例析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)賦能高中生物科學(xué)思維能力的提升

摘 要：“ 人工智能+行動” 教育創(chuàng)新背景下，將基于人工智能的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于高中生物課堂，可以有效的彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的不足。在高中生物教學(xué)中，培養(yǎng)并提升學(xué)生的科學(xué)思維能力是課程標(biāo)準(zhǔn)中極為重要的內(nèi)容。文中借助“ DNA 的結(jié)構(gòu)” 教學(xué)實(shí)例，說明虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)賦能高中生物科學(xué)思維能力提升的具體實(shí)施路徑。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);科學(xué)思維;高中生物

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

2023 年5 月29 日習(xí)近平總書記在中共中央政治局第五次集體學(xué)習(xí)時(shí)提出“人工智能+行動”是教育創(chuàng)新的機(jī)遇，能夠加快建設(shè)教育強(qiáng)國。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR）是一種通過計(jì)算機(jī)技術(shù)生成模擬環(huán)境，使用戶能夠沉浸其中并與之進(jìn)行交互的技術(shù)，為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等多種感官體驗(yàn)，使用戶仿佛置身于一個(gè)真實(shí)的或虛構(gòu)的三維環(huán)境中[1] 。基于人工智能算法搭建起來的新一代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使其交互性和自主性的特征更為突出。

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 修訂）》（簡稱“標(biāo)準(zhǔn)”）明確提出“科學(xué)思維是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物、解決實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力。”同時(shí)“標(biāo)準(zhǔn)”中也強(qiáng)調(diào)“ 學(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)過程中逐步發(fā)展科學(xué)思維，如能夠基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律， 審視或論證生物學(xué)社會議題?！盵2]

高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)中共有10 個(gè)大概念，其中8 個(gè)大概念是分子、細(xì)胞微觀水平，如細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、細(xì)胞分裂過程、基因的復(fù)制與表達(dá)、PCR過程、基因工程等，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中很難在已知生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)的基礎(chǔ)上運(yùn)用歸納、概括以及建模等方法闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，進(jìn)而阻礙科學(xué)思維的發(fā)展。根據(jù)多元智能理論[3] ，在學(xué)生合理認(rèn)知負(fù)荷下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能化抽象為具象，這樣“身腦并用”的學(xué)習(xí)方式使學(xué)生獲得更加直觀、深刻的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，學(xué)習(xí)效果更佳。

本文圍繞人教版高中生物學(xué)必修2“基因的本質(zhì)”單元中“DNA 的結(jié)構(gòu)”，借助北京潤尼爾軟件科技有限公司提供的設(shè)備輔助教學(xué)，闡述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)賦能高中生物科學(xué)思維能力提升的具體實(shí)施路徑。

一、基于教學(xué)內(nèi)容的VR 輔助教學(xué)必要性分析

基于課程標(biāo)準(zhǔn)與人教材版教材，結(jié)合學(xué)生學(xué)情，梳理本部分教學(xué)內(nèi)容與前后概念的關(guān)系，厘清利用VR 輔助教學(xué)的入手點(diǎn)與必要性，具體如圖1 所示。

本部分內(nèi)容對應(yīng)課程標(biāo)準(zhǔn)中的次位概念3. 1. 2，是構(gòu)建重要概念3. 1 的基礎(chǔ)，也是最終形成大概念3 的重要支撐。完成本模塊學(xué)習(xí)后，學(xué)生應(yīng)該能夠結(jié)合DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，闡明DNA 分子作為遺傳物質(zhì)所具有的特征。

然而，人教版必修2“遺傳與進(jìn)化” 第1 章“遺傳因子的發(fā)現(xiàn)” 側(cè)重于群體與個(gè)體水平對遺傳現(xiàn)象的解釋，第2 章“基因和染色體的關(guān)系”重點(diǎn)闡明細(xì)胞水平上遺傳發(fā)生的過程，而DNA 結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)是從對群體、個(gè)體及細(xì)胞水平的研究開始轉(zhuǎn)向分子水平的研究。由于DNA分子結(jié)構(gòu)難以直接觀察，故教師需要借助圖片或結(jié)構(gòu)模型使DNA 結(jié)構(gòu)可視化，但是學(xué)生仍覺抽象，難以建立起細(xì)胞與分子水平的內(nèi)在聯(lián)系。同時(shí)，此種方式受限于實(shí)驗(yàn)材料和時(shí)長，不利于自主探究性學(xué)習(xí)的發(fā)生，學(xué)生難以真正意義上理解概念并遷移運(yùn)用。

