàn)的目的、原理以及步驟，學(xué)生再利用老師所提供的兩種材料（一種是正常光照處理4小時(shí)的黑藻，另一種是在黑暗環(huán)境下培養(yǎng)4小時(shí)的黑藻）完成實(shí)操實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)兩種不同材料的結(jié)果進(jìn)行比較與思考，從而得到光照強(qiáng)度會(huì)影響細(xì)胞質(zhì)流動(dòng)的結(jié)論。

設(shè)計(jì)意圖：通過回顧葉綠體的亞顯微結(jié)構(gòu)示意圖加深學(xué)生對葉綠體結(jié)構(gòu)的印象，通過展示顯微鏡下觀察的真實(shí)圖像讓學(xué)生對接下來要觀察的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所預(yù)判，通過觀察兩種實(shí)驗(yàn)材料的葉綠體，讓學(xué)生深刻感受到細(xì)胞質(zhì)流動(dòng)的參考標(biāo)準(zhǔn)是葉綠體這一依據(jù)，同時(shí)讓學(xué)生體會(huì)到光照的存在與否會(huì)對細(xì)胞質(zhì)流動(dòng)造成影響。

2.分析光照強(qiáng)弱對葉綠體形態(tài)的影響，形成生命觀念

教師向?qū)W生展示強(qiáng)光和弱光對葉綠體的位置和分布影響示意圖，并提出問題：請大家根據(jù)圖示中葉綠體的位置與分布思考強(qiáng)光與弱光是如何對葉綠體造成影響的，而葉綠體通過改變位置和分布來適應(yīng)不同強(qiáng)度的光照的目的是什么？

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生了解葉綠體在不同光照強(qiáng)度的影響下所產(chǎn)生的積聚效應(yīng)或躲避效應(yīng)，當(dāng)在強(qiáng)光環(huán)境下，葉綠體會(huì)分散分布在細(xì)胞遠(yuǎn)離光照的位置，并用較小面積的一面面對光照，而在弱光環(huán)境下，葉綠體會(huì)集中分布在細(xì)胞接近光照的位置，并用較大面積的一面面對光照，從中意識到光照對葉綠體運(yùn)動(dòng)、分布及自身轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，進(jìn)一步感受到葉綠體的形態(tài)、分布與功能是相適應(yīng)的生命觀念。

3.問題驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表

由于當(dāng)前高一學(xué)生仍未系統(tǒng)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，教師以問題串形式逐步引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建探究實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)步驟，并設(shè)計(jì)出記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表格。問題串包括：（1）請思考細(xì)胞質(zhì)流動(dòng)對于植物體本身而言的意義是什么？（2）能否舉例說明會(huì)影響細(xì)胞質(zhì)流動(dòng)的環(huán)境因素？（3）若以溫度這一影響因素作為自變量，則應(yīng)該如何設(shè)置實(shí)驗(yàn)組？（4）如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表？

設(shè)計(jì)意圖：教師通過問題引導(dǎo)，讓學(xué)生明白細(xì)胞質(zhì)流動(dòng)能為細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)輸創(chuàng)造條件，從而保障了細(xì)胞生命活動(dòng)的正常進(jìn)行。再引導(dǎo)學(xué)生以溫度作為自變量，通過小組的討論與交流設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究環(huán)境溫度對細(xì)胞質(zhì)流動(dòng)速度的影響，在此過程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

4.利用虛擬課件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，對結(jié)果進(jìn)行記錄與分析

學(xué)生使用中央電教館虛擬實(shí)驗(yàn)資源中的VR課件與3D交互課件進(jìn)行相關(guān)虛擬實(shí)驗(yàn)操作，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄與分析。

在該環(huán)節(jié)中，學(xué)生使用VR課件和3D交互課件先點(diǎn)擊課件中的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模煜?shí)驗(yàn)材料、試劑的擺放位置后，按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。先依次制作15℃、20℃、25℃、30℃、35℃和40℃的黑藻臨時(shí)裝片，再使用顯微鏡對臨時(shí)裝片進(jìn)行觀察，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表上記錄下單位時(shí)間所觀察的葉綠體圍繞液泡進(jìn)行流動(dòng)的圈數(shù)，再對每組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較，得到單位時(shí)間內(nèi)細(xì)胞質(zhì)流動(dòng)速度的比較結(jié)果。

（三）解釋實(shí)驗(yàn)，總結(jié)匯報(bào)