基于以上問題，本節(jié)內(nèi)容采用科學(xué)史料分析，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源活動的方式進(jìn)行教學(xué)。從科學(xué)思維培養(yǎng)方面，本活動設(shè)計(jì)遵循科學(xué)家的研究思路———DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)歷程，借助虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源設(shè)計(jì)相應(yīng)學(xué)生活動，以體驗(yàn)科學(xué)探究的樂趣，最終利用VR 資源構(gòu)建DNA 結(jié)構(gòu)模型;同時(shí)本設(shè)計(jì)問題線索圍繞“DNA 如何儲存遺傳信息”展開，學(xué)生一步步總結(jié)出DNA 雙螺旋主要特點(diǎn)，逐步形成結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的生命觀念。故學(xué)生的科學(xué)思維與生命觀均在本課時(shí)得以訓(xùn)練和提升。

學(xué)生已經(jīng)在前面的章節(jié)中學(xué)習(xí)了“ 組成細(xì)胞的分子” 和“ DNA 是遺傳物質(zhì)” 相關(guān)內(nèi)容，已對DNA 的成分及功能有一定了解;同時(shí)，DNA 的結(jié)構(gòu)也是后續(xù)學(xué)習(xí)遺傳和變異的基礎(chǔ)。通過虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源，學(xué)生真正理解了DNA 的結(jié)構(gòu)， 才能理解DNA 的特點(diǎn)、DNA 復(fù)制以及指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的原理，從而明確DNA 擔(dān)當(dāng)遺傳物質(zhì)的理由，也為認(rèn)識基因突變、染色體變異和基因重組做鋪墊，進(jìn)而形成結(jié)構(gòu)與功能觀以及物質(zhì)是遺傳信息的載體等生命觀念。同時(shí)在分析科學(xué)史料的過程中，逐步發(fā)展科學(xué)思維。

二、基于VR 輔助課堂教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)與重難點(diǎn)確定

（ 一） 教學(xué)目標(biāo)

①利用虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源構(gòu)建DNA 分子結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，理解DNA 分子中脫氧核苷酸的排列順序蘊(yùn)藏遺傳信息，逐步形成結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的生命觀念。（生命觀念）

②利用虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源搭建DNA 分子結(jié)構(gòu)模型，分析科學(xué)史料，提升科學(xué)探究能力和批判性科學(xué)思維。（科學(xué)探究、科學(xué)思維）③通過分析DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型科學(xué)史料，學(xué)習(xí)科學(xué)家實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神，激發(fā)投身科學(xué)事業(yè)的志向。（社會責(zé)任）

（ 二） 教學(xué)重難點(diǎn)

利用科學(xué)史料和虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源相結(jié)合，通過構(gòu)建DNA 結(jié)構(gòu)模型，理解DNA 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維的進(jìn)階。

三、利用VR 學(xué)生活動助力科學(xué)思維提升的路徑

結(jié)合概念分析與教學(xué)目標(biāo)，本課時(shí)的核心問題是：“DNA 是怎樣儲存遺傳信息的？” 將其拆分為4 個(gè)子問題，并根據(jù)4 個(gè)子問題設(shè)計(jì)相應(yīng)的VR 活動（見圖2）。不同的學(xué)生活動訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維側(cè)重點(diǎn)不同，同時(shí)設(shè)計(jì)活動時(shí)考慮到一個(gè)課時(shí)也需要科學(xué)思維的進(jìn)階性。

通過學(xué)生活動1，學(xué)生依據(jù)已經(jīng)學(xué)過的知識，仿照教材圖示，動手搭建核苷酸結(jié)構(gòu)模型，初步熟悉VR 設(shè)備，了解運(yùn)用VR 搭建模型的方法;活動2 和活動3 在提供事實(shí)證據(jù)的基礎(chǔ)上，學(xué)生以小組為單位進(jìn)行推理分析，并通過VR 實(shí)現(xiàn)模型的搭建，在這個(gè)過程中，學(xué)生將經(jīng)歷“試錯(cuò)-糾錯(cuò)-再試錯(cuò)…-成功”的過程，不僅訓(xùn)練了學(xué)生的思辨能力，還鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用批判性思維解決問題，最終明確DNA 單鏈和雙鏈的平面結(jié)構(gòu)，理解不同堿基的排列順序賦予DNA分子的多樣性，理解遺傳信息的概念，同時(shí)根據(jù)DNA 分子雙鏈結(jié)構(gòu)決定了分子的穩(wěn)定性;活動4 首先需要學(xué)生結(jié)合細(xì)胞特點(diǎn)，評價(jià)平面模型的合理性，學(xué)生聯(lián)想到細(xì)胞核質(zhì)的成分與結(jié)構(gòu)，能夠推理出DNA 親水基團(tuán)在外，疏水基團(tuán)在內(nèi)，既明確了環(huán)境與結(jié)構(gòu)的一致性，也再次體會出DNA 分子的穩(wěn)定性。通過4 個(gè)活動，學(xué)生能夠理解“DNA 能夠攜帶遺傳物質(zhì)”，此時(shí)再引導(dǎo)學(xué)生提出新問題，比如“DNA 分子如何將遺傳信息傳遞下去呢？” 學(xué)生的創(chuàng)新性思維得到發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)了科學(xué)思維進(jìn)階訓(xùn)練。

四、圍繞目標(biāo)達(dá)成的具體教學(xué)過程

（ 一） 學(xué)生活動1：構(gòu)建核苷酸的結(jié)構(gòu)

教師布置任務(wù)“仿照教材圖示，利用虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源，構(gòu)建出四種脫氧核苷酸單體模型”。根據(jù)之前所學(xué)知識，學(xué)生能夠說出DNA的單體是脫氧核苷酸，由一分子磷酸、一分子脫氧核糖和一分子含氮堿基組成。在此基礎(chǔ)上利用虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源，構(gòu)建出四種脫氧核苷酸單體模型（見圖3），一方面熟悉實(shí)驗(yàn)的場景和操作，同時(shí)為下一步搭建核苷酸單鏈模型做準(zhǔn)備。

（ 二） 學(xué)生活動2：構(gòu)建脫氧核苷酸單鏈

教師通過設(shè)問：“DNA 單體是小分子物質(zhì)，它們又是如何連接形成多聚物的呢？” 進(jìn)入到第二個(gè)學(xué)生活動。首先，教師向?qū)W生展示核苷酸分子間通過化學(xué)方式連接，形成糖———磷酸骨架的研究史料。繼而教師布置任務(wù)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源，模擬構(gòu)建脫氧核苷酸單體生成核苷酸單鏈。學(xué)生在閱讀資料后，利用虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源，構(gòu)建核苷酸鏈單鏈，展示構(gòu)建結(jié)果。

本活動中學(xué)生基于史料分析，借助虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源輔助，將脫氧核苷酸單體連接成核苷酸單鏈，從而明確DNA 單鏈的結(jié)構(gòu)和磷酸二酯鍵的部位。在這個(gè)過程中，學(xué)生的推理與建模能力得到提升。同時(shí)，依據(jù)VR 資源，學(xué)生可以自由選擇核苷酸單體，從而出現(xiàn)不同的核苷酸單鏈，為理解遺傳信息的概念做好鋪墊。同時(shí)也為后面學(xué)習(xí)基因工程中DNA 聚合酶、限制酶、DNA 連接酶的作用部位打下基礎(chǔ)。

（ 三） 學(xué)生活動3：結(jié)合科學(xué)史構(gòu)建DNA 的平面結(jié)構(gòu)