學(xué)生分別通過VR虛擬課件與3D交互課件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，填寫實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表，并對得到的結(jié)果進(jìn)行比較與分析，得出結(jié)論：25℃下細(xì)胞質(zhì)的流動(dòng)速度最快。由此可知，在25℃下細(xì)胞生命活動(dòng)速率較大。而溫度是怎么對植物生命活動(dòng)造成影響呢？解決該問題時(shí)，教師向?qū)W生展示一則酶的作用原理的材料，讓學(xué)生通過閱讀材料了解到細(xì)胞絕大多數(shù)生命活動(dòng)需要酶進(jìn)行催化才得以進(jìn)行，溫度將通過影響酶的空間結(jié)構(gòu)從而影響酶的催化作用的效率，最后影響相關(guān)生命活動(dòng)的進(jìn)行，這也為后續(xù)學(xué)到酶的相關(guān)知識埋下伏筆。在此環(huán)節(jié)中，學(xué)生通過分組匯報(bào)、討論思考，能從活動(dòng)中學(xué)到知識、鍛煉能力、發(fā)展科學(xué)思維。

（四）閱讀文獻(xiàn)，拓展外延

教師向?qū)W生展示文獻(xiàn)《模擬酸雨對植物細(xì)胞質(zhì)流動(dòng)的影響》的實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表，引導(dǎo)學(xué)生分析該實(shí)驗(yàn)的自變量與因變量，并且根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論：酸雨由于pH過小，抑制了植物細(xì)胞的酶活動(dòng)，從而對植物的生命活動(dòng)有著抑制的作用。教師再引導(dǎo)學(xué)生將本節(jié)課所探究的自變量進(jìn)行總結(jié)，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)光照強(qiáng)度的強(qiáng)弱、溫度的高低及pH等環(huán)境因素都會(huì)影響植物細(xì)胞的生命活動(dòng)?，F(xiàn)實(shí)生活中，我們正面臨著種種全球性生態(tài)環(huán)境問題，如臭氧層空洞導(dǎo)致的紫外線增強(qiáng)、溫室效應(yīng)、酸雨等，這些生態(tài)環(huán)境問題都會(huì)影響植物細(xì)胞的生命活動(dòng)，甚至影響整個(gè)地球的全部生物的生命活動(dòng)。由此讓學(xué)生從生物與環(huán)境相互關(guān)系的角度去看自然界，綜合、整體地理解生物與環(huán)境之間的聯(lián)系，理解人與環(huán)境的關(guān)系，樹立人與自然和諧觀，提高學(xué)生的社會(huì)責(zé)任。

（五）多元評價(jià)，融會(huì)貫通

評價(jià)環(huán)節(jié)是指教師和學(xué)生都要作為評價(jià)者參與評價(jià)，既要評價(jià)學(xué)習(xí)的結(jié)果又要評價(jià)學(xué)習(xí)過程，從而形成比較全面的多元評價(jià)。教師讓各小組通過組內(nèi)討論交流、小組合作的方式，按照實(shí)驗(yàn)報(bào)告的基本格式完成本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，然后小組之間補(bǔ)充、修正。與此同時(shí)，教師也對各小組的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行評價(jià)。除此以外，教師再通過Ai學(xué)智慧教學(xué)平臺進(jìn)行習(xí)題布置，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的正確率結(jié)果進(jìn)行精準(zhǔn)講評。

結(jié)束語

本次課堂是“5E”（引入→探究→解釋→遷移→評價(jià)）教學(xué)模式下的探究學(xué)習(xí)，首先讓學(xué)生依托探究實(shí)驗(yàn)獲取感性認(rèn)識，然后逐步抽象概括形成理論認(rèn)知，最終構(gòu)建起對概念的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，從而高效地幫助學(xué)生獲得對生物概念的全面深入的理解，在小組合作學(xué)習(xí)中學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)水平也得到了提高[2]。利用“5E”教學(xué)模式，通過引入創(chuàng)設(shè)生活問題情境，利用實(shí)驗(yàn)提升實(shí)驗(yàn)操作能力，然后探究鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，從而拓展提高學(xué)生的生命觀念和社會(huì)責(zé)任，運(yùn)用評價(jià)鞏固核心素養(yǎng)。

在本節(jié)課教學(xué)設(shè)計(jì)中的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，教師將真實(shí)情境與虛擬情境相結(jié)合，先通過高倍顯微鏡觀察葉綠體的形態(tài)與分布，讓學(xué)生形成感性記憶。如此，在通過虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生就會(huì)把真實(shí)的情境順利遷移到虛擬的情境中。

通過中央電教館的虛擬課件，更好地創(chuàng)設(shè)了在不同溫度下細(xì)胞質(zhì)流動(dòng)的情境，合理利用虛擬實(shí)驗(yàn)突破了現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的障礙，克服了現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中溫度不能很好地保持在固有參數(shù)下的困難。

今后會(huì)從抓住課堂上生成性內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課下探究活動(dòng)，會(huì)多設(shè)置互動(dòng)環(huán)節(jié)體現(xiàn)生生交流，并設(shè)置更多具有深度的問題，以提高學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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本文系廣東省廣州市2021年教育科學(xué)規(guī)劃課題“融合人工智能技術(shù)的高中生物新教材課程的實(shí)踐研究和應(yīng)用”（課題批準(zhǔn)號：202113683）的研究成果。