核苷酸單鏈?zhǔn)侨绾螛?gòu)成DNA 結(jié)構(gòu)呢？ 同樣，教師首先展示資料：1950 年左右，鮑林揭示多肽鏈的螺旋結(jié)構(gòu)，威爾金斯受此啟發(fā)，考慮到X 射線衍射圖譜特點(diǎn)，推測DNA 是一種螺旋結(jié)構(gòu);隨后，富蘭克林便測得DNA 在不同條件下的X 射線晶體衍射圖譜，由此推出DNA 分子可能為平均直徑為2nm 的螺旋體;基于以上分析，沃森和克里克共同提出了DNA 是一個(gè)三鏈模型，但無法與其他研究數(shù)據(jù)吻合，便很快被否定;1951 年，查哥夫發(fā)現(xiàn)在不同生物的DNA 中4 種堿基比例關(guān)系。此外，已知嘌呤都是雙環(huán)結(jié)構(gòu)，占的空間大，嘧啶都是單環(huán)結(jié)構(gòu)，占的空間小。理論化學(xué)家格里菲斯計(jì)算出：A 和T，C和G 之間確實(shí)存在引力即氫鍵。

此時(shí)，教師布置任務(wù)，根據(jù)資料結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源，在思考下列問題的基礎(chǔ)上嘗試構(gòu)建DNA 平面結(jié)構(gòu)模型。

問題1. DNA 由幾條鏈構(gòu)成？

問題2. DNA 的基本骨架由什么物質(zhì)組成？可能位于DNA 的什么部位？

問題3. DNA 的堿基是如何搭配對的？ 他們位于DNA 的什么部位？

依據(jù)教師展示的資料，學(xué)生圍繞上述問題通過小組討論嘗試構(gòu)建DNA 的平面結(jié)構(gòu)，由于VR 系統(tǒng)的容錯(cuò)性，學(xué)生可以搭建出不同的模型，如圖4 左。經(jīng)過師生共同討論，最后得出結(jié)論：兩條核苷酸單鏈通過堿基配對原則，靠氫鍵維系A(chǔ)-T 和C-G 的配對關(guān)系，將兩條單鏈組成互補(bǔ)配對的雙鏈，且堿基對排列在內(nèi)，磷酸-脫氧核糖交替排列在外構(gòu)成基本骨架。學(xué)生利用虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源，模擬構(gòu)建DNA 平面結(jié)構(gòu)模型，具體如圖4 右。這個(gè)過程中，學(xué)生需要不斷地審視構(gòu)建的模型，在不斷地試錯(cuò)和糾正中，訓(xùn)練了批判性思維。

（ 四） 學(xué)生活動4：不同的視角觀察DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)

DNA 分子的真實(shí)結(jié)構(gòu)是怎樣的呢？ 教師講述：DNA 所在的環(huán)境是水溶液，而磷酸頭部是親水的，堿基是疏水的。那么DNA 以平面模型的形式存在于細(xì)胞核中是否合理呢？ 教師利用虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源，讓學(xué)生觀看不同視角下DNA 雙螺旋視圖，使學(xué)生感受雙螺旋在不同視角下的變化。學(xué)生可以清晰的感受到分子的結(jié)構(gòu)與環(huán)境相適應(yīng)，同時(shí)也更加理解堿基在內(nèi)部的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)更利于DNA 對遺傳信息的保護(hù)。

最后，通過展示不同學(xué)生構(gòu)建的DNA 模型（堿基排列順序不同），教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出作為生物主要遺傳物質(zhì)的DNA 的結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)：第一，基本骨架是脫氧核糖和磷酸交替連接，排列在DNA 分子的外側(cè)，而堿基排列在DNA 分子的內(nèi)側(cè)。第二，兩條脫氧核苷酸單鏈反向平行的方式形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。第三，依據(jù)堿基互補(bǔ)配對原則，兩條鏈通過氫鍵結(jié)合。DNA 雖然只含有4 種脫氧核苷酸，其結(jié)構(gòu)為什么呈現(xiàn)多樣性呢？ 正是由于堿基的排列順序是千變?nèi)f化的，使DNA 儲存了大量的遺傳信息。

通過活動3 和活動4 中史料展示科學(xué)探究過程中的艱辛與坎坷，學(xué)生能夠感悟科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，探索創(chuàng)新的科學(xué)精神，激發(fā)學(xué)生投身科學(xué)研究的熱情;同時(shí)，通過基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)，運(yùn)用歸納與概括、模型構(gòu)建，學(xué)生逐步理解DNA 的雙螺旋結(jié)構(gòu)能夠攜帶遺傳信息，學(xué)生的科學(xué)思維能力得到發(fā)展，進(jìn)而提高生物學(xué)核心素養(yǎng)。

五、人工智能及時(shí)評價(jià)學(xué)生活動表現(xiàn)

常規(guī)教學(xué)中由于課堂時(shí)間有限，常采用學(xué)生自主選擇實(shí)驗(yàn)材料，課下鞏固實(shí)踐的方式，失去了探究性學(xué)習(xí)的樂趣。同時(shí)由于學(xué)生眾多，教師只能查看個(gè)別學(xué)生的模型構(gòu)建過程，不能全面了解學(xué)生的個(gè)性化情況。

利用虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源實(shí)現(xiàn)了學(xué)生人人參與、倡導(dǎo)自主探究的個(gè)性化學(xué)習(xí)，并最終實(shí)現(xiàn)模型的構(gòu)建。而人工智能突破評價(jià)不全面、不及時(shí)的限制，在整個(gè)活動過程中，學(xué)生會第一時(shí)間收到來自人工智能的過程性評價(jià)結(jié)果，進(jìn)而進(jìn)行學(xué)習(xí)反思，再次修正模型，實(shí)現(xiàn)了“試錯(cuò)-糾錯(cuò)-改錯(cuò)”的學(xué)習(xí)閉環(huán)。同時(shí)，學(xué)生了解正確模型之后，仍可以依據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)資源反復(fù)練習(xí)，以達(dá)到熟練掌握相關(guān)知識的目的。

六、教學(xué)反思

依據(jù)課標(biāo)要求及學(xué)生的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)立足于教材中的核心內(nèi)容“DNA 的結(jié)構(gòu)”，通過選取恰當(dāng)?shù)目茖W(xué)素材，借助目前較為先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)資源開展探究實(shí)驗(yàn)，以逐步提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

本節(jié)課引導(dǎo)學(xué)生利用虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源搭建DNA 結(jié)構(gòu)模型，歸納DNA 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)而理解DNA 的結(jié)構(gòu)與功能相互統(tǒng)一，整節(jié)課課程結(jié)構(gòu)完整。對學(xué)生而言，DNA 分子的結(jié)構(gòu)微觀而抽象，本節(jié)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)思考的問題就是化抽象為具象。虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源實(shí)現(xiàn)了教與學(xué)的互動，學(xué)生沉浸其中，將抽象的DNA 分子具象化，將結(jié)構(gòu)單體到生物大分子的形成過程模型化，便于學(xué)生突破難點(diǎn)，理解DNA 的結(jié)構(gòu)與功能特性。尤其是實(shí)驗(yàn)活動4 環(huán)節(jié)，可以從不同視角觀察DNA 的雙螺旋結(jié)構(gòu)，學(xué)生可以借此更好理解富蘭克林DNA 衍射圖，并產(chǎn)生科學(xué)的進(jìn)步離不開各個(gè)學(xué)科交融和科學(xué)家相互協(xié)作的情感共鳴，激發(fā)科學(xué)熱情。

此外，選取科學(xué)研究中較為經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)作為研究主線，穿插在利用虛擬現(xiàn)實(shí)資源模型搭建的過程中。在這個(gè)過程中，學(xué)生遵循科學(xué)史實(shí)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源，不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、再發(fā)現(xiàn)新問題……鍛煉科學(xué)思維的同時(shí)，也體驗(yàn)了科學(xué)探究過程的樂趣。

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（ 責(zé)任編輯：加順花）